Текст книги "Журнал "Компьютерра" №728"
Автор книги: Компьютерра Журнал
сообщить о нарушении
Текущая страница: 2 (всего у книги 9 страниц)
Отдаленно концепция Vulture напоминает схему работы спутников: после запуска жизнь аппарата будет проходить вдали от земной поверхности. Однако благодаря тому, что "Гриф" не придется выводить за пределы атмосферы, американские военные рассчитывают получить ряд важных преимуществ. Например, бортовое оборудование аппарата теоретически позволило бы получать более точную информацию о происходящем на Земле, нежели в случае со спутниками.
И несмотря на то, что работа над проектом только начинается (пока идет поиск подрядчика), исследователи верят в успех. Отчасти это объясняется тем, что многие из технологий, которые предполагается положить в основу беспилотного аппарата, уже обкатаны на практике. ВГ
Робот на побегушках
Вы никогда не пытались мышкой счистить грязь с экрана? А кликнуть по чашке, чтобы сделать глоток чая? Теперь такая возможность есть: в штате Джорджия создан робот, добавляющий в окружающий мир элементы компьютерного квеста. Достаточно осветить нужный объект лазерной указкой – и робот послушно подъедет, возьмет его в механическую руку и привезет хозяину. Силачом El-E не назовешь – пока максимальный вес, который он может взять «на грудь», едва превышает полкилограмма.
El-E разработан Чарли Кемпом (Charlie Kemp), возглавляющим Центр здравоохранительной робототехники (Georgia Tech’s Center for Healthcare Robotics), в помощь больным с нарушением двигательных функций. Кемп вообще любитель создавать нетривиальных роботов: чего стоит хотя бы закрепленная на двухколесном самокате Segway механическая конечность, придуманная и собранная им еще в студенческие годы. Нынешняя разработка тоже просится в фантастический фильм: на мачте высотой 1,7 метра размещены камеры и сенсоры, с помощью которых робот ориентируется в пространстве и «видит» зеленый луч лазерной указки. К мачте крепится манипулятор, ездящий вверх-вниз, чтобы добираться куда угодно, начиная с пола и заканчивая полками под самым потолком. Вся конструкция смонтирована на трехколесной платформе, а «мозгом» механизма является компактный компьютер Mac mini.
El-E активно взаимодействует с оператором, подтверждая готовность выполнить приказание или сообщая, что озадачен и не знает, что делать. Пока робот пребывает в стадии прототипа: показанный публике образец не отличается расторопностью, не слишком смышлен, манипуляторы двигаются резко и шумно, надежность конструкции оставляет желать лучшего, да и о цене создатели предпочитают не распространяться. Хотя в его защиту стоит сказать, что уже сейчас агрегат успешно справляется с миссией "пойди-принеси", давая осечку лишь в одном случае из десяти. Остается надеяться, что когда-нибудь El-E или его сородичи все-таки станут массовым явлением – ведь столько людей нуждается в исполнительном помощнике. ММ
Уже не сожгут
Многообещающую статью опубликовали в Астрофизическом журнале ученые из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Авторы обещают уже в ближайшие пять лет отыскать пригодную для жизни планету у Альфы Центавра.
Свою уверенность ученые подкрепляют компьютерными расчетами нескольких вариантов эволюции протопланетного диска у похожей на наше солнце звезды B – одной из трех звезд системы Альфа Центавра, что расположена чуть далее, чем в четырех световых годах от Земли. Все варианты указывали на возможность образования каменистой планеты с массой около одной-двух масс Земли. Причем в сорока процентах случаев планета попадала в так называемую "обитаемую" зону вокруг звезды, где весьма вероятно наличие на планете воды, а значит, есть хорошие шансы для возникновения жизни.
Но этого, разумеется, мало. Из почти трех сотен уже открытых планет за пределами солнечной системы большинство – гиганты, подобные Юпитеру и Сатурну, и только одна из этих планет, в принципе, может иметь воду. Сравнительно небольшие планеты очень трудно обнаружить, поскольку почти все они вычисляются лишь косвенно – по влиянию на свою звезду. Но Альфа Центавра – близкая и яркая звездная система, которую удобно наблюдать из южного полушария. Однако по прикидкам ученых, даже с помощью современных телескопов для набора необходимой статистики потребуется около пяти лет непрерывных наблюдений, чтобы можно было с уверенностью сказать, есть ли планеты у Альфы Центавра.
Впрочем, многие специалисты относятся к этим оценкам скептически. Всевозможных спекуляций по поводу внеземных цивилизаций и так слишком много. Еще древнегреческий философ Фалес Милетский предполагал, что во вселенной много других планет, а современника Галилея астронома Джордано Бруно церковь сожгла именно за книгу, в которой утверждалось, что в бесконечной вселенной каждая звезда имеет планетную систему, населенную разумными существами. Но поскольку сегодня аутодафе астрофизикам не грозит, они уже приступили к наблюдениям за Альфой Центавра с помощью полутораметрового телескопа межамериканской обсерватории Cerro Tololo в Чили. ГА
«Маятник» для чипа
Ученые в Корнелльском университете изготовили микромеханический резонатор на рекордно высокую частоту 4,5 ГГц. Новый резонатор может быть встроен в любой кремниевый чип и поможет удешевить многие электронные устройства за счет исключения внешних цепей задающего генератора.
Для многих электронных устройств очень важна высокая точность и стабильность рабочей частоты. Обычно для получения опорной частоты используют чип с резонатором, который представляет собой маленькую пластинку из кварца или другого пьезоэлектрического материала, помещенную между обкладками конденсатора. Геометрия пластинки определяет частоту ее механических колебаний, а связь с остальной электронной схемой возникает благодаря образованию зарядов на обкладках при деформациях пьезоэлектрика. Стабильность частоты и добротность таких резонаторов хоть и снижается на высоких частотах, все же на несколько порядков выше, чем у других электронных колебательных контуров.
Новый резонатор представляет собой кремниевый брусок 8,5х40х2,5 мкм, разбитый на части парой диэлектрических слоев из нитрида кремния толщиной всего 15 нм. Механические колебания в нем возбуждаются за счет электростатических сил, вызванных переменным напряжением на электродах. Колебания порождают в бруске стоячие ультразвуковые волны, похожие на звуковые колебания во флейте или органной трубе. Такие высокие частоты ученым удалось получить благодаря использованию твердого диэлектрика вместо обычного воздушного зазора, а снижения неизбежно возникающих при этом потерь удалось добиться за счет оптимального расположения слоев диэлектрика. Кроме того, в качестве резонансной используется девятая гармоника продольных колебаний бруска.
Добротность нового резонатора, характеризующая величину потерь и остроту резонансного пика, достигает десяти тысяч, что на этих частотах сравнимо с добротностью лучших кварцевых резонаторов. Корнелльцы считают, что частоту их резонаторов можно увеличить до десяти гигагерц, лишь слегка модернизировав существующую технологию изготовления. ГА
Луч света в темном царстве
Специалисты корпорации IBM еще на шаг приблизились к созданию микрочипов, в которых традиционные медные проводники уступят место оптическим линиям связи. Ученые создали нанофотонный переключатель, способный обрабатывать до одного терабита данных в секунду.
IBM, как и вся отрасль, пытается найти способы увеличения количества ядер на кристалле. Современные технологии внутричиповых соединений висят веригами на ногах разработчиков. Дело в том, что при увеличении числа ядер резко возрастает тепловыделение, что приводит к перегреву чипа, да и обычные электрические проводники перестают справляться с возрастающей нагрузкой. Когда речь идет о двух-четырех ядрах, недостатки еще не столь заметны, но с переходом на процессоры с десятками ядер медные проводники станут «бутылочным горлышком», не позволяющим задействовать все возможности чипов.
Решение проблемы ученые видят в использовании оптических систем передачи данных. В упрощенном виде такая система будет состоять из модулятора, отвечающего за преобразование электрических импульсов в световые, линий связи и декодирующего устройства, необходимого для формирования электрических сигналов на основе световых импульсов. Все три компонента, в принципе, уже существуют.
Однако в многоядерной системе с оптическими внутричиповыми соединениями необходим и еще один компонент – крошечный "коммутатор", который будет регулировать движение потоков данных между ядрами. Именно такой переключатель и создан в IBM. В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, подчеркивается, что нанофотонный переключатель соответствует ряду критических требований. Во-первых, он компактен – на два порядка меньше сечения волоса, а во-вторых, способен обрабатывать данные со скоростью до 40 Гбит/с. При использовании же световых волн с различными длинами этот показатель и вовсе может достичь 1 Тбит/с! И наконец, в-третьих, нанофотонный коммутатор доказал свою работоспособность в реальных условиях.
По сравнению с медными оптические внутричиповые линии связи теоретически позволят добиться стократного увеличения пропускной способности при десятикратном снижении потребляемой энергии. И хотя все ключевые элементы таких систем, в общем-то, уже разработаны, увидеть массовые процессоры с оптическими коммутирующими линиями можно будет в лучшем случае в следующем десятилетии. ВГ
Нано не бьется
Удивительные результаты получили ученые из Национального института стандартов (США) и Мэрилендского университета, исследовавшие механические свойства наночастиц с помощью атомно-силового микроскопа и компьютерного моделирования. Оказывается, на наномасштабах даже хрупкие материалы вроде кварца могут стать пластичными, как золото.
На привычных масштабах предел разрушения материала зависит от его способности сохранять свою форму под нагрузкой. Атомы пластичных веществ перемещаются на большие расстояния, сохраняя связи между собой, тогда как в хрупких материалах быстро возникают дефекты, из которых под нагрузкой развиваются трещины.
На наномасштабах структурные дефекты отсутствуют, и все материалы практически "идеальны", что существенно повышает их прочность. Кроме того, из-за малых размеров нанообъектов большинство их атомов находится на поверхности, где они слабее связаны с остальными атомами и поэтому более подвижны. Это превращает даже хрупкие материалы в пластичные, и их новые свойства начинают явно противоречить здравому смыслу. Исследователи считают, что термины "хрупкий" или "пластичный" на наномасштабах уже неприменимы.
С помощью атомно-силового микроскопа ученые наблюдали, как идет процесс разрушения в микромире. Они с удивлением обнаружили, что наночастицы хрупкого кварца растягиваются почти так же сильно, как серебряные или золотые, и продолжают деформироваться даже тогда, когда давно должны были бы сломаться.
Однако компьютерные расчеты, в основу которых был положен метод молекулярной динамики, подтвердили эти наблюдения. Подвижность атомов на поверхности наночастиц увеличивает их пластичность независимо от того, кристаллическим или аморфным является материал. Причем чем меньше наночастицы, тем больше увеличивается их податливость и прочность на разрыв, а у кристаллов это увеличение выражено еще сильнее.
Пока ученые только в самом начале пути, и новую теорию и базу данных по механическим свойствам различных наночастиц еще предстоит создать. Эти сведения окажут неоценимую помощь проектировщикам электронных и микромеханических наноустройств будущего. ГА
Кислота на игле
Ученым из Колумбийского университета и Калифорнийского технологического института впервые удалось надежно измерить электропроводность молекулы ДНК. Эксперименты объяснили многолетние неудачи коллег и выявили серьезные проблемы, с которыми могут столкнуться конструкторы молекулярных вычислительных устройств, основанных на ДНК.
С тех пор как более полувека назад удалось определить структуру и функции двойной спирали ДНК, много усилий было затрачено на изучение электронных свойств этой жизненно важной кислоты. Но все попытки как-то измерить хотя бы электрическую проводимость гигантской молекулы до сих пор давали только противоречивые, плохо согласующиеся результаты. Молекула вела себя то как хорошо проводящий металл, то как изолятор, а порой и как полупроводник. При низких температурах ДНК иногда демонстрировала даже сверхпроводящие свойства.
С одной стороны, способность молекул ДНК быть и проводником, и изолятором давала надежду, что на их основе можно будет создавать мощные и миниатюрные молекулярные компьютеры, которые, не исключено, смогут самостоятельно собираться и хотя бы частично воспроизводиться. Но результаты экспериментов долго не находили объяснений.
В новых опытах для измерения электропроводности ДНК ученые использовали хорошо проводящую углеродную нанотрубку с толщиной стенок в один атом и диаметром, сопоставимым с диаметром самой спирали ДНК. Нанотрубку присоединили к электродам и из ее середины с помощью плазмо-ионного травления удалили кусок длиной 6 нм. Во время этой процедуры концы нанотрубки окислились, что позволило прочно соединить их со вставленной в зазор молекулой ДНК. После этого электропроводность ДНК померили, подав 50 мВ на электроды и измеряя текущий по цепи ток. Измерения можно было производить при нормальных условиях, в подходящих растворах и используя энзимы для контроля над ДНК.
Оказалось, что электропроводность ДНК примерно такая же, как у графита, что хорошо согласуется с ее структурой. Но если из большой молекулы ДНК удалить всего один нуклеотид, то ее сопротивление сразу возрастет в триста раз! Такая чувствительность и плохой контакт с обычными электродами легко объясняют, почему все предыдущие эксперименты потерпели фиаско.
Сильная чувствительность электронных свойств молекулы ДНК к малейшим изменениям формы делает проблематичным ее использование в молекулярных электронных схемах. Во всяком случае, в них придется придумать какой-то механизм для восстановления повреждений молекул. В живых клетках накопление таких повреждений ведет к различным проблемам вроде мутаций и возникновению рака. И эволюция уже предусмотрела некий механизм, позволяющий залечивать многие изменения в ДНК. Однако как именно живая клетка находит и восстанавливает многие повреждения своей наследственной информации, пока остается загадкой. К поиску ответа на этот важный вопрос теперь приступили ученые, вооружившиеся новой экспериментальной методикой. ГА
Ньютон устоял
Тонкие эксперименты по проверке справедливости закона всемирного тяготения Ньютона на микронных масштабах провели физики из Стэнфордского университета. Старый добрый закон обратных квадратов подтвердился, а новым экзотическим теориям опять пришлось отправиться на доработку.
Гравитация плохо вписывается в современную физическую картину мира. Если трем остальным известным взаимодействиям – сильному, слабому и электромагнитному – худо-бедно нашлось место в единой квантовой теории, то гравитация к ним никак не клеится, да и отдельную квантовую теорию гравитации до сих пор толком создать не удалось. Гравитационные силы гораздо слабее трех остальных, и почему так устроено, физикам пока не понятно. Гравитационные волны, предсказываемые релятивистской теорией гравитации, которая называется общей теорией относительности, до сих пор не найдены. Галактики и их скопления вращаются неправильно, что заставляет выдумывать темную материю, да и сама вселенная тоже вроде бы расширяется с непонятным ускорением. Короче говоря, оснований для критики закона всемирного тяготения Ньютона набралось с избытком.
И новые теории не заставили себя ждать, благо фантазии физикам-теоретикам не занимать. Их так много, что можно сбиться со счета. Некоторые ученые, например, предполагают, что мы живем в пространстве с большим числом измерений, причем все дополнительные измерения, кроме обычных трех, свернуты в шары очень малых масштабов. Другие считают, что уже на микронных масштабах закон обратных квадратов должен нарушаться, и т. д.
Проверить это крайне трудно. Тепловые шумы, небольшие вибрации или даже слабый паразитный заряд или магнитное поле легко могут исказить результаты эксперимента, повлияв на слабые гравитационные силы. Тем не менее удалось придумать опыт, в котором, как считают авторы, все мешающие эффекты исключены.
Для этого на конце кронштейна 250х50х0,3 мкм из монокристалла кремния была закреплена весящая полтора микрограмма пробная масса из золота размером 54х54х27 мкм. Такой кронштейн с грузом представляет собой высокодобротный резонатор с собственной частотой около трехсот герц. Над золотым грузом, верхняя полированная сторона которого работала как зеркало, расположили световод, срез которого образовал с грузом оптический резонатор Фабри-Перо, что позволило точно измерять его смещение.
Под пробной массой за экраном расположили второй груз, представлявший собой пластину с чередующимися слоями кремния и золота. Пластину с помощью пьезомотора смещали в горизонтальной плоскости с частотой около ста герц так, чтобы под пробным грузом оказывался то кремний, то золото, и их разная масса притягивала пробный груз с разной силой. Переменная сила притяжения вызывала колебания груза, и, измеряя параметры колебаний, можно было судить о силе притяжения грузов. Все устройство помещали в надежный экран, изолирующий от внешних полей, и охлаждали до десяти градусов выше абсолютного нуля, чтобы снизить тепловые шумы. Расстояние между грузами в экспериментах менялось в пределах 4–66 мкм.
Измерения показали, что на этих масштабах заметного отклонения от закона Ньютона не наблюдается. Правда, эксперимент позволяет обнаружить лишь отклонения, которые по крайней мере в десятки, а на меньших расстояниях в миллионы раз сильнее самой гравитации. Но и эти результаты позволяют заметно улучшить точность предыдущих измерений.
Ученые решили не останавливаться на достигнутом. У данного метода измерений есть еще много скрытых резервов для увеличения точности. Можно снизить температуру и тепловые шумы, уменьшить вибрации, улучшить конструкцию маятника и оптики. И как знать, быть может, уже в следующей серии экспериментов Ньютону все-таки придется потесниться. ГА
Правильный посев
Лазер на свободных электронах, способный генерировать качественные импульсы жесткого ультрафиолета с длиной волны 32 нм, впервые удалось собрать команде ученых из нескольких институтов Франции и Японии. Примененная в нем технология обещает скорое получение рентгеновских лазерных импульсов с длиной волны 2–4 нм, которые могут совершить революцию в исследованиях биологических структур.
Лазеры на свободных электронах принципиально отличаются от обычных лазеров, в которых фотоны излучаются при скачках электронов между различными энергетическими уровнями. В таких лазерах разогнанный в ускорителе почти до скорости света пучок электронов пролетает вдоль называемой ондулятором гребенки из постоянных магнитов, которые заставляют электроны лететь по волнообразной траектории и генерировать синхротронное излучение. Лазер на свободных электронах – сооружение солидное, длина одного только ондулятора около девяти метров, не говоря уже об ускорителе и прочем оборудовании. В принципе, частота излучения определяется лишь скоростью пучка и параметрами гребенки, однако на практике из-за многочисленных технических трудностей получить от лазера на свободных электронах хорошее когерентное излучение с короткой длиной волны очень трудно.
В новом лазере ученые решили использовать затравочный импульс света, согласованный с движением электронов, так, чтобы лучше "организовать" их синхротронное излучение и к тому же вдвое сократить длину ондулятора. Для этого импульсы инфракрасного титано-сапфирового лазера с длиной волны 800 нм фокусировались в кювету с ксеноном, где благодаря нелинейным эффектам генерировался набор нечетных гармоник основной частоты. После формирования пространственно-временной структуры пучка в сложной оптической системе лазерный импульс попадал вместе с электронами в двухсекционный ондулятор, настроенный на длину волны пятой гармоники – 160 нм.
Ондулятор был изготовлен так, что в нем "посеянные" гармоники эффективно усиливались, причем не только на основной частоте ондулятора, но и на ее гармониках вплоть до пятой. Таким способом удалось получить умножение частоты до 25 раз и импульсы с длинами волн 53 и 32 нм.
Новый лазер способен выдавать качественные импульсы длительностью от десятков до сотен фемтосекунд, которые в десять миллиардов раз ярче обычных синхротронных источников излучения. Ученые уже пробовали в роли затравочного ультрафиолетовый лазер, а к концу года рассчитывают довести длину волны затравочных импульсов до 50–60 нм. А это уже позволяет получить лазерные импульсы в диапазоне мягкого рентгена, которые остро необходимы для изучения биологических объектов. ГА
Запутанная память
Новый удивительный трюк с запоминанием квантового состояния одного-единственного фотона сразу в двух местах удалось проделать физикам из Калифорнийского технологического института. Такая квантовая память может пригодиться для защищенных каналов передачи информации и оптических реализаций квантовых вычислителей.
Авторы интерпретируют свое устройство как память для "запутанных" квантовых состояний. Она действительно была бы очень полезна, поскольку запутанные состояния частиц, в которых манипуляции с одной частицей немедленно сказываются на другой, где бы та ни находилась, являются основой квантовых вычислений. Именно запутанность квантовых состояний позволяет сразу распараллелить вычисления, что и обещает пока гипотетическим квантовым компьютерам небывалую мощь
Как правило, под запутанными понимаются состояния двух или большего количества различных частиц. Тут же только один фотон, который полупрозрачным зеркалом посылается сразу по двум путям интерферометра. Квантовые частицы, как известно, умеют находиться с определенной вероятностью одновременно в нескольких местах. Такую ситуацию можно интерпретировать как запутанность фотона с самим собой, поскольку регистрация его в одном из «плеч» разрушит интерференцию и сообщит наблюдателю, что в другом «плече» его точно нет. Но все же подобный способ не совсем то, что требуется для большинства квантовых вычислений, хотя можно и простить авторам их лукавство.
В экспериментах используется разработанная несколько лет назад техника замедления и запоминания света в облаке холодных атомов цезия. Для этого облако подсвечивается дополнительным лазером, после выключения которого квантовое состояние замедленного фотона как в голограмме "запоминается" в квантовых состояниях атомов газа. Если вспомогательный лазер снова включить спустя заданный промежуток времени, то "замороженный" в атомах фотон вновь сможет покинуть облако.
Приблизительно то же самое было проделано и на сей раз, только фотон пролетал в облаке сразу по двум путям интерферометра, которые отстояли друг от друга на расстоянии нескольких миллиметров. Впрочем, если бы использовали не одно, а два облака, разнесенных на приличное расстояние, ничего бы принципиально не изменилось. После того как включался вспомогательный лазер и запомненный сразу в двух местах фотон покидал облако и попадал в смеситель, ученые, внося фазовый сдвиг в один из путей, благополучно наблюдали квантовую интерференцию фотона с самим собой. А это значит, что его нежное квантовое состояние удалось сохранить сразу в двух разных местах в течение нескольких микросекунд.
Теперь в планах ученых попробовать поработать с еще более холодным газом, доведенным до состояния квантового конденсата Бозе-Эйнштейна, чтобы убедиться, что и в двух облаках эффект сохраняется. ГА
Новости подготовили
Галактион Андреев
Александр Бумагин
Егор Васильев
Владимир Головинов
Евгений Гордеев
Евгений Золотов
Виктор Ивановский
Сергей Кириенко
Денис Коновальчик
Игорь Куксов
Максим Мусин
Павел Протасов
Иван Прохоров
Дмитрий Шабанов
