Нанотехнологии – Технологии на атомарном уровне

Современные системы искусственного интеллекта становятся все более мощными, однако их архитектура по-прежнему существенно отличается от принципов работы человеческого мозга. Несмотря на впечатляющие успехи в области машинного обучения, традиционные вычислительные системы потребляют большое количество энергии и требуют значительных вычислительных ресурсов. Именно поэтому ученые по всему миру активно разрабатывают нейроморфные технологии — электронные устройства, которые способны работать по принципам, напоминающим функционирование биологических нейронов и синапсов.

Современная квантовая оптика уже давно стремится к управлению сложными состояниями света и материи, которые могли бы стать основой энергоэффективных и сверхбыстрых технологий. Одним из наиболее загадочных объектов в этой области были тёмные экситоны — квазичастицы, возникающие в ультратонких полупроводниковых материалах и практически не излучающие свет. На протяжении многих лет они оставались труднодоступными для экспериментов, хотя их уникальные свойства — длительное время жизни, низкая чувствительность к шуму, необычный характер взаимодействия со светом — делали их перспективными кандидатами для квантовых систем связи и нанофотонных устройств.

Недавнее исследование, проведённое Королевским нидерландским институтом морских исследований совместно с Утрехтским университетом, выявило поразящий масштаб ранее недооценённого загрязнения океанов. Согласно опубликованным в Nature данным, в северной части Атлантического океана обнаружено около 27 миллионов тонн нанопластика — ультрамелких частиц пластика размером менее одного микрометра, незаметных глазу и практически необратимых с точки зрения удаления из окружающей среды.

Йельские исследователи перепрограммировали генетический код, создав новый геномно перекодированный организм (GRO) под названием «Охра». Этот организм с одним стоп-кодоном способен синтезировать синтетические белки с новыми функциями, открывая перспективы для разработки программируемых биотерапевтических препаратов и биоматериалов. GRO «Охра» — важный шаг в синтетической биологии, основанный на инновациях 2013 года, когда была создана первая версия GRO.

Наука сделала прорыв в изучении поведения наночастиц, благодаря сочетанию искусственного интеллекта и передовых технологий электронной микроскопии. Впервые исследователи смогли не просто зафиксировать движение атомов в режиме реального времени, но и устранить шум, который мешал точному анализу на протяжении десятилетий. Это открытие открывает новые перспективы в материаловедении, фармацевтике, электронике и химической промышленности, позволяя детально изучать механизмы, происходящие на фундаментальном уровне.

Инженеры Калифорнийского университета в Дэвисе представили экспериментальное устройство, способное получать механическую энергию в тёмное время суток без солнечных модулей, топлива или аккумуляторов. Основой разработки стал двигатель Стирлинга, использующий естественный тепловой поток между поверхностью Земли и холодом глубокого космоса. Это направление — один из новых подходов к созданию автономных систем, работающих круглосуточно даже при отсутствии света. Результаты опубликованы в журнале Science Advances и демонстрируют практическую возможность прямого преобразования радиационного охлаждения в полезную энергию.

Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего сделали значительный шаг в понимании механизмов старения, выявив связь между двумя основными теориями: накоплением случайных генетических мутаций и предсказуемыми эпигенетическими изменениями. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Aging, показывает, что эти процессы не только взаимосвязаны, но и могут играть ключевую роль в биологическом старении.

Квантовые материалы обладают необычными свойствами, которые могут лечь в основу революционных технологий будущего — от сверхпроводников без потерь до энергонезависимых систем хранения информации. Однако такие состояния крайне нестабильны и исчезают за считаные пикосекунды. Именно это ограничивает их использование в реальных приложениях. Учёные из Гарвардского университета совместно с исследователями Института Пауля Шеррера PSI разработали метод, позволяющий продлить жизнь этих состояний на порядок — с нескольких триллионных долей секунды до наносекунд. Всё это стало возможным благодаря управлению электронами с помощью света и использованию уникальных возможностей рентгеновского лазера SwissFEL.

Долгое время квантовая физика уверенно опиралась на атомы и ионы, которые удалось научиться охлаждать, удерживать и управлять с высокой точностью. На этой базе появились атомные часы рекордной точности, квантовые симуляторы и элементы квантовых вычислений. Однако молекулы оставались сложной и во многом неукротимой территорией. В отличие от атомов, они не только перемещаются, но и вращаются, а также вибрируют, из-за чего обладают множеством квантовых состояний и резко повышенной чувствительностью к окружающей среде. Именно эта сложность долгое время делала молекулы неудобным объектом для точного контроля.

Квазикристаллы — удивительное состояние вещества, находящееся на границе между строгим порядком кристаллов и хаотичной структурой стекла, — на протяжении сорока лет оставались предметом ожесточённых научных споров. В отличие от обычных кристаллов, их атомная решётка никогда не повторяется, но при этом сохраняет высокий уровень упорядоченности. Теперь, благодаря первому в истории квантово-механическому моделированию этих структур, удалось показать, что квазикристаллы являются не случайными и нестабильными образованиями, а фундаментально устойчивыми формами материи. Это открытие меняет наше понимание законов кристаллографии и открывает возможности для создания материалов с уникальными свойствами, нарушающими привычные правила.

Австралийские ученые сообщили о создании первой в мире экспериментальной квантовой батареи, которая способна заряжаться практически мгновенно благодаря использованию эффектов квантовой механики. Исследователи считают, что эта технология может стать основой для совершенно нового поколения систем хранения энергии, кардинально отличающихся от современных аккумуляторов.

На протяжении большей части XX века квантовая механика и биология считались практически несовместимыми областями знания. Квантовый мир ассоциировался с атомами, элементарными частицами и лабораторными установками, где всё происходит при строго контролируемых условиях и часто при низких температурах. Живые организмы, напротив, представлялись слишком тёплыми, шумными и хаотичными системами, чтобы в них могли сохраняться тонкие квантовые эффекты. Однако в последние десятилетия эта граница начала размываться, и возникло направление, получившее название квантовой биологии.

В мире современной квантовой науки и химии всё больше внимания уделяется поляритонам — квазичастицам, возникающим при сильном взаимодействии света и материи. Эти гибридные состояния обладают особыми свойствами, которые могут не только изменить наше понимание динамики молекул, но и открыть путь к практическим технологиям управления химическими реакциями с помощью света. Новое исследование группы профессора Шэрон Хаммес-Шиффер из Принстонского университета представляет собой шаг в этом направлении, показывая, что моделирование из первых принципов способно выявить квантовую запутанность в динамике молекулярных поляритонов.

На протяжении двух столетий второй закон термодинамики оставался одним из непоколебимых столпов физики. Он утверждает, что никакая тепловая машина не может работать с КПД выше, чем у идеального двигателя Карно — фундаментального предела, установленного ещё в XIX веке. Однако новейшие исследования показывают, что этот закон теряет силу, когда мы спускаемся на уровень квантовой материи.

Физики из Франции и Великобритании представили новую квантовую технологию, способную кардинально изменить подход к передаче информации через сложные и хаотичные среды. Исследователи из Института нанонаук в Париже, лаборатории Кастлера-Бросселя и Университета Глазго разработали метод, который делает непрозрачную рассеивающую среду «прозрачной» исключительно для квантовой информации, передаваемой запутанными фотонами. При этом для обычного классического света та же среда продолжает оставаться полностью непрозрачной.

Квантовые технологии продолжают демонстрировать преимущества там, где классическая физика сталкивается с фундаментальными ограничениями. Новое исследование ученых из Токийского университета показало, что квантовая память способна значительно эффективнее классических систем хранить и восстанавливать неизвестные квантовые операции. Работа не только подтверждает преимущества квантовых методов обработки информации, но и открывает новые перспективы для развития квантовых вычислений, защищенных коммуникаций и программируемых квантовых устройств.

Учёные из Австралии совершили важнейший шаг на пути к построению масштабируемых квантовых компьютеров: они продемонстрировали, что можно управлять спиновыми кубитами при температуре, приближающейся к абсолютному нулю, без разрушения хрупких квантовых состояний. Это открытие знаменует собой значительный прорыв в разработке кремниевых квантовых систем, которые можно будет производить массово и с относительно низкими затратами.

Квантовая телепортация, которая еще недавно воспринималась исключительно как одно из самых необычных явлений квантовой механики, постепенно превращается в практическую технологию будущего. Международная группа физиков из Китайского университета науки и технологий впервые экспериментально продемонстрировала, что квантовая телепортация способна передавать квантовую информацию эффективнее, чем обычная отправка фотонов по тому же каналу связи. Полученные результаты стали важной вехой на пути к созданию квантового интернета, сверхзащищенных коммуникационных систем и распределенных квантовых вычислительных сетей.

Международная группа исследователей впервые смогла напрямую проследить, как угловой момент распространяется внутри кристаллической решетки твердого тела. Эксперимент привел к неожиданному результату: во время передачи вращательного движения между атомными колебаниями направление вращения внезапно менялось на противоположное. Открытие уже называют одним из наиболее необычных проявлений квантовой механики в твердых телах за последние годы.

Развитие квантовых вычислений считается одним из наиболее перспективных направлений современной науки и технологий. Однако даже несмотря на стремительный прогресс в создании квантовых процессоров, исследователи по-прежнему сталкиваются с фундаментальной проблемой: большинство алгоритмов для квантовых компьютеров остаются адаптациями методов, первоначально созданных для классических вычислительных систем. Теперь ученые предложили совершенно иной подход, вдохновленный не традиционной информатикой, а устройством человеческого мозга.