Рубрика: Технології

Твердотільні батареї накопичують і вивільняють заряд, штовхаючи іони туди-сюди між двома електродами. З нашої звичайної точки зору, іони протікають через твердий електроліт батареї, як м’який потік.

Але якщо побачити в атомному масштабі, цей плавний потік є ілюзією: окремі іони безладно стрибають з одного відкритого простору в інший у просторій атомній решітці електроліту, штовхаючи в напрямку електрода постійна напруга. Ці стрибки важко передбачити, і викликати та виявити їх складно.

Тепер, у першому дослідженні такого роду, дослідники дали стрибаючим іонам поштовх напруги, вразивши їх імпульсом лазерного світла. На їх подив, більшість іонів ненадовго змінили напрямок і повернулися до своїх попередніх позицій, перш ніж відновити свої звичайні, більш випадкові подорожі. Це була перша ознака того, що іони в певному сенсі пам’ятають, де вони щойно були.

Дослідницька група з Національної лабораторії прискорювачів SLAC Департаменту енергетики, Стенфордського університету, Оксфордського університету та Університету Ньюкасла описала те, що вони знайшли, у номері Nature за 24 січня.

Електронний кукурудзяний крохмаль

«Ви можете думати, що іони поводяться як суміш кукурудзяного крохмалю та води», — сказав Андрій Д. Полєтаєв, докторант Оксфорда, який допомагав проводити експеримент, коли він був постдокторантом у SLAC. Якщо ми обережно штовхнемо цю суміш кукурудзяного крохмалю, вона потече, як рідина; але якщо ми його пробиваємо, він стає твердим. Іони в акумуляторі схожі на електронний кукурудзяний крохмаль. Вони протистоять сильному струсу від поштовху лазерного світла, рухаючись назад.

«Нечітка пам’ять» іонів, як висловлюється Полєтаєв, триває лише кілька мільярдних часток секунди. Але знання про його існування допоможе вченим вперше передбачити, що подорожуючі іони робитимуть далі – важливий момент для відкриття та розробки нових матеріалів.

Електроліт, розроблений для швидкості

Для своїх експериментів у лазерній лабораторії SLAC дослідники використовували тонкі прозорі кристали твердого електроліту з групи матеріалів під назвою бета-оксид алюмінію. Ці матеріали були першими виявленими електролітами з високою провідністю. Вони містять крихітні канали, через які стрибаючі іони можуть швидко рухатися, і мають перевагу в тому, що вони безпечніші, ніж рідкі електроліти. Бета-глинозем використовується в твердотільних батареях, сірчано-натрієвих батареях і електрохімічних елементах.

Коли іони стрибали через канали бета-оксиду алюмінію, дослідники вражали їх імпульсами лазерного світла тривалістю лише трильйонні частки секунди, а потім вимірювали світло, яке поверталося з електроліту.

Змінюючи час між лазерним імпульсом і вимірюванням, вони змогли точно визначити, як швидкість іонів і бажаний напрямок змінилися за кілька трильйонних часток секунди після поштовху від лазера.

Дивний і незвичайний

«У процесі іонного стрибка відбувається багато дивних і незвичайних речей», — сказав професор SLAC і Стенфорд Аарон Лінденберг, дослідник Стенфордського інституту матеріалознавства та енергетики (SIMES), який керував дослідженням.

«Коли ми застосовуємо силу, яка струшує електроліт, іон не реагує негайно, як у більшості матеріалів», — сказав він. «Іон може посидіти деякий час, раптово підстрибнути, а потім знову посидіти там досить довго. Можливо, доведеться чекати деякий час, а потім раптом відбувається гігантське зміщення. Отже, у цьому процесі є елемент випадковості, який ускладнює ці експерименти».

До цього часу, за словами дослідників, спосіб подорожі іонів вважався класичною «випадковою прогулянкою»: вони штовхаються, стикаються та ковтаються, як п’яна людина, хитаючись, тротуаром, але врешті-решт досягають певної мети таким чином, може здатися спостерігачеві навмисним. Або подумайте про скунса, який випускає смердючий спрей у кімнату, повну людей; молекули в спреї випадково штовхаються і стикаються, але надто швидко досягають вашого носа.

Коли мова заходить про стрибаючі іони, «ця картина виявляється неправильною в атомному масштабі», — сказав Полєтаєв, «але це не вина людей, які дійшли такого висновку. Просто дослідники так довго досліджували іонний транспорт за допомогою макроскопічних інструментів, і вони не могли спостерігати те, що ми бачили в цьому дослідженні.

За його словами, відкриття в атомному масштабі, зроблені тут, «допоможуть подолати розрив між атомними рухами, які ми можемо моделювати в комп’ютері, та макроскопічними властивостями матеріалу, які настільки ускладнили наше дослідження».

Сьогодні у сфері обчислень переживають світанок два нові напрями — квантовий та нейроморфний. Здавалося б, це два різні шляхи, але на стику цих областей можуть виникнути настільки потужні обчислювальні рішення, що все здасться дитячою іграшкою. Адже не дарма з’явилися підозри, що розумова діяльність людини супроводжується квантовими ефектами, що змушує вчених шукати нові типи пам’яті з квантовими явищами.

Міжнародна група вчених із Німеччини, Китаю та Чилі запропонувала свій варіант такої давно запропонованої пам’яті, як мемконденсатор (memcapacitor). Мемконденсатори запропоновані теоретиками понад 50 років тому поряд з мемристорами та меміндуктивностями. В принципі, будь-який матеріал з нелінійними характеристиками (з петлею гістерези) може бути пам’яттю для електронних пристроїв. У новій роботі, опублікованій днями в журналі Communications Materials, дослідники розповіли, як вони шукали зв’язок між електронними сигналами та квантовими ефектами і як їм у цьому допоміг мемконденсатор.

Мемконденсатори дозволяють запам’ятовувати інформацію, зв’язуючи напругу та заряд (мемірори, наприклад, зв’язують струм і напругу). Залишилося підчепити все це до «лякливих» квантових станів, щоб осередок квантової пам’яті міг записуватися і зчитуватися без руйнування, а також щоб квантові ефекти, включаючи заплутаність, в принципі могли виникати в подібній макросистемі і спостерігатися (вимірюватися).

Як інструмент на квантовий елемент пам’яті вчені запропонували мікрохвильове випромінювання. Сам елемент пам’яті є двома пов’язаними коливальними контурами, один з яких основний, а другий — допоміжний, введений для стабілізації роботи основного контуру завдяки організованому з ним зворотному зв’язку. До основного контуру підключено так званий елемент SQUID або надпровідний магнітометр (інтерферометр). На SQUID впливає мікрохвильове випромінювання, інтенсивність якого залежить від вимірювань на допоміжному контурі і він управляє станом осередку пам’яті. За рахунок зворотного зв’язку представлений елемент демонструє стабільність роботи і, як показали експерименти, це супроводжується квантовими ефектами, включаючи явище заплутаності.

Цей пристрій працює з класичним входом в одному резонаторі, одночасно зчитуючи відгук в іншому, і служить фундаментальним будівельним блоком для створення масивів мікрохвильових квантових накопичувачів пам’яті. Ми спостерігаємо, що двостороння схема може зберігати свої властивості пам’яті та демонструвати заплутаність та квантові кореляції. Наші результати відкривають шлях для експериментальної реалізації надпровідних квантових пристроїв з високою ємністю пам’яті та масивів пристроїв для нейроморфних квантових обчислень», — пояснили у своїй роботі дослідники.

Вчені розробили метод отримання надчистого кремнію, який застосовується для чіпів. Використовуючи стандартне обладнання, вони досягли зниження частки домішок кремнію-29 у чіпах до 0,0002%. Цей спосіб дозволить створювати потужніші квантові комп’ютери з великою кількістю кубитів, повідомляє New Atlas.

Кремній заслужено вважається одним із ключових матеріалів, що лежать в основі сучасних електронних пристроїв та комп’ютерних технологій. Його значення настільки велике, що на його честь навіть названо знамениту Кремнієву долину в Каліфорнії — місце, де зародилося багато IT-гігантів. Проте кремнію є і певні недоліки, що обмежують його застосування в перспективних областях, таких як квантові обчислення.

Дослідники з Мельбурнського та Манчестерського університетів розробили метод отримання надчистого кремнію за допомогою стандартного обладнання – іонного імплантатора. За допомогою цієї установки, яка широко застосовується в напівпровідниковій промисловості, комп’ютерний чіп був «обстріляний променем» кремнію-28, в процесі чого домішки кремнію-29 були замінені більш бажаним кремнієм-28, і в результаті, концентрація кремнію-29 в чіпі знизилася з 4,5% до 0,0002%.

Чому чистота кремнію важлива квантових комп’ютерів? Справа в тому, що в основі роботи квантових комп’ютерів лежать кубити — квантові біти, які використовують принципи квантової механіки. Вони вкрай чутливі до будь-яких зовнішніх впливів і повинні бути в стані квантової когерентності.

Однак натуральний кремній містить приблизно 4,5% ізотопу кремній-29, що має додатковий нейтрон. Ці нейтрони поводяться як мікроскопічні магніти, порушуючи когерентність кубітів та викликаючи помилки у квантових обчисленнях. Таким чином, використання натурального кремнію суттєво обмежує можливості квантових комп’ютерів, і для їх повноцінної роботи потрібно набагато чистіший кремній з мінімальним вмістом ізотопу кремній-29.

Кремнія з високою чистотою може дозволити значно розширити можливості квантових комп’ютерів, оскільки чим більше кубит містить квантовий чіп, тим він потужніший. Надчистий кремній, який отримали вчені, у цьому випадку допоможе стабілізувати роботу таких багатокубітних систем. Надалі планується протестувати розроблені надчисті кремнієві структури на реальних квантових пристроях. А успішні результати можуть спричинити появу квантових комп’ютерів нового покоління.

Нещодавно в журналі Science вийшла стаття авторів з інженерної школи Маккелві при Вашингтонському університеті в Сент-Луїсі, присвячена дослідженню гетерогенних тонкоплівкових структур для конденсаторів. Працюючи з сегнетоелектриками, вчені випадково створили конденсатор із щільністю енергії у 19 разів вищою, ніж у звичайних елементів. Фактично вони розробили акумулятор із фантастичною здатністю швидкої зарядки, чого не вистачає сучасним батареям.

Не секрет, що конденсатори є найважливішими елементами підсистем живлення та стабілізації схем. У сучасних смартфонах може бути до 500 конденсаторів, а в ноутбуках — до 800 і більше (коливальні контури ми умовно винесемо за дужки в цій статті, йдеться тільки про харчування). У всіх випадках конденсатори виступають як елементи, здатні швидко розряджатися та заряджатися, чого не скажеш про акумулятори. Але акумулятори відрізняються високою щільністю зберігання енергії. Вчені давно намагаються знайти золоту середину — високощільний акумулятор з можливістю швидко заряджатися і розряджатися, але при цьому залишатися цілим і здатним на безліч циклів заряду. Схоже, вчені зі США наблизилися до відкриття такого акумулятора.

У ході експерименту з гетероструктурами на основі титанату барію (BaTiO₃) — до певної міри перовскіту — була відкрита «нова фізика», як висловилися вчені. У цілому нині дослідники отримали можливість керувати часом розряду (релаксації) сегнетоэлектрического конденсатора. Ця можливість випадково проявила себе щодо комбінації двовимірних і тривимірних матеріалів у комбінації 2D/3D/2D2 або бутерброду Au/MoS₂/BaTiO₃/MoS₂/Au. Серцевина з титанату барію, оточена двома атомарно-тонкими шарами, створює шар товщиною всього 30 нм або 1/10 звичайного вірусу. Точно підібрані хімічні та нехімічні зв’язки, а також зазори між шарами стали ключем, який дозволив отримати контроль над часом розряду конденсатора-акумулятора.

Завдяки збереженню кристалічності 3D-сегнетоелектрика та мінімізації втрат енергії, вчені змогли досягти щільності зберігання енергії в цій багатошаровій гетерогенній структурі на рівні 191,7 Дж/см³ при ККД понад 90%. Точний контроль часу розряду відкриває перспективи широкого спектра застосувань і потенційно може прискорити розробку високоефективних систем накопичення енергії.

«Ми створили нову структуру, засновану на інноваціях, які ми вже запровадили у нашій лабораторії з використанням 2D-матеріалів, – сказав провідний автор роботи Санг-Хун Бей (Sang-Hoon Bae). — Спочатку ми не були зосереджені на накопиченні енергії, але в ході нашого дослідження властивостей матеріалів ми виявили нове фізичне явище, яке, як ми зрозуміли, може бути застосоване для накопичення енергії, яке було одночасно дуже цікавим і потенційно набагато кориснішим».

«Ми виявили, що час релаксації діелектрика може регулюватися або індукуватись дуже невеликим зазором у структурі матеріалу, – пояснив Бей. — Це нове фізичне явище, те, з чим ми раніше не стикалися. Це дозволяє нам маніпулювати діелектричним матеріалом таким чином, щоб він не поляризувався і не втрачав здатність заряджатися».

Вчені не приховують, що попереду буде довга оптимізація матеріалу, але навіть на етапі технологія перевищує досягнення інших лабораторій. Тому дослідники вбачають у новому «електронному матеріалі», як вони назвали своє рішення, великі перспективи.

Численні системи штучного інтелекту (ШІ), навіть ті, що створені, щоб бути корисними та правдивими, уже навчилися обманювати людей. В оглядовій статті, нещодавно опублікованій в журналі Patterns , дослідники підкреслюють небезпеку обману штучного інтелекту та закликають уряди швидко встановити жорсткі правила для пом’якшення цих ризиків.

«Розробники штучного інтелекту не мають впевненого розуміння того, що спричиняє небажану поведінку штучного інтелекту, як-от обман», — каже перший автор Пітер С. Парк, дослідник екзистенціальної безпеки ШІ в Массачусетському технологічному інституті. «Але, загалом кажучи, ми вважаємо, що обман ШІ виникає через те, що стратегія, заснована на обмані, виявилася найкращим способом успішного виконання навчального завдання ШІ. Обман допомагає їм досягти своїх цілей».

Парк і його колеги проаналізували літературу, зосереджуючись на способах, якими системи штучного інтелекту поширюють неправдиву інформацію — через навчений обман, за допомогою якого вони систематично вчаться маніпулювати іншими.

Приклади обману ШІ

Найяскравішим прикладом обману штучного інтелекту, який дослідники виявили під час свого аналізу, стала CICERO від Meta, система штучного інтелекту, розроблена для гри Diplomacy, яка є грою для завоювання світу, яка передбачає створення альянсів. Незважаючи на те, що Meta стверджує, що навчила CICERO бути «значною мірою чесним і корисним » і «ніколи навмисно не завдавати ударів у спину» своїм людським союзникам під час гри, дані, опубліковані компанією разом із науковим документом, показали, що CICERO не грав чесно.

«Ми виявили, що штучний інтелект Meta навчився бути майстром обману», — каже Парк. «Хоча Meta вдалося навчити свій штучний інтелект перемагати в грі дипломатії — CICERO потрапив до 10% найкращих гравців-людей, які грали більше однієї гри, Meta не змогла навчити свій штучний інтелект перемагати чесно».

Інші системи штучного інтелекту продемонстрували здатність блефувати під час гри в техаський холдем покер проти професійних гравців-людей, імітувати атаки під час стратегічної гри Starcraft II, щоб перемогти суперників, і спотворювати їхні вподобання, щоб отримати перевагу в економічні переговори.

Ризики оманливого ШІ

Хоча це може здатися нешкідливим, якщо системи штучного інтелекту обманюють в іграх, це може призвести до «прориву в оманливих можливостях штучного інтелекту», який у майбутньому може перерости в більш просунуті форми обману штучного інтелекту в майбутньому, додав Парк.

Дослідники виявили, що деякі системи ШІ навіть навчилися обманювати тести, призначені для оцінки їх безпеки. В одному дослідженні організми штучного інтелекту в цифровому симуляторі «вдавалися мертвими», щоб обдурити тест, створений для усунення систем ШІ, які швидко відтворюються.

«Шляхом систематичного обману тестів безпеки, нав’язаних розробниками та регуляторами, оманливий штучний інтелект може викликати у нас, людей, помилкове відчуття безпеки», — каже Парк.

Основні короткострокові ризики оманливого штучного інтелекту включають полегшення ворожим особам вчинення шахрайства та втручання у вибори, попереджає Парк. Зрештою, якщо ці системи зможуть удосконалити цей тривожний набір навичок, люди можуть втратити контроль над ними, каже він.

«Нам, як суспільству, потрібно якомога більше часу, щоб підготуватися до більш просунутого обману майбутніх продуктів штучного інтелекту та моделей з відкритим кодом», — каже Парк. «У міру того, як шахрайські можливості систем штучного інтелекту стануть більш досконалими, небезпека, яку вони становлять для суспільства, ставатиме все більш серйозною».

Хоча Пак і його колеги вважають, що суспільство ще не має правильних заходів для боротьби з обманом штучного інтелекту, їх надихає те, що політики почали сприймати цю проблему серйозно за допомогою таких заходів, як Закон ЄС щодо штучного інтелекту та Указ президента Байдена щодо штучного інтелекту. Але, за словами Парка, ще належить з’ясувати, чи можна суворо дотримуватися політики, спрямованої на пом’якшення обману ШІ, враховуючи, що розробники ШІ ще не мають методів, щоб контролювати ці системи.

«Якщо заборона обману штучного інтелекту є політично нездійсненною на поточний момент, ми рекомендуємо класифікувати оманливі системи штучного інтелекту як високоризикові», — каже Парк.

Група дослідників Стенфордського університету (США) розробила нову технологію створення голографічного зображення, що реалізується за допомогою алгоритмів штучного інтелекту. Вона передбачає компактні габарити необхідного обладнання — ця технологія може бути основою нового покоління окулярів доповненої реальності (AR).

Лабораторна версія голографічної системи нового покоління має суттєві обмеження — вона забезпечує поле зору всього в 11,7°, і це набагато менше, ніж пропонують AR-гарнітури Magic Leap 2 і Microsoft HoloLens. Але навіть зараз це компенсується перевагами рішення: голографічні компоненти системи майже поміщаються у стандартні оправи для окулярів і можуть виробляти реалістичні повнокольорові зображення, що рухаються, з різною глибиною.

Як і в інших AR-окулярах, тут використовуються хвилеводи — компоненти, що направляють світло через окуляри в очі користувача. Автори проекту уточнюють, що вони створили унікальний «нанофотонний метаповерхневий хвилевід», який «усуває потребу у громіздкій колімаційній оптиці», а радикальне підвищення якості зображення досягається за рахунок алгоритмів ШІ. Моделі «автоматично калібруються, використовуючи зворотний зв’язок з камер».

У сучасній реалізації технологія представлена ​​прототипом у корпусі, який був створений на 3D-принтері, але автори проєкт вважають, що він здатний перевернути нинішній ринок «просторових комп’ютерів» — зараз панують громіздкі Apple Vision Pro і Meta Quest 3. Вчені вказують, що сьогодні не існує систем доповненої реальності, порівнянних з їх винаходом за можливостями та компактністю.