Команда исследователей, работающих в рамках программы DARPA под названием «Оптимизация с помощью шумных квантовых устройств среднего масштаба» (ONISQ), достигла важного прорыва, создав первую в мире квантовую схему с использованием логических кубитов. Это открытие имеет огромный потенциал для ускорения отказоустойчивых квантовых вычислений и может перевернуть представление о проектировании процессоров для квантовых компьютеров. Программа ONISQ началась в 2020 году. Ее цель: продемонстрировать количественное преимущество квантовой обработки информации за счет скачка производительности классических суперкомпьютеров для решения особенно сложного класса задач, известных как комбинаторная оптимизация. Программа преследовала гибридную концепцию, объединяющую «шумные» — или подверженные ошибкам — квантовые процессоры среднего размера с классическими системами, ориентированными именно на решение задач оптимизации, представляющих интерес для оборонной и коммерческой промышленности. Команды были отобраны для изучения различных типов физических, нелогических кубитов, включая сверхпроводящие кубиты, ионные кубиты и атомные кубиты Ридберга. Квантовое вычисление, основанное на концепциях, которые кажутся почти магическими или безумными, обладает потенциалом изменить наше представление о компьютерах, какими мы привыкли их видеть. Путем использования квантовых эффектов и сложных математических подходов, квантовое вычисление способно ускорить обработку данных на порядки по сравнению с классическими компьютерами и расширить границы многих областей науки. Это открывает новые возможности для исследований и технологического прогресса.  

После более 30 лет попыток исследователи синтезировали сверхтвердый нитрид углерода. Исследователи из Шотландии, Германии и Швеции решили загадку, которая длилась десятилетиями, и открыли практически неразрушимое вещество. В условиях экстремальной температуры и давления ученые синтезировали нитриды углерода, твердость которых оказалась выше, чем у кубического нитрида бора, второго материала после алмаза. Ученые подвергли различные формы прекурсоров углерода и азота давлению от 70 до 135 ГПа. Это примерно в миллион раз превышающему атмосферное давление на Земле. Сжатые материалы нагрели до температуры более 1 500 °С. Затем расположение атомов изучили с помощью рентгеновского излучения на трех ускорителях частиц во Франции, Германии и США. Этот анализ показал, что три из синтезированных соединений нитрида углерода имели структуры, необходимые для создания сверхтвердого материала. К удивлению исследователей, все соединения сохранили сверхтвердые алмазооподобные свойства, когда остыли и вернулись к атмосферному давлению. 

Дальнейшие расчеты и эксперименты показывают, что новые материалы обладают другими необычными свойствами. Например, для них характера фотолюминесценция и высокая плотность энергии, при которых большое количество энергии может храниться в небольшом количестве массы вещества. Материаловеды пытались раскрыть потенциал нитридов углерода с 1980-х годов, когда ученые впервые заметили их исключительные свойства, в том числе высокую устойчивость к нагреву. Но после более чем трех десятилетий исследований и многочисленных попыток синтеза до сих пор не было получено никаких заслуживающих доверия результатов. Потенциальное применение для полученных сверхтвердых нитридов углерода обширно, добавляют ученые. Например, их можно использовать при создании защитных покрытий для автомобилей и космических кораблей, высокопрочных режущих инструментов, солнечных панелей и фотодетекторов.              

Ведущий китайский производитель микрочипов для оперативной памяти ChangXin Memory Technologies (CXMT), невзирая на санкции, достиг очередного технологического прорыва. Об этом стало известно из независимого анализа, представленного на ежегодной конференции по микро- наноэлектронике IEEE IEDM в Сан-Франциско. Компания представила свое достижение — транзистор на окружающих затворах (GAA), самый передовой вид транзистора для чипов 3 нм. Исследования в области транзисторов на окружающих затворах (GAA) начались с 2000 года. Эта технология считается важной для развития логических микрочипов нового поколения, поскольку позволяет размещать на одной интегральной схеме больше транзисторов. В 2017 году Samsung начала разработку GAA для 3-нм техпроцесса, а массовое производство запустила в 2022 году. Оно требует особого программного обеспечения для автоматизации проектирования (САПР) и в этой области, как считалось, Китай сильно отстает от мировых лидеров. Несмотря на то, что CXMT не предоставила участникам конференции образов своего нового транзистора, новость о достижении прорыва в производстве оперативной памяти привлекла внимание аналитиков, поскольку разработка таких микрочипов обычно требует технологий, подпадающих под введенные США санкции. Со своей стороны, CXMT отрицает какие-либо нарушения экспортного контроля, настаивая, что добилась результата собственными силами.   

Научная статья, представленная на конференции IEEE IEDM, описывает фундаментальное исследование по структуре DRAM и функциональности конструкции 4F2 и не имеет ничего общего с нынешними производственными процессами CXMT. Другими словами, разработка еще не скоро попадет на рынок, пишет SCMP. С другой стороны, очевидно, что китайские власти приложат все усилия, чтобы помочь компании в сжатые сроки довести прорывную разработку до технологии стабильного производства. Фредерик Чэнь, эксперт из Winbond Electronics, назвал прогресс CXMT «впечатляющим» и свидетельством того, что она в скором времени может представить инновационные продукты. «Это важно, потому что Samsung Electronics пытается сделать то же самое», — сказал он. Как сообщает агентство Bloomberg, CXMT отказалась выходить на IPO и вместо этого решила привлечь финансирование, которое увеличит рыночную стоимость компании до 140 млрд юаней.     

TSMC продолжает доминировать на рынке контрактного производства полупроводниковых компонентов, привлекая крупных заказчиков, таких как Apple и NVIDIA, своей передовой 2-нм технологией. В то же время Samsung, хотя и отстает от тайваньского производителя, развивает свою технологию 2-нм и стремится получить заказы от Qualcomm. Ожидается, что корейская компания начнет выпускать серийную продукцию 2-нм по своей технологии SF2 в 2025 году, тогда же, когда и TSMC. Борьба между ними за клиентов в области передовой литографии нарастает. По мнению аналитиков, TSMC по-прежнему предлагает лучшее сочетание цены, эффективности техпроцессов и надежности. Согласно информации источников Financial Times, TSMC уже продемонстрировала прототипы своей 2-нм продукции крупным заказчикам, таким как Apple и NVIDIA. Они надеются начать массовое производство 2-нм чипов в 2025 году.

Обычно мобильные гаджеты в первую очередь переходят на новый техпроцесс TSMC, поэтому Apple остается самым вероятным кандидатом для реализации 2-нм технологии в своих чипах. Apple уже применяет 3-нм процессоры M3 в мобильных устройствах и планирует в ближайшее время использовать их в ноутбуках и планшетах. Представители TSMC уверены, что к моменту выпуска 2-нм технологии на рынок, их компания станет ведущей как с точки зрения плотности транзисторов, так и в плане энергоэффективности.   Samsung Electronics тоже активно ведет разработку новых технологий. Компания начала выпускать 3-нм продукцию номинально на несколько месяцев раньше TSMC и первой освоила структуру транзисторов с окружающим затвором (GAA). Однако на практике даже простая версия 3-нм технологии Samsung дает максимум 60% годных чипов в условиях массового производства, все остальное — брак и его объем пока запредельный. По мере усложнения дизайна изделий процент брака будет только увеличиваться. Представители Samsung ожидают, что компания начнет выпускать серийную продукцию 2-нм по своей технологии SF2 в 2025 году. Опыт в области транзисторов с окружающим затвором дает компании уверенность в достаточно плавном переходе от 3-нм к 2-нм технологии. 

По неофициальным данным, Samsung стремится привлечь компанию Qualcomm своей 2-нм технологией, после того как Qualcomm отказалась от использования 4-нм техпроцесса корейского партнера и вернулась к TSMC. Привлечению клиентов могут мешать особенности структуры бизнеса Samsung. Компания выпускает чипы как для смартфонов конкурирующих брендов, так и для своих собственных устройств. Некоторые потенциальные клиенты опасаются, что их разработки попадут в руки конкурента, поэтому они не спешат сотрудничать с Samsung в области контрактного производства. Intel также стремится стать крупным контрактным производителем чипов. Недавно она впервые вошла в топ-10 участников рынка контрактного производства. В конце следующего года Intel намеревается начать выпуск компонентов по своей «ангстремной технологии» 18A. Однако представители TSMC считают, что по техническим параметрам эта технология будет сопоставима с их собственной 3-нм технологией. Не исключено, что контрактный рынок может перестроиться на уровне отдельных взаимосвязей. Недавно NVIDIA намекнула, что она не против того, чтобы иметь третьего подрядчика на производство чипов в лице Intel. В то же время, компания AMD в июле выразила готовность рассмотреть других производственных партнеров, помимо TSMC. Аналитики Bernstein высказывают мнение, что утверждение Intel о необходимости снижения зависимости производственных цепочек в полупроводниковой индустрии от Тайваня столкнется с реалиями рынка. TSMC по-прежнему предлагает лучшее сочетание цены, эффективности техпроцессов и надежности в качестве партнера.  

Если бы импланты можно было вводить в организм в жидкой форме, а затем делать их твердыми прямо на месте, операции стали бы менее инвазивными. Новая методика 3D-печати позволит создавать импланты внутри организма, используя биосовместимые чернила, активируемые ультразвуковыми волнами. Это работает так: в нужную область тела для создания имплантата вводятся специальные чернила, ультразвуковые волны активируют их полимеризацию внутри тела, а затем остатки чернил удаляются с помощью шприца. Такой подход может иметь большой потенциал в области хирургии и терапии.  Существуют два основных метода 3D-печати. Первый метод основан на последовательном нанесении слоев вязкого материала, который затвердевает, чтобы создать трехмерные объекты. Этот метод является наиболее распространенным в 3D-печати. Второй метод, известный как объемная печать, использует светочувствительную желеобразную смолу, которая располагается в контейнере. Лучи или узоры света проецируются через прозрачные стороны контейнера, что приводит к полимеризации смолы в областях, которые подвергаются свету, в то время как остальная часть смолы остается гелевой. Путем перемещения источника света можно постепенно создать сложный трехмерный объект.   Одно из ограничений объемной печати — для передачи света контейнер и смола должны быть прозрачными. Однако человеческая кожа и биологические ткани почти непрозрачны. Это означает, что свет проникает через них только на небольшую глубину, обычно несколько миллиметров. Поэтому пока объемная печать не может использоваться для создания имплантатов внутри организма.     

Бетонные конструкции, напечатанные на 3D-принтере, строятся быстрее и дешевле, чем их традиционные аналоги, но они не всегда такие же прочные. Ученые из австралийских университетов добавили немного оксида графена в цемент, чтобы решить проблему. Это позволило увеличить общую прочность материала на 10%. Кроме того, графен обладает высокой электропроводностью, что позволяет использовать его для обнаружения трещин в бетоне. Традиционные методы строительства бетонных зданий и конструкций включают заливку влажного бетона в деревянные формы, которые после затвердевания удаляются. В свою очередь 3D-печать таких структур предполагает нанесение последовательных слоев экструдированного бетона, которые соединяются друг с другом по мере затвердевания. Однако связь между этими слоями иногда может быть слабой, что снижает общую прочность конструкции. Чтобы решить эту проблему, ученые из австралийского университета RMIT и университета Мельбурна добавили оксид графена в цемент, используемый в качестве связующего вещества в бетоне, напечатанном на 3D-принтере. Оксид графена — это окисленная форма графена. Графен состоит из одного слоя атомов углерода, связанных друг с другом в виде соты. Он является двумерным материалом и имеет толщину в один атом. Эксперименты с разными количествами показали, что при добавлении оксида графена в дозировке 0,015% от веса цемента полученный бетон демонстрирует лучшее межслоевое сцепление. Это привело к увеличению общей прочности на 10%.   

Оксид графена содержит на своей поверхности функциональные группы, похожие на липкие пятна, которые цепляются за предметы. Основным составляющими этих «липких пятен» являются различные функциональные группы, содержащие кислород. Они играют важную роль в формировании прочных связей с другими материалами, например, с цементом. Благодаря этому улучшается общая прочность бетона. Есть еще один бонус. Поскольку графен обладает высокой электропроводностью, через затвердевший бетон можно пропускать электрический ток. В перспективе эту функцию можно использовать в системе обнаружения трещин. Даже самые маленькие трещины будут прерывать электрическую цепь, проходящую через бетонную конструкцию. В будущем необходимо провести дополнительные исследования, чтобы определить, насколько прочность бетона, напечатанного на 3D-принтере, сопоставима с прочностью традиционного литого бетона.   

При разработке высокоэффективных зеркал специалисты стремятся достичь невозможного, то есть получить покрытия с безупречными отражательными свойствами. В видимом промежутке длин волн, от 380 до 700 нанометров (нм) самые эффективные зеркала из металла обеспечивают до 99% отражательной способности. Для понимания, это значит, что теряется один фотон из каждой сотни отражённых частиц света. Казалось бы, 99% — это весьма достойный показатель, однако в ближнем ИК диапазоне — от 780 нм до 2,5 микрометра (мкм) — специальные зеркальные покрытия уже демонстрируют отражательную способность на 99,9997%. Иными словами, благодаря им из 1 млн отражённых фотонов теряются лишь три. Уже давно учёных обуревает стремление охватить передовой технологией суперзеркала в среднем ИК диапазоне, то есть при длинах волн от 2,5 мкм до 10 мкм и выше. Побуждение — не сугубо научное: такой успех позволил бы достичь существенного прогресса, например, при измерении остаточных газов, что было бы интересно экологам, а также при анализе свойств биотоплива. А ещё удалось бы усовершенствовать такие технологии в промышленности и медицине, как лазерные резка материалов и хирургические ножи. Однако ещё совсем недавно наилучшие зеркала в среднем ИК диапазоне теряли один фотон из 10 тыс., а это в 33 раза хуже, чем суперзеркала в ближнем ИК диапазоне. Но ситуация переменилась. В журнале Nature Communications международная группа учёных опубликовала статью о своём «зеркальном рекорде». Специалисты Венского университета с партнёрами из калифорнийской компании Thorlabs Crystalline Solutions смогли изготовить зеркала в среднем ИК диапазоне и с полупроводниковой оптикой типа CDL Mid-IR, теряющие лишь восемь фотонов из 1 млн. То есть у новейших суперзеркал отражательная способность 99,99923%.

Американская компания IBM на ежегодной конференции Quantum Summit презентовала модульный квантовый компьютер Quantum System Two. Он работает на базе трех чипов Heron. Процессор Heron оперирует 133 кубитами и выдает в пять раз меньше ошибок во время вычислительных процессов, если сравнивать его с чипом Eagle этого же производителя. Сегодня квантовые процессоры используют сотрудники Министерства энергетики США, Токийского университета (Япония), австралийского стартапа Q-CTRL и Кельнского университета (Германия) для исследований в таких областях науки, как химия, физика, материаловедение и других. Преимущества модульного квантового компьютера понятны. Система разработана таким образом, что ее можно будет со временем дополнить новым оборудованием — процессорами, серверами и прочими комплектующими, улучшив технические характеристики.

Европейские и сингапурские физики использовали квантовые сенсоры магнитного поля на базе «дефектных» алмазов для обнаружения внутри природного минерала гематита ранее неизвестного типа квазичастиц, похожих по своим свойствам на гипотетические точечные источники магнитного поля. Об этом во вторник сообщила пресс-служба Кембриджского университета. «Существование монополей было давно предсказано физиками-теоретиками, однако нам впервые удалось получить их двумерный аналог в полноценном магнитном материале, который широко встречается в природе», – заявил профессор Кембриджского университета (Великобритания) Паоло Радаэлли, чьи слова приводит пресс-служба вуза. Ученые совершили это открытие при изучении свойств и внутренней магнитной структуры гематита, природного материала из оксида железа, который обладает антиферромагнитными свойствами. Последнее означает, что внутри гематита магнитные моменты атомов не направлены в одну сторону, как в обычных магнитах, а уложены в «шахматном» порядке.  

Недавно физики просветили частицы гематита при помощи ускорителей частиц и открыли свидетельства того, что в их поверхностном слое могут существовать сложно устроенные магнитные структуры. Это заставило ученых детально изучить магнитные свойства минерала при помощи сверхчувствительных квантовых датчиков магнитных полей, построенных на базе «дефектных алмазов», драгоценных камней с вкраплениями одиночных атомов азота. Проведенные замеры показали, что на поверхности частиц магнетита существует ранее неизвестный тип квазичастиц, похожий по своим свойствам на магнитные монополи. Они возникали в результате магнитных взаимодействий большого числа атомов железа, чьи спины, своеобразные магнитные оси, коллективно выстраивались таким образом, что внутри гематита возникали области, обладающие только северным или южным полюсом. Как предполагают ученые, аналогичные стабильные и похожие на монополи структуры должны существовать и в других материалах с антиферромагнитными свойствами. Это позволяет применять их для создания новых систем хранения информации, которые будут пользоваться уникальными свойствами квази-монополей для записи данных и вычислений с минимальными затратами энергии и времени.

«Растягивая» тонкие пленки алмаза, ученые создали кубиты, которые могут работать со значительно меньшими затратами и оборудованием. Исследователи из Чикагского университета, Аргоннской национальной лаборатории и Кембриджского университета разработали технологию для создания менее ресурсоемких кубитов (квантовых битов), которыми легче управлять. Предложенный метод основан на растяжении тонких пленок алмаза. Одна из главных проблем квантовой связи связана с «узлами», которые будут передавать информацию по квантовой сети. Кубиты, составляющие эти узлы, очень чувствительны к нагреву и вибрациям, поэтому для работы их нужно охлаждать до чрезвычайно низких температур. Исследователи экспериментировали с алмазами — одним из материалов, который используется для создания кубитов. Азотные вакансии (крошечные дефекты) в алмазах способны сохранять квантовую запутанность в течение относительно длительных периодов времени, но для этого материал необходимо охладить до температуры, немного превышающей абсолютный ноль.

В своих экспериментах ученые обнаружили, что они могут «растянуть» алмаз на молекулярном уровне, если положат тонкую пленку алмаза на горячее стекло. Когда стекло остывает, оно сжимается медленнее, чем алмаз, слегка растягивая атомную структуру алмаза — подобно тому, как асфальт расширяется или сжимается, когда земля под ним остывает или нагревается. Это растяжение, хотя и раздвигает атомы лишь на бесконечно малую величину, оказывает существенное влияние на свойства материала. Во-первых, кубиты в таком состоянии сохраняли когерентность при температурах до 4 К. Такую температуру можно достичь с помощью существующих установок и это требует гораздо меньше ресурсов и затрат, чем охлаждение до температур близких к абсолютному нулю. Во-вторых, «растяжение» позволило управлять кубитами с помощью микроволн. Предыдущие версии должны были использовать свет оптической длины волны для ввода информации и манипулирования системой, что приводило к появлению шума и снижало надежность системы. Использование микроволн в новой системе повысило точность до 99%. Исследователи полагают, что новая технология значительно снизит затраты на создание квантовых сетей связи, защищенных от взлома и искажения информации.

Вышеприведённые сведения о новейших достижениях науки в области наноиндустрии приводятся только на основе публикаций последнего месяца, что свидетельствует о том, что объём исследований и разработок в этой области растёт экспотенциально и всё более оставляет Россию на обочине наноиндустрии. Не достаточно просто проститься с такими неэффективными структурами как Роснано, создать новые структуры по типу национальных нанотехнологических инициатив как, например, действующих в Израиле и США.