Научная среда – новости о науке и технике. Выпуск #3

Новая среда и новый выпуск нашей научной рубрики. Сегодня, среди прочего, мы узнаем о том, что: 

  • создана ключевая технология квантового интернета;
  • фрагменты свитков Мертвого моря оказались подделками;
  • создан новый материал для катодов аккумуляторов;
  • российские ученые нашли новый способ определения размеров атомов;
  • ударный беспилотник "Альтиус" научится автономному полету.

news_5e7baa9e20bea.png


Создана ключевая технология квантового интернета

Ученые из Школы инженерных и прикладных наук Гарвардского университета и Массачусетского технологического института нашли способ исправить потерю сигнала при передаче квантовой информации с помощью прототипа специального узла, который может улавливать, хранить и запутывать кубиты.

Квантовый интернет может использоваться для отправки секретных сообщений, повышения точности GPS и увеличения мощности облачных вычислений. На протяжении более чем двадцати лет мечты о создании такой сети оставались недосягаемыми по большей части из-за трудностей передачи квантовых сигналов на большие расстояния без потерь.

Это связано с потерей фотонов по пути от отправителя сообщения к получателю. И это – самое главное препятствие на пути к квантовому интернету. К сожалению, тот же принцип, что делает такую технологию передачи информации безопасной, не позволяет восстанавливать потерянный по пути сигнал, как это можно сделать в стандартной коммуникационной сети.

Как усилить и исправить частично потерявшийся сигнал, если вы не можете его прочитать? Решение этой, казалось бы, невыполнимой задачи предполагает использование так называемого квантового ретранслятора. В отличие от классических ретрансляторов, которые усиливают сигнал через существующую сеть, квантовые ретрансляторы создают сеть запутанных частиц, через которые может передаваться сообщение.

По сути, квантовый ретранслятор – это небольшой квантовый компьютер специального назначения. На каждом этапе своей работы квантовые ретрансляторы должны быть способны улавливать и обрабатывать кубиты для исправления ошибок и хранить их достаточно долго, чтобы ими могла воспользоваться остальная часть сети. До сих пор это было невозможно по двум причинам: во-первых, одиночные фотоны очень трудно поймать, а во-вторых, квантовая информация очень хрупкая, что делает очень сложной ее обработку и хранение в течение длительного времени.

Авторы новой работы смогли создать новый тип квантового резонатора. В его основе лежат центры окраски, созданные из кремниевых вакансий в алмазе. Эти центры представляют собой крошечные дефекты в атомной структуре алмаза, которые могут поглощать и излучать свет с определенными характеристиками. Исследователи поместили такие единичные центры в нанополость внутри алмаза, которая ограничивает движение фотонов и заставляет их провзаимодействовать с этим центром.

Затем исследователи поместили резонатор в криогенную камеру, где создали температуру, близкую к абсолютному нулю, после чего бомбардировали материал единичными фотонами, отправленными по оптоволоконным кабелям. Ученые выяснили, что устройство может хранить квантовую информацию в течение нескольких миллисекунд – достаточно долго, чтобы можно было перенести информацию на тысячи километров. Электроды, встроенные в алмаз вокруг полости, использовались для подачи управляющих сигналов, позволяющих обрабатывать и хранить квантовую информацию.

news_5e7b49a821ab2.jpg


Фрагменты свитков Мертвого моря оказались подделками

Сотрудники компании Art Fraud Insights проанализировали хранящиеся в Музее Библии в Вашингтоне фрагменты свитков Мертвого моря, или Кумранских рукописей, и пришли к выводу, что ни один из них не является подлинным.

Свитки Мертвого моря – это собрание свитков, найденных в Кумранских пещерах недалеко от берега Мертвого моря. Они были обнаружены пастухом-бедуином в 1946 году. С тех пор свитки были идентифицированы как древние еврейские рукописи, созданные в течение последних трех столетий до н. э. и I века н. э. Сейчас свитки хранятся в так называемом Храме Книги в Иерусалиме. Ученые сходятся во мнении, что эти артефакты имеют огромное значение для религии, в частности для понимания многих деталей в Ветхом Завете.

После 2002 года были получены дополнительные 16 фрагментов рукописей, которые были переданы в Музей Библии в Вашингтоне. Но вскоре после поступления свитков несколько учреждений провели их анализ, который показал, что некоторые из них могут быть подделками. Однако до сих пор исследователи не проводили подробного изучения артефактов с помощью современных методов химического анализа.

Сделать это решились специалисты компании Art Fraud Insights. Они обнаружили, что элементный состав фрагментов в Музее Библии не совпадает с оригиналом, находящимся в Храме Книги. В своей работе исследователи использовали методы инфракрасной Фурье-спектроскопии, рентгенофлуоресцентного анализа, сканирующей электронной микроскопии с энергодисперсионным анализом и микро-КР спектроскопии.

После проделанных измерений и их анализа исследователи единодушно пришли к выводу, что ни один из фрагментов свитков Мертвого моря в Музее Библии не является подлинным. Кроме того, каждый из них обладает характеристиками, которые позволяют судить об их преднамеренной подделке. По словам авторов, эти артефакты были созданы в двадцатом веке, чтобы сымитировать подлинные фрагменты свитков Мертвого моря.

news_5e7b52a57ed15.jpg


Математики описали движение частиц в динамической среде

Математики из Лондонского университета королевы Марии, Цукубского университета, Федеральной политехнической школы Лозанны и Имперского колледжа Лондона представили новую теорию для объяснения наблюдаемых движений частиц в динамических средах – жидкости и биологических системах. Свою статью авторы опубликовали в журнале Nature.

Броуновское движение описывает, как перемещаются молекулы в какой-либо жидкости. Однако такая модель применима только для статичных систем. В реальной жизни в жидкостях наблюдаются процессы перемешивания и нарушения равновесия. Такие процессы не согласуются с обычным поведением частиц, описываемым броуновским движением, однако до сих пор ученые не смогли выяснить, как они могут возникнуть в результате микроскопических взаимодействий между отдельными частицами.

Команда европейских исследователей предложила новую модель, способную решить эту научную проблему. Они создали теоретическую конструкцию, которая учитывает все наблюдаемые экспериментально эффекты и объясняет их появление. Авторы предполагают, что их программа также может использоваться для описания некоторых процессов в биологических системах, в том числе питания одноклеточных водорослей и бактерий.

Расчеты исследователей показывают, что эффективная траектория движения частиц описывается так называемыми «прогулками Леви», которые широко используются для описания очень быстрых движений в сложных системах, ведущих себя очень нестандартно, например в экосистемах или при анализе землетрясений. Ученые выяснили, что такие «прогулки» могут возникать при гидродинамическом взаимодействии активных – движущихся – частиц с пассивными «собратьями».

Также исследователи установили, что на продолжительность этого эффекта влияет плотность активных частиц. Это позволяет предположить, что плавающие микроорганизмы могут использовать такие эффекты для поиска эффективных стратегий кормления. Например, при более высокой плотности активных частиц организму может быть более выгодно двигаться и искать себе пищу, в то время как при низкой плотности ему лучше оставаться неподвижным и ждать, когда еда сама приплывет к нему.

news_5e7b52e2b50c1.jpg


Физики описали процессы переноса тепла в установке для термоядерного синтеза

Сотрудники Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе исследовали, как происходит теплообмен в плазме сферического токамака Глобус-М – уникальной научной установки для термоядерного синтеза. Результаты представлены в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion. Работа поддержана грантом Президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда.

Мы подтвердили, что особенности физических процессов в плазме сферического токамака Глобус-М препятствуют возникновению дополнительных потерь тепла по ионному каналу из-за турбулентности плазмы. Это значит, что установка такого типа является хорошей основой для создания компактного источника термоядерных нейтронов.

Термоядерный синтез тем эффективнее, чем лучше нагрев плазмы, а это требует сильного магнитного поля и электрического тока, протекающего по плазме. Наоборот, турбулентность ионов плазмы мешает эффективному нагреву: вместо полезных столкновений ионы отклоняются и уходят из плазмы, что нарушает ее теплоизоляцию. В своей работе ученые оценили степень переноса тепла в сферическом токамаке Глобус-М в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе (Санкт-Петербург). Эта уникальная установка используется для исследовательских целей, но в будущем может послужить прототипом неисчерпаемого источника энергии. Малое аспектное отношение (то есть отношение величины большого радиуса плазменного шнура к малому радиусу) токамака Глобус-М обеспечивает получение высокого давления плазмы, что важно для эффективности протекания реакции синтеза.

Экспериментально подтвержденная модель для расчета параметров нагрева плазмы позволит спроектировать компактный источник высокоэнергичных нейтронов, которые можно использовать для деления тяжелых ядер. В процессе также можно получать энергию. Наше исследование существенно ускорит разработку и внедрение более эффективных ядерных систем, использующих процессы как синтеза, так и деления.

news_5e7b538f4107f.jpg


Осознание тела и его частей по отдельности различается

Исследователи из нескольких японских университетов использовали метод раздельной стимуляции тела, чтобы выяснить разницу между чувством всего тела и его отдельных частей – рук и ног. Чувство владения телом – это важный феномен для изучения самосознания. Однако различия между чувством обладания частями тела по отдельности и всем телом полностью до сих пор были не вполне понятны, так как не существовало эффективного способа отделения этих чувств друг от друга.

При использовании такого метода испытуемых погружают в виртуальную реальность, а к их телу прикрепляют электроды, стимулирующие только определенные конечности. При обычной стимуляции, например, руки в виртуальном мире ваше тело двигает той же рукой, а при «раздельной» стимуляции в VR может происходить движение совершенно другой частью тела.

В первом эксперименте, проведенном в рамках работы, ученые проверили реакцию 16 добровольцев на стимуляцию отдельных конечностей при взгляде от третьего лица. В результате после анализа взгляда и движения конечностей ученые выяснили, что при обычной стимуляции испытуемые ощущают владение как конечностями, так и всем телом, но при применении «раздельной» стимуляции они могут чувствовать свои конечности отдельно от всего остального тела.

Во втором эксперименте испытуемых заставили испытывать то же самое, но уже от первого лица. И при этом были получены аналогичные результаты. Но в третьем эксперименте, когда авторы измеряли реакцию кожи на потенциально опасные стимулы у 20 человек, у обоих методов не было выявлено существенных отличий друг от друга.

Результаты этой работы показывают, что знание пространственного расположения своих конечностей важно для владения всем телом, но не имеет значения при ощущении владения конечностями по отдельности. Это значит, что телесное самосознание человека может быть ограничено пространственным расположением нормальных частей тела.

news_5e7bb1efc04d4.jpg


Танцы способны остановить старение мозга

Ранние исследования показывали, что спортивные упражнения – это один из действенных подходов к тому, чтобы замедлить развитие когнитивных нарушений. Но по словам исследователей из Немецкого центра по изучению нейродегенеративных заболеваний, оставалось неизвестным то, какие именно физические нагрузки необходимы мозгу, чтобы сохранить память и ясность ума.

Для того чтобы определить самое эффективное упражнение, авторы провели эксперимент, в который пригласили 52 добровольцев в возрасте примерно 70 лет. Их поделили на две группы: экпериментально-танцевальную и контрольно-спортивную. Участникам первого состава предложили регулярно разучивать танцы разных стилей, например сальсу или сквэр-данс. Вторая группа получила задание заниматься скандинавской ходьбой и кататься на велосипеде. Предполагалось, что физические нагрузки будут постоянны в течение 18 месяцев. Завершили занятия 26 человек: 14 танцоров и 12 спортсменов.

В результате, как и думали ученые, у добровольцев увеличился объем гиппокампа – структуры мозга, которая отвечает за переход кратковременной памяти в долговременную. Причем изменение произошло у всех участников, завершивших эксперимент. Также у группы танцоров авторы заметили дополнительное увеличение левой зубчатой извилины и основания гиппокампа. Возможно поэтому только танцоры улучшили свои результаты в тестах на равновесие.

Некоторые нейродегенеративные заболевания, например болезнь Альцгеймера, можно диагностировать на ранних стадиях по уменьшению размера гиппокампа. Кроме этого, результаты работы ученых помогут в разработке действенных физических упражнений для замедления возрастных изменений мозга.

news_5e7b516738fa1.jpg


Новости российской науки


Создан новый материал для катодов аккумуляторов

Ученым из Центра энергетических наук и технологий Сколтеха удалось создать эффективный и достаточно недорогой катодный материал на основе фторидофосфата титана-калия, KTiPO4F, который обладает высоким электрохимическим потенциалом в 3,6 вольта и стабильностью работы при высоких скоростях заряда-разряда. Получить такой материал ученым удалось, растворив металлический титан в плавиковой кислоте, содержащей гидрофторид калия KHF2, и затем нагрев систему до 200 °C.

Это исключительный результат, буквально сдвигающий устоявшуюся парадигму в научном сообществе, согласно которой материалы на основе титана рассматривались исключительно как анодные из-за низкого потенциала соединений этого элемента. Мы же считаем, что открытие KTiPO4F может стать стимулом к поиску и разработке новых титансодержащих катодных материалов с уникальными электрохимическими характеристиками.

news_5e7b468c23f24.jpg


Создан новый материал для резистивной памяти

Исследователи из Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, НГУ, НГТУ и Национального университета Чао Тунг, используя две разные технологии, смогли синтезировать мемристоры – элементы нового энергонезависимого вида памяти – на основе нитрида кремния.

Работы по созданию энергонезависимой резистивной памяти активно ведутся во всем мире, так как ее характеристики существенно выше, чем у применяемой сегодня флэш-памяти. Но до сих пор для создания таких устройств использовались оксидные материалы, например оксид тантала. Только недавно ученые начали проявлять повышенный интерес к оксиду и нитриду кремния, хотя эти соединения традиционно используются для изготовления микро- и наноэлектроники и не потребуют существенного изменения технологических процессов, в отличие от оксидов металлов.

В новом исследовании российские ученые смогли получить материалы для мемристоров из нестехиометрического нитрида кремния SiNx двумя разными методами. Первый называется физическим осаждением из газовой фазы (PVD). Изготовленный по такой технологии материал обладает лучшими характеристиками, чем созданный по второй методике – с помощью плазменно-химического осаждения из газовой фазы (PECVD). Первая технология не является традиционной для производства интегральных микросхем и применялась впервые для синтеза нитрида кремния, однако изготовленный по ней микрочип показал в 100 раз большее время хранения информации. Такой эффект исследователи объясняют наличием большего числа дефектов.

news_5e7b525c10b58.jpg


Российские ученые нашли новый способ определения размеров атомов

Ученые из Университета ИТМО вместе с коллегами из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН предложили новый, достаточно точный метод статистического анализа силы межмолекулярных взаимодействий и размеров атомов, который не требует использования суперкомпьютеров.

Молекулярное моделирование сегодня шагнуло далеко вперед. Химики могут получить большое количество данных из экспериментов, которые затем можно использовать для суперкомпьютерного моделирования. Для него используются методы квантовой химии, которые, однако, оказываются либо недостаточно точны, либо требуют много вычислительных ресурсов. А между тем, такие параметры, как межатомные расстояния в молекуле и размер атомов важны для создания новых соединений, в том числе для медицинских применений. Теперь российские ученые смогли создать метод, который использует статистические данные для получения значений важных физико-химических показателей, определяющих структуру молекулы.

Обычно эффективные размеры атомов рассчитываются достаточно просто. Представим, что у нас есть данные о всех возможных вариантах взаимодействия некоторых двух атомов. Если теперь построить график распределения межатомных расстояний, то из него можно будет увидеть среднее значение этого показателя, которое соответствует анализируемому взаимодействию. Однако возможно это не всегда, поэтому вместо наиболее вероятной дистанции из графика вычисляется другая, приближенная величина. Наш новый способ позволяет обойти эту проблему благодаря отсеиванию случайных контактов от "прямых" взаимодействий, в которых на линии, соединяющей центры двух атомов, не находятся другие, экранирующие атомы.

Наш метод может использоваться в реальной жизни. Представьте, что у вас есть хорошая белковая молекула, которая в целом оказалась эффективна, но для реального использования ее нужно немного улучшить, связав с активным центром. Чтобы сделать это быстро и эффективно, вы можете использовать наш подход и выяснить, какие взаимодействия в белке важны для его свойств, а какие второстепенны и не играют особой роли. До сих пор значения некоторых квантово-химических параметров определялись эмпирически или вычислялись приближенно и не имели конкретного физического смысла. Но наш метод позволит значительно увеличить точность расчетов, особенно для новых, ранее неизученных систем.

news_5e7b474145a20.jpg


Описан и смоделирован в эксперименте новый тип квантовых состояний

Группа ученых из Университета ИТМО при участии коллег из МФТИ и Университета Турина предсказала новый тип квантовых топологических состояний двух фотонов и предложила доступный способ экспериментальной проверки сделанных предсказаний. Метод основан на построении аналогий – вместо дорогостоящих опытов по созданию квантовых систем с двумя и более запутанными фотонами исследователи использовали резонансные электрические цепи, работа которых описывается похожими уравнениями. Полученные результаты могут приблизить создание оптических чипов и квантовых компьютеров без проведения дорогостоящих экспериментов.

Свет занимает важнейшее место в современных информационных технологиях: именно с помощью света информация передается по оптоволоконным кабелям на огромные расстояния. В будущем ученые предсказывают создание оптических чипов и компьютеров, в которых информация будет обрабатываться при помощи световых частиц – фотонов, а не электронов, как сейчас. Это заметно снизит потребление энергии и повысит скорость вычислительной техники, но для этого необходимы активные фундаментальные и практические исследования поведения света в микро- и наномасштабе.

Если проводить полноценный эксперимент слишком дорого, то можно попытаться придумать какую-то модель или аналогию, которая позволила бы проверить те или иные теоретические положения без столь серьезных затрат. Конечно, полностью заменить эксперименты с квантовыми системами аналогия ученых из Университета ИТМО не может. Однако с разработанной ими классической структурой можно провести целый ряд экспериментов, что существенно снизит общую стоимость изучения явлений квантовой фотоники. То, что петербургским ученым впервые удалось подобрать аналог для изучения поведения системы из двух связанных фотонов, открывает интересные перспективы применения их разработки.

Теория опережает возможности эксперимента. Чтобы быть на переднем крае теории, мы рассматриваем тонкие эффекты, которые в квантовом эксперименте можно будет обнаружить только через несколько лет. Мы проводим сейчас целый ряд исследований в этом направлении, рассматривая топологические краевые состояния более экзотических квантовых систем и разрабатывая способы их аналогового моделирования. Проведение таких экспериментов будет иметь важное значение как для фундаментальной физики, так и для прикладных разработок будущего».

news_5e7b4854617a7.jpg


Ударный беспилотник "Альтиус" научится автономному полету

Предприятия российского оборонно-промышленного комплекса приступили к разработке модернизированной версии ударного беспилотного летательного аппарата «Альтиус». Как пишут «Известия» со ссылкой на источники в оборонно-промышленном комплексе, аппарат получит бортовую систему с элементами искусственного интеллекта, благодаря которой беспилотник сможет действовать в автоматическом режиме.

Современные беспилотники на большинстве этапов полета управляются операторами с земли. Большие разведывательные машины контролируются двумя людьми: один оператор отвечает непосредственно за полет беспилотника, второй – за управление его полезной нагрузкой.

Модернизированный "Альтиус" будет в режиме реального времени получать разведывательную информацию о местоположении систем противовоздушной обороны противника и с ее учетом автоматически рассчитывать наиболее безопасный маршрут полета к цели.

"Альтиус" также сможет идентифицировать и приоритезировать цели, а также самостоятельно наносить по ним удары. Кроме того, модернизированный беспилотник сможет обмениваться данными с истребителем Су-57. При этом летчик Су-57 сможет управлять «Альтиусом». Другие подробности о перспективной система для ударного беспилотника не раскрываются.

news_5e7b50c33354f.jpg


Обнаружена новая часть древнего Херсонеса

Проводя раскопки на месте бывшей воинской части перед строительством музейного комплекса, российские археологи нашли неизвестную ранее часть древнего Херсонеса. Об этом сообщает пресс-служба Института археологии РАН.

«Мы впервые увидели эту часть древнего города, которая располагалась за городской стеной, но в то же время была частью этого большого поселения. Скорее всего, здесь жили люди не очень высокого социального статуса. Старые раскопки предполагали наличие на этой земле некрополя, но вот уже сто лет раскопки тут не проводились. Новые археологические материалы позволяют в корне изменить представление об исторической топографии загородной территории Херсонеса», — рассказывает директор Института археологии РАН академик Николай Макаров.

Проведенные в этом году археологические работы впервые позволили приблизиться к реальной истории освоения северо-западного участка Херсонесской балки. В этом месте исследователи экспедиции открыли склеп и могилу эпохи эллинизма, которые были вырублены в скале. Еще два погребальных сооружения, также вырубленные в скале, на данный момент находятся в процессе расчистки.

Новые жители этой местности переоборудовали вырубленные в скале античные склепы под дома и хозяйственные строения. Благодаря им постепенно прямо под стенами Херсонеса в IX–X веках создался участок с жилыми сооружениями в скальном грунте – "пещерный город". Однако в конце XIII века Херсонес и его округа были сожжены монголами, и оставшиеся жители покинули необычное поселение.



news_5e7baaabdb979.png

На сегодня все. Напомним, что полную версию материалов можно прочитать, ткнув на соответствующую картинку. Спасибо за внимание, и помните, что никогда не поздно "Учиться, учиться и еще раз учиться!"