|
Разные: Количество битов превысит количество атомов на Земле через 150 лет. Прорыв: ученым удалось записать информацию в синтетических молекулах
|
Британские ученые подсчитали, что через 150 лет количество цифровых битов обгонит количество атомов на Земле, передает Tengrinews.kz со ссылкой на Daily Mail.
Бит - это стандартная единица измерения, которая используется для измерения информации или данных в вычислительной и цифровой коммуникации.
Как отмечают исследователи, цифровая информация - это такая же физическая материя, как твердое тело или газ, а к 2170 году мир будет состоять в основном из компьютерных симуляций, цифровых битов и компьютерного кода.
Через 150 лет количество цифровых битов составит 133 квиндециллиона (133 с последующими 48 нулями), и это расчетное число атомов на планете. Для поддержания всей этой компьютерной мощи потребуется такое же количество энергии, какое сейчас вырабатывается на Земле.
По данным IBM, в настоящее время темпы производства цифрового контента составляют около 20 квинтиллионов (20 с последующими 18 нулями) цифровых битов каждый день, при этом 90 процентов мировых данных было создано за последние 10 лет.
Ранее в Германии ученые из Университета Майнца при помощи суперкомпьютера MOGON II узнали, какие препараты потенциально могут быть эффективными против коронавируса. Компьютер сделал свыше 30 миллиардов вычислений и установил, что компоненты симепревира, паритапревира, гразопревира и велпатасвира, применяющихся при лечении гепатита C, хорошо противостоят SARS-CoV-2 и могут предотвращать заражение им.
Прорыв: ученым удалось записать информацию в синтетических молекулах
В теории, для хранения и передачи информации подходит любой материал, среда или явление, в котором можно реализовать заданную последовательность параметров. Это и бой сигнальных барабанов, и азбука Морзе, и двоичный код в микросхемах. А недавно ученые создали синтетическую молекулу, новое вещество, в самой структуре которого и записана информация. Одна молекула – один массив данных.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли и Рурского университета Бохума выбрали в качестве перспективного материала металлорганические каркасы (MOF). У них микропористая структура нанометрового размера, в которой к органическим решеткам крепятся ионы произвольных металлов. Меняя вид металла, можно получать MOF с разными физическими и химическими свойствами и применять их в качестве мембран, фильтров, катализаторов и т.д.
Концепция в том, что варьируя расположение отдельных ионов, можно расставить их так, чтобы сформировать код. Для этой цели спроектировали новый MOF-74, в котором оксидный каркас имеет форму стержня, а несколько таких стержней объединены в структуры типа соты. Вдоль этих стержней крепятся ионы свинца, кобальта, кадмия и марганца, расположение которых считывается по технологии атомно-зондовой томографии (APT).
В результате ученым удалось создать молекулу с записанной информацией, а потом прочесть эти данные. Теперь они работают над технологией перезаписи молекул, что не так-то просто – изначально MOF задумывались одноразовыми, с фиксированной структурой. Однако совсем не исключено, что в ближайшем будущем накопители данных в наших гаджетах будут созданы по молекулярной технологии.
Новые компактные ускорители частиц приближают электронные лучи к скорости света
Ученые успешно разработали карманный ускоритель частиц, способный излучать ультракороткие электронные пучки с помощью лазерного света со скоростью более 99,99% скорости света. Чтобы достичь этого результата, исследователям пришлось замедлить свет, чтобы он соответствовал скорости электронов, используя специально разработанную металлическую структуру, покрытую слоями кварца, которые тоньше человеческого волоса. О своем открытии ученые рассказали в статье для Nature Photonics.
Новая разработка одновременно предлагает возможности для изменения и манипулирования сгустками частиц во временных масштабах менее 10 фемтосекунд (0,000 000 000 000 01 секунда, или время, необходимое свету для перемещения на 1/100 миллиметра). Новая разработка позволит ученым создавать стробоскопические фотографии движения атомов.
Эта успешная демонстрация открывает путь к разработке высокоэнергетических, заряженных и высококачественных ускорителей терагерцового (ТГц) диапазона, которые обещают быть более дешевыми и компактными. Уменьшение размера и стоимости ускорительной технологии откроет ее для гораздо более широкого круга приложений.
Предоставлено: Манчестерский университет
Ускорители элементарных частиц широко используются в фундаментальных исследованиях в области физики элементарных частиц, определения характеристик материалов, радиотерапии в больницах, где они используются для лечения больных раком, производства радиоизотопов для получения медицинских изображений и досмотра грузов на предмет безопасности. Однако основная технология (генераторы радиочастоты), лежащая в основе этих машин, была разработана для радаров во время Второй мировой войны.
Уникальное решение ученых — использовать лазеры для генерации световых импульсов терагерцового диапазона. Терагерц — это область электромагнитного спектра между инфракрасным (используется в телевизионных пультах) и микроволновым (используется в микроволновых печах). Генерируемое лазером терагерцовое излучение существует в режиме идеальной длины волны миллиметрового масштаба, что упрощает изготовление структуры. И, что наиболее важно, оно обеспечивает длину полупериода, которая хорошо подходит для ускорения целых электронных сгустков с высоким уровнем заряда.
Физики нашли способ сделать инфракрасное излучение видимым
Хорошо известно — инфракрасное (ИК) излучение невидимо для человеческого глаза. Однако нередко случается так, что людям все же нужно увидеть луч лазера, работающего в ИК-диапазоне. Это необходимо, например, при проверке лазерной установки, а также ее юстировке.
«В настоящее время в области инфракрасной оптики существует задача визуализации ИК-излучения, используемого для тех или иных применений, — рассказывает главный научный сотрудник физико-технического факультета, руководитель Лаборатории гибридной нанофотоники и оптоэлектроники Университета ИТМО Сергей Макаров. — Такое излучение широко используется в медицине, на производстве, в лидарах, в фундаментальных исследованиях. Лазерные установки ИК-диапазона имеются практически в каждой второй оптической лаборатории, к примеру, только у нас в ИТМО их более сотни».
Чтобы увидеть, излучает ли установка в инфракрасном диапазоне, вовсе не обязательно надевать прибор ночного зрения или брать специальную камеру. Для этого используют карточки из специального материала.
«Если вы используете лазер, работающий в видимом диапазоне, — поясняет Сергей Макаров, — вы можете просто взять тетрадный листок, поставить его поперек луча и увидите на нем точку. С ИК-лазером так не получится — вы заметите его только тогда, когда он начнет поджигать листок бумаги. Однако для инфракрасного излучения есть карточки из специальных материалов, которые работают по сходному принципу — если перегородить такой карточкой путь лучу, вы увидите точку на ее поверхности. Они сделаны с добавлением ионов редкоземельных металлов, которые поглощают ИК, излучают и преобразуют его в видимый спектр».
Данные карточки являются важным компонентом для любой оптической лаборатории или производства с ИК-лазером. Однако у них, по словам ученых, есть ряд недостатков, начиная от высокой цены и заканчивая сравнительно маленьким сроком службы. Кроме того, они не универсальны и подойдут не для любой установки.
ИТМОСхема визуализатораСлева: инфракрасный луч проходит через разработанный визуализатор и попадает далее на коммерческий непрозрачный аналог. Справа: демонстрация высокой гибкости визуализатора в режиме эксплуатации
Постоянно сталкиваясь с неудобствами из-за дороговизны и недолговечности используемых ИК-визуализаторов, ученые из Университета ИТМО, Алферовского университета (АУ) и Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) решили применить свои фундаментальные работы для создания материала для ИК-визуализаторов нового поколения, лишенных многих недостатков использующейся сейчас продукции. Для создания прототипа были выбраны нитевидные нанокристаллы из фосфида галлия (GaP). Ученые из Алферовского университета уже давно работают над выращиванием наноструктур из этого материала, имеющего очень интересные оптические свойства. Изобретение описано в статье, опубликованной в журнале ACS Nano.
«В связи с тем, что кристаллическая решетка этого материала нецентросимметрична, он может уменьшать в два раза длину волны падающего на него излучения. Так ИК-свет с длиной волны в 1000 нанометров преобразуется в видимое излучение в 500 нанометров, то есть в зеленовато-голубое. Этот принцип работает для излучения в широком диапазоне длин волн, что решает первую проблему многих существующих карточек для ИК-визуализации — их неуниверсальность и спектральную ограниченность», — отметил старший научный сотрудник лаборатории возобновляемых источников энергии АУ Владимир Федоров.
ИТМОПри помощи предложенной технологии инфракрасное излучение может быть преобразовано в любой из цветов радуги. Числа на картинках соответствуют длинам волн преобразованного излучения
«Наши коллеги вырастили нитевидные кристаллы фосфида галлия вертикально на подложке, — рассказывает Заведующий лабораторией возобновляемых источников энергии АУ Иван Мухин, — затем залили их тонким слоем полимера, оторвали его от подложки и получили мембрану, нашпигованную этими наночастицами. Это получилась гибкая, тонкая, полупрозрачная пленка, которая пропускает через себя ИК-луч без существенных искажений, уменьшая его длину волны, делая его видимым для человеческого глаза».
Прозрачность пленки имеет очень важное значение. Существующие образцы не пропускают излучение: подобно листку бумаги они полностью преграждают дорогу лучу. Сквозь образец, полученный петербургскими учеными, свет проходит, что делает использование намного проще.
Материал предоставлен пресс-службой ИТМО
Глубокое обучение и метаматериалы помогли ученым сделать звук видимым
Объединив специально созданные материалы и нейронные сети, исследователи из EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны, Швейцария) показали, что звук можно использовать в изображениях с высоким разрешением. О своем открытии исследовательская группа во главе с Роменом Флери сообщила в статье, опубликованной в журнале в Physical Review X.
Визуализация позволяет изобразить объект посредством анализа дальнего поля световых и звуковых волн, которые он передает или излучает. Чем короче волна, тем выше разрешение изображения. Однако до сих пор уровень детализации ограничен размером рассматриваемой длины волны. Исследователи из Лаборатории волновой инженерии EPFL успешно доказали, что длинная и, следовательно, неточная волна (в данном случае звуковая волна) может выявить детали, которые в 30 раз меньше ее длины. Для этого исследовательская группа использовала комбинацию метаматериалов — специально разработанных элементов — и искусственного интеллекта. Их исследование открывает новые захватывающие возможности, особенно в областях медицинской визуализации и биоинженерии.
Новаторская идея команды заключалась в том, чтобы объединить две отдельные технологии, которые ранее разделили границы визуализации. Одной из них является технология метаматериалов: специально созданных элементов, которые могут, например, точно фокусировать длины волн. Тем не менее, они теряют свою эффективность из-за случайного поглощения сигналов, что затрудняет их расшифровку. Другая технология — это искусственный интеллект или, более конкретно, нейронные сети, которые могут быстро и эффективно обрабатывать даже самую сложную информацию, хотя это требует обучения.
Чтобы превысить дифракционный предел (минимальное значение размера пятна, которое можно получить, фокусируя электромагнитное излучение) исследовательская группа провела следующий эксперимент. Сначала они создали решетку из 64 миниатюрных динамиков, каждый из которых можно активировать в соответствии с пикселями изображения. Затем они использовали решетку для воспроизведения звуковых образов цифр от нуля до девяти с точными пространственными деталями. Изображения цифр, введенные в решетку, были взяты из базы данных, содержащей около 70 000 рукописных примеров. Напротив решетки исследователи поместили мешок с 39 резонаторами Гельмгольца (сферы диаметром 10 см с отверстием на одном конце), которые и образовали метаматериал. Звук, производимый решеткой, передавался метаматериалом и улавливался четырьмя микрофонами, расположенными на расстоянии нескольких метров. Затем алгоритмы расшифровали звук, записанный микрофонами, чтобы научиться распознавать и перерисовывать исходные цифровые изображения.
Команда добилась почти 90% успеха в своем эксперименте.
В области медицинской визуализации использование длинных волн для наблюдения за очень маленькими объектами могло бы стать большим прорывом.
"Длинные волны означают, что врачи могут использовать гораздо более низкие частоты, в результате чего методы акустической визуализации эффективны даже через плотную костную ткань. Когда дело доходит до визуализации с использованием электромагнитных волн, длинные волны менее опасны для здоровья пациента. В приложениях мы не будем обучать нейронные сети распознавать или воспроизводить числа, а скорее органические структуры".
Ромен Флери, руководитель исследовательской группы в EPFL
Ученые придумали, как сохранить интенсивность света в волокне
В многообещающем прорыве в будущее связи исследователи EPFL (Федеральная политехническая школа Лозанны, Швейцария) разработали технологию, которая может усиливать свет в новейших оптических волокнах с полой сердцевиной. О результатах открытия ученых сообщает журнал Nature Photonics.
Руководитель группы волоконной оптики инженерной школы EPFL Люк Тевеназ признался, что идея «витала» в его голове около 15 лет, но у него не было времени или ресурсов, чтобы что-то с ней сделать. Теперь его лаборатория разработала технологию усиления света внутри новейших оптических волокон с полой сердцевиной.
Современные оптические волокна обычно имеют прочную стеклянную сердцевину без воздуха внутри. Свет может распространяться по волокнам, но через 15 км теряет половину своей интенсивности. Он продолжает ослабевать до тех пор, пока его трудно обнаружить и с расстояния 300 км. Поэтому, чтобы свет продолжал двигаться, его необходимо регулярно усиливать.
Подход Тевеназа основан на новых оптических волокнах с полой сердцевиной, заполненных воздухом или газом. Наличие воздуха означает меньшее ослабление сигнала, поэтому свет может распространяться на большее расстояние. Это реальное преимущество. Но в столь «тонком» веществе, таком как воздух, усилить свет труднее. В этом суть проблемы: свет распространяется быстрее, когда сопротивление меньше, но в то же время на него труднее воздействовать. Однако открытие ученых решило эту проблему.
Так что же сделали исследователи? Они просто добавили давление к воздуху в волокне, чтобы создать контролируемое сопротивление. Он работает аналогично оптическому пинцету — молекулы воздуха сжимаются и образуют кластеры с регулярным расстоянием между ними. Это создает звуковую волну, которая увеличивается по амплитуде и эффективно дифрагирует свет от мощного источника в направлении ослабленного луча, так что он усиливается до 100 000 раз. Таким образом, техника ученых делает свет значительно более мощным.
Новая технология может применяться к любому типу света, от инфракрасного до ультрафиолетового, а также к любому газу, заключают ученые.
В будущем эта технология может служить и другим целям, помимо усиления света. Например, оптические волокна с полой сердцевиной или сжатым газом могут использоваться для изготовления сверхточных термометров. Эту технологию также можно использовать для создания временной оптической памяти путем остановки света в волокне на микросекунду — в десять раз дольше, чем это возможно сейчас.
