Журнал "Компьютерра" №769 - Компьютерра

Плоские управляемые массивы из микролинз могут найти массу приложений в телекоммуникационной индустрии и различных оптических системах. Особенно интересно их применение в голографии. Однако пока ученые лишь в самом начале пути коммерциализации новой технологии. ГА

Физикам из Калифорнийского технологического института и Калифорнийского университета в Беркли впервые удалось изготовить высококачественный микрорезонатор для поверхностных плазмонов-поляритонов. Эта работа открывает новый путь для создания нанолазеров и других миниатюрных оптических устройств, встраиваемых непосредственно в чипы.

Удивительный резонатор похож на гриб, шляпка которого имеет диаметр около 20 мкм и напоминает перевернутую тарелку с острыми краями. Идеально гладкая шляпка изготовлена из чистейшего кремния и сверху покрыта тонким слоем серебра; под ней проходит оптическое волокно, передающее излучение резонатора во внешний мир.

Собственно резонатором является только шляпка "гриба", которая работает, используя сразу несколько любопытных физических эффектов. Вместо обычных для оптики фотонов в ней резонируют поверхностные плазмоны-поляритоны. Эти квазичастицы являются квантами совместных колебаний электромагнитного поля в кремнии и плазмы свободных электронов серебра. Плазмоны-поляритоны замечательны тем, что их волны намного короче, чем у фотонов. А именно эта характерная величина порядка микрона, существенно меньше которой невозможно сделать ни одно фотонное устройство, мешает фотонике конкурировать с традиционной электроникой.

К сожалению, беда плазмонных волн в том, что из-за различных дефектов поверхности и рассеяния электронов в металле они быстро затухают. До сих пор на основе плазмонов-поляритонов не удавалось изготовить ни достаточно длинных волноводов, ни качественных резонаторов с малыми потерями. В новом резонаторе потери удалось уменьшить в тридцать раз за счет идеально гладкой поверхности и использования так называемого режима шепчущей галереи: плазмоны-поляритоны при этом движутся по кругу вблизи края шляпки. Этот удивительный эффект для звуковых волн был известен еще в древности, и его можно наблюдать в ряде знаменитых сооружений: шепот там хорошо слышен на большом расстоянии вблизи стен и совсем не слышен в зале.

Добротность нового резонатора при комнатной температуре близка к теоретическому пределу, обусловленному потерями в слое серебра. Резонатор можно использовать для создания лазеров, модуляторов и других устройств, в том числе основанных на различных нелинейных эффектах. И хотя его размеры пока довольно велики, сегодня важнее демонстрация работоспособности концепции. А миниатюризацией резонатора ученые намерены заняться в ближайшее время. ГА

Физикам из Мэрилендского университета удалось телепортировать квантовую информацию между двумя ионами, находящимися на расстоянии метра друг от друга. Эта операция оказывается успешной с вероятностью 90% и знаменует собой важный шаг на пути к созданию новых квантовых информационных систем.

Как известно, нежная и неуловимая квантовая информация обладает рядом удивительных свойств. Например, ее нельзя просто скопировать как классическую, поскольку измерение квантового кубита разрушает его квантовое состояние (то есть хранившуюся в нем информацию). Зато квантовую информацию можно телепортировать — переписать из одного кубита в другой, стирая ее в первом, так никогда и не узнав, что же в нем хранилось. Впервые эту нетривиальную процедуру удалось проделать в 1997 году для кубитов, физически реализованных в состояниях поляризации фотонов. И теперь телепортировать состояния фотонов даже на значительные расстояния уже не проблема. Но хотя квантовую информацию и удобно передавать фотонами, долго хранить ее лучше в состояниях атомов или ионов. Пять лет назад удалось впервые телепортировать закодированную в спине квантовую информацию между ионами бериллия, однако они находились в одной ловушке вблизи друг от друга.

Теперь ученые смогли продвинуться еще дальше, телепортировав квантовое состояние одного иона редкоземельного металла иттербия другому такому же. Второй ион располагался в собственной вакуумной электромагнитной ловушке в метре от первой. Впрочем, в дальнейших экспериментах это расстояние будет нетрудно увеличить.

Для телепортации ученые использовали достаточно сложную процедуру. Сначала ионы находились в основном состоянии с наименьшей энергией. Затем их возбуждали одинаковыми импульсами микроволнового излучения, загоняя в состояние суперпозиции двух квантовых уровней. После этого оба иона еще раз возбуждали пикосекундными лазерными импульсами, энергию которых ионы вскоре сбрасывали в виде единичных фотонов. Энергия или цвет этих фотонов определялись квантовыми состояниями ионов, что и позволило "вытянуть" информацию о них и передать ее на расстояние. По световодам испущенные атомами фотоны попадали в оптическую систему из полупрозрачного зеркала и фотодетекторов, которая позволила определить, что ионы находятся в запутанном состоянии. Наконец, состояние одного из них измеряли с помощью процедуры, известной как квантовая томография, и восстанавливали такое же квантовое состояние второго иона дополнительным микроволновым импульсом.

Авторы считают, что этот метод может стать основой ионной квантовой памяти для пока иллюзорных квантовых компьютеров и уже существующих квантовых телекоммуникационных систем. Теперь ученые собираются повысить вероятность успеха телепортации, поместив ионы в специальные оптические ловушки, которые лучше изолированы от влияния внешней среды. ГА

Физики-теоретики из Ренсселерского политехнического института показали, что электронными характеристиками графена можно управлять, меняя химические свойства подложки. Если их выкладки подтвердятся в ходе экспериментов, многие препятствия, стоящие на пути использования этого уникального материала в электронике, вскоре удастся преодолеть.

В последние годы научные журналы буквально пестрят публикациями о графене. Благодаря своей плоской структуре, вкупе с высокими прочностью, теплопроводностью и скоростью движения электронов, этот материал является наиболее вероятным кандидатом на роль заместителя кремния в наноэлектронике будущего. Из графена уже сделаны отменные транзисторы и другие компоненты электронных схем, но несмотря на впечатляющие успехи ученых, до массового производства подобных устройств пока далеко.

Одна из проблем состоит в том, что при изготовлении графена только часть получаемых чешуек обладает полупроводниковыми свойствами, а оставшиеся ведут себя как металл. И отделить их друг от друга крайне трудно. А плохо контролируемый разброс параметров ставит крест на массовом производстве.

Чтобы понять, почему так происходит, ученые выполнили квантово-механические расчеты и обнаружили, что все дело в подложке, на которой выращиваются слои графена. Обычно для этих целей используется диоксид кремния. Если его обогатить кислородом, то формируются полупроводниковые структуры, а если подложку обработать водородом, то на ней вырастает "металлический" графен. Такой способ управления свойствами графена сравнительно легко реализовать на практике, и это обещает одним махом снять массу технологических проблем.

Теперь слово за экспериментаторами. Если предсказания теоретиков подтвердятся, новые успехи углеродной электроники не заставят себя ждать. ГА

К цепочке экспериментов, моделирующих возникновение жизни, добавилось новое звено. Но прежде чем приступить к рассказу о нем, необходимо вступление.

"КТ" уже обсуждала представления о том, что жизнь появилась от случайного взаимодействия примитивных органических молекул. Эту точку зрения обычно приписывают ученым те, кто зарабатывает очки на ее разоблачении. Науке уже давно ясно, что сложность не является результатом однократной случайности, а возникает в результате запоминания развивающейся системой целой серии случайных выборов, когда изменения в определенном направлении фильтруются неким направляющим механизмом. Подобный механизм фильтрации неплохо описан. Для организмов это естественный отбор, для молекул — отбор автокатализаторов и иные виды отбора относительно более конкурентоспособных структур и процессов.

Современная жизнь построена на взаимодействии двух классов биополимеров — белков и ДНК. Но удивительным образом "между" ними почти всегда оказывается другой (помимо ДНК) класс нуклеиновых кислот — РНК. Может, наблюдаемое нами состояние — результат наложения новых молекулярных механизмов на старую РНК-основу? РНК пригодна для хранения и передачи наследственной информации (пусть и хуже, чем более устойчивая ДНК) и может обладать каталитической активностью (конечно, уступая в этом отношении ферментам — белкам-катализаторам). В 1986 году нобелевский лауреат Уолтер Гилберт подвел итог вызревавшим в течение двух десятилетий идеям и описал "РНК-мир" — форму преджизни, где и каталитическую, и информационную функции выполняли молекулы рибонуклеиновой кислоты. РНК-мир, считает Гилберт, возник в результате отбора на молекулярном уровне и привел к многократному повышению эффективности дальнейшего отбора.