Технологии будущего: топологические изоляторы

(Сентябрь 2012)

Совсем еще молодое, но уже очень горячее направление исследований в физике – «топологические изоляторы» – открывает новые захватывающие перспективы для развития электронных технологий. Попутно раскрывается и кое-что неожиданное о тайнах устройства вселенной…

Electrons-on-Topological-Insulators

Представлены к награде

Летом каждого года, строго в один и тот же день 8 августа в мировом сообществе физиков происходит очередное вручение престижной «цеховой» премии – медали Дирака.

Эта награда была учреждена в середине 1980-х годов Международным институтом теоретической физики в г. Триесте, Италия, и присуждается ученым-лауреатам на основе двух основных принципов: (а) за выдающийся теоретический вклад в развитие физической науки; (б) медали Дирака удостаиваются лишь те, кто прежде не получал других знаменитых наград, таких как Нобелевская премия, медаль Филдса, премия Вольфа.

(К счастью для медалистов, весьма почетная премия Дирака никак не препятствует получению в дальнейшем вышеперечисленных наград.)

Три последние медали, врученные 8 августа 2012 (день 110-й годовщины со дня рождения одного из главных основоположников квантовой физики П.А.М. Дирака), особо примечательны вот по какой причине.

В науке очень нечасто случается так, чтобы сугубо теоретически открытый физиками новый материал был почти сразу же обнаружен экспериментально и, более того, быстро нашел множество чрезвычайно перспективных применений в технологиях электроники и других практических приложениях.

Все нынешние лауреаты – Д. Холдейн, Ч. Кейн и Ш. Чжан (Duncan Haldane, Charles Kane, Shoucheng Zhang) – независимо друг от друга работают в разных университетах США над развитием квантовой теории конденсированного состояния вещества. А медали Дирака они удостоены как исследователи, существенно продвинувшие наше понимание весьма необычного типа материала, для которого теперь уже общепринятым стало название «топологический изолятор».

2012-dirac-medalists
Медалисты (слева направо): Shoucheng Zhang, Duncan Haldane, Charles Kane

Чтобы в общих чертах дать представление о необычности топологических изоляторов, достаточно перечислить их отличительные особенности.

Как можно понять уже из названия, материалы такого типа принято относить к изоляторам или, иначе, диэлектрикам либо полупроводникам, не пропускающим, вообще говоря, через себя электрический ток. Но за одним очень важным исключением – в своем тончайшем поверхностном слое этот материал проводит ток как металл (и даже лучше).

Для наглядности можно представлять себе топологический изолятор (ТИ) чем-то вроде куска дерева, покрытого сверху медью, только в данном случае речь идет не о двух веществах, а об образце одного и того же материала. Причем материала такого, в котором особое квантовое состояние электронов в поверхностном слое делает их не просто переносчиками тока, но «топологически защищенными» переносчиками.

В более доходчивых общечеловеческих словах это означает, что данные квантовые состояния электронов чрезвычайно стабильны – в отличие от обычных состояний частиц на поверхности, здесь они не могут быть разрушены загрязнениями, неоднородностями или другими несовершенствами материала.

Почему в характеристики состояния электронов привлекают раздел геометрии, именуемый топология, пояснить удобнее чуть позже.

Здесь же важно подчеркнуть, что топологические свойства этого материала могут устойчиво сохраняться вплоть до высоких температур. А это означает богатый потенциал ТИ для применения в самых разнообразных практических приложениях микроэлектроники и компьютерной техники – от очень быстрых, энергетически экономичных межсоединений, процессоров, памяти и вплоть до топологических квантовых компьютеров. Читать «Технологии будущего: топологические изоляторы» далее

Межвидовое общение

(Июнь 2010)

Система акустических коммуникаций дельфинов пока еще чересчур сложна, похоже,  для ее освоения человеком. Более простой путь к общению – это освоение дельфинами человеческих технологий. Вроде планшета iPad.

Merlin

В июле этого (2010) года группа исследователей-дельфинологов SpeakDolphin.com из г. Майами, Флорида,  начинает большой цикл экспериментов с целью установления устойчивой двусторонней формы общения между человеком и дельфинами.

Данный проект был анонсирован в средствах массовой информации еще в мае, когда лидер группы Джек Кассевиц (Jack Kassewitz) в сотрудничестве с молодым дельфином-двухлеткой по имени Мерлин, постоянно живущим в мексиканском дельфинарии Dolphin Discovery, продемонстрировали принципиальную возможность использования сенсорного планшета iPad в качестве своеобразного транслятора-переводчика при коммуникациях между различными биологическими видами.

Хотя в биологической науке в целом по сию пору нет единодушного согласия относительно того, можно ли вообще систему коммуникаций дельфинов называть «языком общения», у исследователей-дельфинологов на этот счет обычно никаких сомнений нет.

Джек Кассевиц, в частности, много лет работающий над изучением коммуникационных особенностей дельфинов, абсолютно уверен как в наличии у этих животных весьма развитого разума, так и чрезвычайно продвинутого языка общения друг с другом. Язык этот, правда, по причинам давно разошедшихся путей эволюции, мало похож на человеческий.

Новейшие результаты исследований позволяют предполагать, что сложной структуры высокочастотные звуки, издаваемые дельфинами под водой, способны передавать информацию, которая в терминах физики является, по сути, акустической голограммой.

Поскольку люди обычно не общаются голограммами, но тоже могут объясняться картинками-символами,  Кассевиц ныне вплотную занялся проектом по созданию такого символьного языка, который и дельфины, и люди могли бы использовать хотя бы для примитивных коммуникаций друг с другом.

Конечно, куда заманчивее было бы создать технику, генерирующую и воспринимающую акустические голограммы дельфиньего языка, однако это, видимо дело достаточно отдаленного будущего.  Мы же сейчас находимся лишь в самом начале данного пути.

Одним из важнейших прорывов к пониманию сути и к дешифрованию языка дельфинов можно, наверное, считать недавнее, 2008 года британо-американское исследование, проведенное SpeakDolphin.com совместно с английским инженером-акустиком Джоном Стюартом Рейдом (John Stuart Reid). В  ходе  этого проекта были получены первые адекватные и сделанные в высоком разрешении изображения тех звуков, что дельфины издают в воде.

Ключевым элементом технологии, на которую опирались исследователи, стал так называемый КимаСкоп (см. сайт CymaScope.com) – новый инструмент акустического анализа, сконструированный Рейдом и раскрывающий внутренние подробности в структуре звуков, что позволяет изучать их как картинку-паттерн.

(Для общей информации здесь следует, наверное, пояснить, что «кима» – по-гречески «волна». От этого корня пошло название «киматика» – направление акустики, занимающееся визуализацией звуков и вообще колебаний. Наиболее известным примером киматического направления исследований являются «фигуры Хладни» – разнообразные фигуры-узоры, формируемые песчинками, рассыпанными на поверхности колеблющихся мембран.)

По сути дела, в основе кимаскопа Рейда лежит тот же принцип, что и у мембран с фигурами Хладни, только в этом приборе в качестве мембраны используется поверхностное натяжение воды ( «потому что вода реагирует быстро и способна раскрывать сложные структуры в форме звука», как комментирует конструктор). Затем все эти тонкие детали вибраций могут быть зафиксированы с помощью цифровой камеры.

Предшествовавшие технологии для анализа звуков дельфинов обычно использовали спектрограф, отображающий звуки китообразных (китов и дельфинов) просто как графики изменений частоты и амплитуды сигнала во времени. Такой подход огрублял и искажал результат, существенно затрудняя анализ, поскольку в действительности звуки китообразных имеют более сложную объемную структуру.

Кимаскоп же, как полагают его создатели, регистрирует реальные звуковые вибрации, впечатанные в естественную среду обитания дельфинов, т.е. в воду, раскрывая весьма замысловатые визуальные детали в структуре издаваемых животными звуков.

Получающиеся на выходе кимаскопа снимки-кимаглифы, как их назвали, – это куда более точные и стабильно воспроизводимые в сигналах дельфинов структуры, которые как предполагается, позволят сформировать базис лексикона дельфиньего языка, где каждый паттерн представляет собой дельфинье «картинку-слово».

Cymaglyph
Слева: кимаглиф из сигнала взрослого дельфина. Справа: кимаглиф дельфина-младенца, зовущего свою мать.

Результаты исследований мозга дельфина свидетельствуют, что области обработки акустической информации занимают там примерно такую же относительную долю, как в мозге человека – области обработки важнейшей для него визуальной информации.

Как поясняет Кассевиц, имеются сильные свидетельства тому, что дельфины способны «видеть» посредством звука – примерно подобно тому, как люди используют ультразвук, чтобы увидеть еще нерожденное дитя в материнской утробе. Читать «Межвидовое общение» далее

Голографическая реальность

(февраль 2012)

Идею о том, что все мы живем внутри гигантской голограммы, генерируемой квантовым компьютером вселенной, никак не назовешь общепринятой.

Но не подлежит сомнению и другой факт: эта странноватая, казалось бы, гипотеза с годами обретает все больше и больше сторонников среди серьезных физиков-теоретиков.

Теперь же появляются исследовательские работы, переводящие теорию в область реальных экспериментов.

matrix

Полтора открытия

Когда в архиве научных препринтов arXiv.org практически одновременно публикуются никак не связанные друг с другом статьи, подготовленные разными исследователями, но посвященные одной и той же в сущности теме – это обычно признак того, что тема, по меньшей мере, достаточно актуальная.

Если же авторами работ при этом являются весьма заметные в науке люди, то на суть исследуемого предмета, скорее всего, имеет смысл обратить внимание не только ученым-физикам – даже если этот предмет выглядит довольно экзотично. Читать «Голографическая реальность» далее

Наши люди в Калифорнии

(Декабрь 2012)

«Проникновенье наше по планете особенно заметно вдалеке»… Строки известной песни Высоцкого принято вспоминать по самым разным поводам. Нынешний повод – одновременно и возвышенно-космический, и страстно-эротический, и юмористически-бытовой. Как сама жизнь.

Frenkel-Tattoo

Мы и вселенная

В эпическом сериале Cosmos, чрезвычайно популярной в свое время научно-популярной ТВ-передаче Карла Сагана о космических исследованиях, многим запомнились такие вдохновенные слова: «Какая-то наша часть знает – это то, откуда мы пришли… Мы мечтаем о возвращении. И мы можем это сделать. Потому что космос также и внутри нас. Мы все сделаны из звездного материала. Мы – это способ для космоса познать себя»…

С подачи астронома Сагана цепляющий термин Star-stuff –  «Звездный материал» – впоследствии у кого только не мелькал. Как краткий и очень поэтичный способ напомнить человеку о его космическом происхождении.

Ныне же, однако, с подачи нашего соотечественника, физика и компьютерщика Дмитрия Крюкова, появилась новая идея примерно в том же ключе. Быть может, не столь поэтичная, но в каком-то смысле даже более сильная

То, чем стал человек в результате миллионов лет эволюции – это все же несколько больше, чем просто химические элементы, из которых сделаны все планеты, звезды и галактики. Появляются свидетельства, что структура нашего мозга, а также нетривиальные вещи, которые мы с помощью этого мозга создаем – структуры типа интернета, социальных сетей и так далее – по сути своей аналогичны той структуре, что лежит в основе самой вселенной…

D.Kriukov-brain-universe

Именно таковы, в частности, результаты исследования, недавно опубликованные научным журналом  Nature Scientific Reports в статье под названием «Сетевая космология» (Krioukov, D. et al. «Network Cosmology», Nature Scientific Reports, v.2, p.793, 2012,  http://arxiv.org/abs/1203.2109).

Подробности о сути этой любопытной работы, проделанной интернациональным коллективом из 6 ученых, будут изложены чуть далее, а здесь – рассказ об одном из главных ее соавторов.

Выпускник Санкт-Петербургского университета, физик-теоретик по базовому образованию и старший научный сотрудник Калифорнийского университета Сан-Диего по нынешнему роду занятий,  Дмитрий Крюков живет и работает в США уже почти 20 лет. Широкая известность в стране и мире, однако, пришла к нему лишь совсем недавно. Причем при обстоятельствах столь необычных, что они заслуживают отдельной истории. Читать «Наши люди в Калифорнии» далее

Архив-Шнархив

(Июнь 2010)

Программы-генераторы, случайным образом конструирующие реалистичного вида «научные» статьи из области философии или информатики, известны уже достаточно давно. Теперь пришел черед теоретической физики.

snarxiv

В нескольких популярных блогах ученых-физиков последние недели живо обсуждалась  новая и весьма занятная онлайновая забава научных работников под названием «Шнархив» или snarXiv.org.

Внешне этот сайт построен как полный и бесстыжий клон общеизвестной научной библиотеки arXiv, где исследователи со всего мира выкладывают препринты своих статей по физике и математике. Принципиальная же разница двух библиотек-близнецов заключается в том, что сайт snarXiv генерирует все свои статьи сам.

Посетителям достаточно лишь кликнуть кнопку «Обновить», и лично для них программа тут же выпекает — автоматически и случайным образом — совершенно новую статью по физике высоких энергий, нередко за подписями таких светил, как Виттен, Фейнман или Гейзенберг. Точнее, пока не полноценную работу, а карточку библиоучета типа «заголовок, автор и краткое резюме».

Удовольствие же заключается в том, что выдаваемые программой заголовки и резюме генерируемых статей выглядят на редкость реалистично — даже по мнению развлекающихся физиков, не говоря уже об их восприятии всеми остальными.

Ну а чтобы в итоге стало совсем уж смешно, здесь же на сайте посетителям предлагается сыграть в простенькую, на первый взгляд, игру под названием «arXiv против snArxiv«. Суть забавы — по заголовку очередной статьи определить, откуда она взята, из реального архива препринтов или же с выхода программы-генератора.

Несмотря на кажущуюся простоту, задача отделения «смысла» от «бреда» в условиях относительно короткой фразы заголовка оказывается делом нетривиальным даже для профессионалов. Тем более, что и в абсолютно настоящих научных работах заглавие порой умышленно формулируется авторами вызывающе парадоксально (типа «Новая старая теория инфляции»)…  По этой причине среднестатистический игрок-физик дает правильные ответы лишь где-то в 60-70% попыток.

Автором всей этой провокационной затеи является Дэвид Симмонс-Даффин (David Simmons-Duffin), аспирант-третьекурсник  Гарвардского университета, специализирующийся на  теоретической физике высоких энергий с особым интересом к областям пересечения струнной теории, дополнительных измерений и эффективных теорий поля. Устройство своего побочного детища и историю его появления на свет автор описывает примерно так. Читать «Архив-Шнархив» далее

Игры, в которые играет Пенроуз

(Февраль 2002)

Работа в форме забавы под названием: «А потом прихожу я и говорю вот что…»

Roger-Penrose

Года два тому назад, когда газета «Нью-Йорк Таймс» брала у знаменитого британского ученого Роджера Пенроуза интервью в его рабочем кабинете в Оксфорде, журналистка не могла не обратить внимание на игрушки, тут и там рассованные по комнате. «Зачем это вам здесь?» — последовал вопрос. В ответ на него Пенроуз рассмеялся и обронил: «Наука и забава — вещи неразделимые»…

Довольно сложно пройти мимо того факта, что смысл этого диалога практически точно был воспроизведен тогда же, в 2000 году, и опять же в оксфордских декорациях, но только совсем другими людьми — профессором Дэвидом Дойчем и бравшим у него интервью Леонидом Левковичем-Маслюком.

Дойч сообщил, что работает почти исключительно дома. И тут же уточнил,что «работаю» — это не очень удачное слово для его занятий. Он скорее просто «делает то, что хочется». Решает задачи, смотрит телевизор, программирует, снимает анимационные фильмы, играет в компьютерные игры. Все эти занятия для него, собственно говоря, являются одним и тем же…

Когда слышишь такие признания, невольно всплывает слово «Лила». В индуистской философии этим термином обозначают разворачивающийся процесс познания Абсолютом самого себя. «Лила» с санскрита переводится как «забава» или «игра».

Наверное, не случайность, что эту «божественную игру» постижения себя и природы столь естественным образом осваивают наиболее яркие мыслители человечества. Один из них, безусловно, и «рыцарь науки» сэр Роджер Пенроуз — математик и физик, автор книг и преподаватель. Ученый, отмечающий в этом (2002) году свой 70-летний юбилей и считающийся одним из наиболее видных среди ныне живущих последователей Альберта Эйнштейна.

В 1960-е годы Пенроузом в совместных со Стивеном Хокингом работах были заложены основы современной теории «черных дыр». На рубеже 60-70-х им начата огромная, продолжающаяся и поныне работа по созданию «теории твисторов», в конечном счете призванная свести в единую стройную систему гравитацию и квантовую механику.

Penrose_tiling2

В 1970-е ученый сделал удивительное открытие совсем в иной области, подарив миру «мозаику Пенроуза» (как стала она в итоге называться), позволяющую с помощью пары плиток весьма простой формы мостить бесконечную плоскость никогда не повторяющимся узором.

В 80-90-е годы Пенроуз всерьез взялся за проблемы человеческого сознания и искусственного интеллекта, написав две весьма необычные книги — «Новый разум императора» и «Тени разума», — без преувеличения всколыхнувшие не только научное сообщество, но и широкую публику.

Однако все это, в конечном счете, проявления одной и той же забавы ученого под общим названием «А тут прихожу я и говорю…» Читать «Игры, в которые играет Пенроуз» далее

Квантовый биокомпьютер

(Впервые опубликовано – июнь 2012)

Прогресс компьютерной индустрии, последние полвека обеспечиваемый постоянной миниатюризацией элементов микросхем, неотвратимо приближается к пределу возможностей кремниевых технологий. Иначе говоря, явно пора подыскивать альтернативные модели вычислителей.

QuantumBiology

На смену кремниевым чипам

По давно уже сложившейся традиции (и вследствие естественных технических причин), активность в области высокопроизводительных вычислений – или кратко суперкомпьютеров – всегда сфокусирована на самых передовых компьютерных технологиях человечества.

Промежуток времени, разделяющий те моменты, когда производительность наиболее мощных суперкомпьютеров планеты становится доступна вполне обычному настольному или мобильному электронному устройству, может быть длиннее или короче. Но общее правило остается неоспоримым: то, что вчера считалось пределом вычислительных возможностей, завтра становится общедоступной технологией.

Формулируя чуть иначе, тенденции, доминирующие ныне в узкоспециальной области суперкомпьютерных монстров, занимающих собой здоровенные помещения, на самом деле важны и интересны абсолютно для всех, кто уже не мыслит свою жизнь без компьютерной техники. И именно поэтому особого внимания заслуживают прогнозы экспертов относительно недалекого будущего суперкомпьютеров.

На проходивший в июне в Гамбурге, Германия, очередной Международной суперкомпьютерной конференции ISC ’12 (www.isc-events.com/isc12/) в качестве одного из основных докладчиков выступал американский ученый Томас Стерлинг. Среди специалистов он широко известен как «отец» популярной кластерной архитектуры Beowulf и как один из создателей самой быстрой на сегодня вычислительной техники петафлопсного масштаба (1 петафлопс = 1015 FLOPS, т. е. квадриллион или миллион миллиардов операций с плавающей запятой в секунду).

Доклад Стерлинга на конференции был посвящен общему обзору текущих достижений и тенденций в отрасли, однако для данной статьи особый интерес представляет авторитетное мнение специалиста относительно грядущих перспектив суперкомпьютинга. Непосредственно перед ISC ’12 в компьютерной прессе появилось обширное интервью Томаса Стерлинга, в котором он аргументированно обрисовал неблестящее, мягко говоря, будущее суперкомпьютеров на основе кремниевых чипов.

Суть прогноза сводится к тому, что технологии полупроводниковых микросхем, стабильно развивающие компьютерную индустрию вот уже около полувека, ныне быстро приближаются к своим физическим, идеологическим и конструктивным пределам.

Согласно выводам Стерлинга, порогом производительности для кремниевых чипов станет следующий, экзафлопсный рубеж (порядка квинтиллионов или 1018 операций в секунду). А для того, чтобы двигаться дальше, ученым и инженерам придется создавать нечто в корне иное: «Возможно, это будет что-то типа квантового компьютинга, метафорического компьютинга, или биологического компьютинга. Но что бы там ни было, это будет не то, чем мы занимались последние семь десятилетий»…

Все, кто интересуется новыми компьютерными технологиями, наверняка слышали или читали о некоторых из упомянутых Стерлингом направлениях исследований в области высокопроизводительных вычислений.

Больше всего говорят о «квантовых компьютерах», оперирующих регистрами кубитов на основе законов квантовой физики. Заметно меньше – о «классических» биологических вычислителях, построенных на основе манипуляций сложными биомолекулами вроде ДНК. Практически ничего не публикуется, правда, об интригующей технологии «метафорический компьютинг» на базе эффектов нелинейной оптики, но это тема совсем другого разговора (подробности см тут:  kiwiarxiv.wordpress.com/2013/04/28/201206/).

Здесь же будет рассказано про еще одно – любопытное и перспективное – направление научных исследований под названием «квантовая биология». Важная роль, которую, как выясняется, играют эффекты квантовой физики в жизни биологических систем, ныне расценивается как одно из наиболее неожиданных и волнующих открытий последних лет в области биологии.

Пока что это открытие плохо стыкуется с доминирующими в физике взглядами на мир, однако стабильно растущее число экспериментальных свидетельств и теоретических исследований понемногу укрепляют фундамент квантовой биологии. Новой области, сулящей не только лучшее понимание природы, но и, среди прочего, существенный прогресс в сферах компьютеров, связи и передачи энергии. Читать «Квантовый биокомпьютер» далее