Главные научные открытия 2021 года для отрасли ИКТ: выбор CNews17.12.2021 10:33

Второй год тема коронавируса продолжает оттягивать на себя внимание ученых и, соответственно, финансирование исследований. Однако есть ряд «модных» (таких как квантовый компьютинг) или насущных (поиск альтернативы литий-ионным аккумуляторам) тем, работы над которыми не останавливаются несмотря ни на что. Как и в прошлые годы, CNews рассказывает о наиболее важных для ИТ-рынка научных разработках.

Квантовые компьютеры — уже скоро?

В НИТУ «МИСиС» экспериментально доказали существование нового типа квазичастиц — ранее неизвестных возбуждений связанных пар фотонов на цепочках кубитов. Это открытие должно помочь создавать квантовые системы, устойчивых к ошибкам. «Мощность» квантовых компьютеров измеряется в кубитах, работа с которыми осложняется двумя обстоятельствами. Кубиты подвержены декогеренции (процесс нарушения слияния), которая сокращает срок службы кубитов и приводит к вычислительным ошибкам. А большими массивами кубитов очень сложно управлять. Если же создать из кубитов искусственную материю, то управление ими значительно упростится, что, в свою очередь, даст возможность создавать более мощные и более устойчивые к ошибкам квантовые системы.

Есть подвижки и в области передачи данных, базирующиеся на эффекте квантовой телепортации — переноса состояния квантовой частицы из одного места в другое при помощи запутанности. Так, группа ученых из Бразилии и Нидерландов смогла телепортировать квантовое состояние одиночного фотона на оптомеханическое устройство. Исследователи создали фотонный кубит, закодированный в произвольном состоянии, а затем перенесли его через десятки метров оптоволокна, чтобы путем телепортирования скопировать это состояние в квантовую память из двух кремниевых резонаторов размером около 10 мкм. Это достижение можно будет применять в усилителях сигнала, узлах сети связи, хранящих данные перед тем, как они телепортируются на следующие узлы. Такие устройства еще и выполняют функцию «квантовой памяти».

Также эксперименты по телепортации между двумя программируемыми кремниевыми микросхемами провели исследователи из Бристольского университета. В ходе экспериментов удалось получить передачу индивидуального квантового состояния частиц между чипами. По итогам эксперимента удалось передать 91% информации, что является хорошим показателем. Эти открытия помогут использовать квантовые технологии для создания мощных систем связи.

Еще одно открытие, которое может стать важной вехой на пути внедрения квантового компьютинга, сделали в Венском университете. Там смогли «связать» германий с алюминием создав монолитную гетероструктуру «металл-полупроводник-металл». Эта структура демонстрирует уникальные эффекты, которые особенно заметны при низких температурах. Алюминий становится сверхпроводящим, причем это свойство также передается и германиевому полупроводнику, что делает новую структуру превосходно подходящей для применения в квантовых технологиях. При этом она хорошо сочетается с уже известными технологиями микроэлектроники: германий уже используется в современных микросхемах, а температуры, необходимые для формирования гетероструктуры, совместимы с хорошо зарекомендовавшими себя схемами обработки полупроводников.

Литий и конкуренты

Литий-ионным элементам питания то ли 50 с небольшим лет (если отсчитывать от работ Майкла Уиттингема (Michael Whittingham), то ли 30, если вести их родословную от Акира Есино (Akira Yoshino). Для истории в равной степени ценны оба, получившие (в компании третьего разработчика, Джона Гуденафа, John Goodenough) в 2019 г. Нобелевскую премию по химии — как раз за изобретение и совершенствование литий-ионных технологий.

В любом случае, практически все технологии, что 30-, что 50-летней давности, применяемые в ИТ, уже давно на заслуженном отдыхе, а литий-ионные элементы по-прежнему практически незаменимы. Все проекты «гигафабрик» по производству аккумуляторов по-прежнему создаются под этот тип элементов.

Однако в последние годы изыскания в области альтернативных аккумуляторных технологий резко интенсифицировались. Литий и кобальт (еще один необходимый для производства аккумуляторов элемент) резко дорожают, кроме того, в новом дивном мире электромобилей их может банально не хватить. Поэтому проблема нахождения альтернативы — более емкой, быстрее заряжающейся и выдерживающей больше циклов зарядки и разрядки (и, по возможности, более экологичной) — важна как никогда.

Исследования ведутся во всех странах, материалы, которые с тем или иным успехом применяют для создания аккумуляторов, весьма различны — от бетона до алмазов. Впрочем, и литий не сдается без боя.

Китайская компания Contemporary Amperex Technology анонсировала коммерческие образцы натрий-ионных батарей, которые можно выпускать параллельно с литий-ионными без переоборудования конвейеров. Можно даже использовать элементы обоих типов в одном аккумуляторном блоке. Заявленные характеристики: плотность энергии 160 Вт*ч/кг, зарядка за 15 минут на 80% при комнатной температуре, при -20 °C аккумулятор сохраняет более 90% емкости.

Австралийская Graphene Manufacturing Group совместно с учеными Квинслендского университета создала алюминиево-ионные батареи, в которых применяется графен. Как заявляют в компании, эти батареи имеют высокую плотность энергии и более высокую удельную мощность по сравнению с литий-ионными батареями, заряжаются в 70 раз быстрее, срок службы больше втрое, а, главное, в них используются недорогие элементы, цепочки поставок которых просты и надежны (что крайне важно в нынешних условиях).

В шведском Технологическом университете Чалмерса подобрали компоненты, которые позволяют сделать гигантским аккумулятором все здание. В их разработке используется бетонная смесь с включенными в нее углеродными волокнами. Также в эту смесь вмонтирована углеродная сетка, покрытая металлом, ученые решили использовать железо и никель для анода и катода соответственно. В результате получилась перезаряжаемая батарея с довольно высокой для этого типа аккумуляторов плотностью энергии 7 Вт*ч/кв.м (или 0,8 Вт*ч/л). Энергии аккумулятора должно хватить, например, на работу передатчиков 4G или малопотребляющих устройств «умного дома».

Есть и совсем экзотические варианты. Так, в Японии разработан аккумулятор на основе синтетических алмазов и радиоактивных изотопов. Одного его заряда хватает на сотни лет, и создатели предлагают использовать его в мощных буровых установках и космическом оборудовании (которые сейчас до предела компьютеризированы, так что можно считать, что и эти батареи помогут развитию информационных технологий). Залог долговечности — применяемые в батареях изотопы углерода и никеля с длительными периодами полураспада (5700 и 100 лет соответственно).

Также на основе связки «алмаз+радиоактивные вещества» создают батареи в американской Nano Diamond Battery и в российском НИТУ «МИСиС».

Впрочем, литий не сдается, совершенствуются традиционные элементы на основе из этого металла и разрабатываются новые. В частности, есть подвижки в деле создания твердотельных батарей. Quantum Scape представила результаты испытаний твердотельной литий-ионной батареи, которая заряжается на 80% за 15 минут, сохраняет более 80% емкости после 800 циклов, а ее объемная плотность энергии, 1000 Вт ч/л, примерно на 80% больше, чем у современных жидкостных литий-ионных элементов.

Еще один аккумулятор на базе лития получился при совершенствовании одноразовых батарей на основе литий-тионилхлорида. Из-за агрессивности хлора батарейки получались одноразовые (хотя и весьма конкурентоспособные по основным показателям). Многоразовость обеспечили катоды из пористого углерода. Утверждается, что емкость таких элементов может вшестеро превосходить емкость литий-ионных аккумуляторов, однако количество циклов перезарядки пока не превышает 200 (литий-ионный аккумулятор может выдержать до 1000 циклов).

«Хранить вечно»: «пятимерный» оптический диск вмещает 500 Тбайт

В Саутгемптонском университете разработали новый метод 5D-записи данных на оптические диски из кварцевого стекла. Фемтосекундные лазерные импульсы при записи диска создают в нем объемные микрокристаллы различной формы. Длина, ширина и высота каждого микрокристалла, а также сила и поляризация импульса света дают «пять измерений», в которых можно закодировать данные. За счет этого удалось добиться плотности записи до 5 Гбайт на однодюймовый квадратный носитель, что дает приблизительно 500 Тбайт на оптическом диске стандартных размеров, а скорость записи — как до 225 Кбайт/с. Точность записи составила 96,3%–99,5%, средства коррекции ошибок дают возможность поднять точность до100%.

«Классические» оптические диски хранят гораздо меньший объем (128 Гбайт хранит четырехслойный диск стандарта BluRay), и, что боле существенно, срок их гарантированной службы около десяти лет. Кварцевый диск практически вечен, в том числе и в экстремальных условиях, поскольку выдерживает нагрев до 1000°С. Диск перезаписываемый (перезаписываемые DVD надежно служат только два-три года).

Создавать «пятимерные» диски уже более десяти лет пробовали многие компании, однако все упиралось в скорость записи, которая была так мала, что на запись «обычного» диска в 4,7 Гбайт ушли бы месяцы. При том, что уже в 2013 г. диски, разработанные в университете, теоретически, могли бы хранить до 360 Тбайт, если бы, конечно, кто-то взял на себя труд записывать информацию на них в течение почти 60 лет на достигнутой тогда скорости в 12 Кбайт/с.

Нынешний 500-терабайтный диск на скорости 225 Кбайт/с можно записать «всего» за 4 года. Прогресс очевиден. Создатели диска обещают дальнейшее совершенствование системы записи, которая даст возможность наполнять диск за пару месяцев, в том числе — за счет использования нескольких лазеров.

Кроме невысокой скорости работы, внедрение технологии задерживается дороговизной оборудования, необходимого для записи, правда, читать диск можно с помощью гораздо более дешевых устройств.

Криптография квантовой эпохи

По прогнозу Marketsandmarkets, в 2021 г. рынок квантовых технологий составит $472 млн, в 2026-м — уже $1,765 млрд (рост — 30% в год), однако уже сейчас встает вопрос о криптографических решениях, которые смогут противостоять взломщикам, вооруженным квантовыми компьютерами. Пока сегмент квантовой криптографии еле различим (в 2020 г. Marketsandmarkets оценил его $89 млн, в 2025 г. обещано $214 млн), но работы ведутся во многих направлениях.

Так, компания BT объявила об успешном испытании работы механизма квантового распределения ключей (Quantum Key Distribution, QKD) в новом типе оптического волокна — пустотелом «антирезонансном безузловом».

Концепция QKD, базирующаяся на передаче ключей шифрования одиночными фотонами, появилась в 70-х годах, первая реализация была предложена в 1984 г.

Процесс обмена ключами посредством QKD считается невзламываемым, поскольку в нем в полной мере используется тот факт, что при попытке вмешаться в процесс передачи злоумышленник внесет изменение в состояние фотонов и будет обнаружен.

Как правило, в оптоволоконных линиях данные передаются по сплошному оптоволоконному каналу с использованием света разных длин волн (это повышает пропускную способность канала). При этом QKD-фотоны, передающие ключи, требуют выделенного волокна для того, чтобы световые потоки из высокоскоростных каналов передачи данных не создали помех. В противном случае потоки передаваемых данных могут внести помехи в процесс передачи ключей.

Использование пустотелого волокна — волокна с воздушным каналом внутри — уменьшает помехи и задержку сигнала. Таким образом, это позволяет по одному и тому же физическому волокну передавать как высокоскоростной поток зашифрованных данных, так и слабый квантовый сигнал из отдельных фотонов, который несет ключ шифрования этих данных. В BT считают, что низкая задержка полого оптоволокна и возможность отправлять ключи по тому же волокну, что и основной сигнал, дадут новый импульс исследованиям в области создания безопасных сетей связи.

Другой подход продемонстрировали ученые из университета штата Огайо, усовершенствовавшие технологию PUF (Physical Unclonable Function, «Физически неклонируемая функция»). PUF — это функция, воплощенная в физической структуре, которую просто оценить, но трудно охарактеризовать, смоделировать или воспроизвести. Физическая структура, содержащая PUF, состоит из множества случайных компонентов, которые вводятся в нее в ходе создания системы. При воздействии такая физическая система порождает уникальный, но непредсказуемый ответ. Воздействие и ответ образуют пару запрос-подтверждение.

Новое решение реализуется в PUF на уровне внедрения вариаций в компьютерные чипы. Эти вариации чрезвычайно малы, в некоторых случаях они существуют на атомном уровне.

Для пользователей эти изменения не заметны, но зато они могут применяться при создании так называемых «секретов» — уникальных последовательностей нулей и единиц.

Существующие сейчас PUF несовершенны, так как содержат ограниченное число «секретов». Это значит, что со временем их можно взломать. По мере внедрения квантового компьютинга это «время» существенно уменьшится.

В новой версии PUF ученые создали сложную сеть логических вентилей, связанных между собой случайным образом. Логические ворота вентиля принимают два электрических сигнала и формируют из них новый сигнал. Такое нестандартное использование ворот провоцирует ненадежное, непредсказуемое поведение системы, своего рода детерминированный хаос.

По подсчетам ученых, новый PUF может создать 10 в 77 степени «секретов». Гипотетический хакер, способный раскрывать 1 миллион комбинаций в секунду, потратит на расшифровку пароля примерно 20 миллиардов лет.

Полный текст статьи читайте на CNews