Világcsúcs: német szuperszámítógép kvantum-számítógépet szimulál

Egy lépéssel közelebb az oly gyakran beharangozott – nem csak elméletben működő – kvantum-számítógépek felé?

A quantum computer could provide an enormous improvement in the processing speed of existing computers. However, as yet they only exist in the laboratory in the form of small prototypes with a capacity of a few bits. They can now be explored in more detail, at least in simulations. The Jülich supercomputer JUGENE can now simulate the largest quantum computer system in the world with 42 bits. "The computing power of a quantum computer grows exponentially with its size," says Prof. Dr. Kristel Michielsen from the Jülich Supercomputing Centre. "This is both an enormous opportunity for future applications and also a great challenge for simulations at the moment." If a quantum computer is expanded by just one single computer bit then its computing power is immediately doubled due to the laws of quantum mechanics on which it is based. The computing power of a classical computer only grows linearly with its components. Ten percent more transistors (in the ideal case) also only means ten percent more performance. If you want to simulate a quantum computer using present computing power then you soon come up against limits. For a quantum computer with 42 computer bits you need machines like the Jülich supercomputer JUGENE, which is the fastest computer in Europe with almost 300,000 processors and a computing power of 1015 floating point operations per second. Shor's algorithm, a common test application for quantum computers, has been demonstrated on the 42-bit quantum computer, factorizing 15707 into 113x139. This is a number that is thousands of times larger than those factorized on quantum computers that have been experimentally realized in the past. For the world record, the Jülich research team and the Computational Physics group of the University of Groningen developed the simulation software to such a level that it can run efficiently on this large number of processors. "If so many processors have to work together then in the case of simple algorithms it can easily happen that processors are waiting for each other and thus performance is lost," says Michielsen. "Our software is optimized so that thousands of processors can work seamlessly together. It scales almost perfectly."

IT3 komment: A bemutatott kutatás jól példázza, hogy mekkora számítási teljesítmény növekedés várható a quantum számítógépektől. Egyetlen 42 qubit-es quantum processzor 300,000 jelenlegi elektronikus processzor teljesítményével ér fel. Ugyanakkor drasztikus növekedést hozhatnak a quantum processzorok a számítási sebesség tekintetében is, hiszen a német kutatók által összeállított szimuláció messze a majdani quantum processzorok sebessége alatt működik.

Forrás: www.eurekalert.org

Európában nőnek a nanocsövek

Az EU kutatóműhelyeiben kidolgozott nanovezeték-technológiák fontos szerepet játszhatnak a jövőbeni infokommunikációs eszközök gyártásában.

Nanowires are a promising new technology that could meet rapidly rising performance requirements for integrated circuit design over the next ten years. They are tiny wires just tens of nanometres in diameter and micrometers in length. They could mean smaller, faster and lower power electronics, and lead to entirely novel architectures such as 3D microchips – a vertical stack of circuitry that can massively increase the size of circuits for the same footprint. Nanowires are so narrow they are often called ‘one-dimensional’ structures because the width of the wire constrains the sideways movement of electrons as they pass through the wire. Also, the cylindrical geometry allows the most efficient electrostatic gating technology. Unsurprisingly at this scale, nanowires demonstrate many characteristics that offer the potential for novel circuits and architectures, and physicists are very excited. The Japanese pioneered the field with the USA taking up the work, and with a few European teams entering soon after. But the Europeans are on their way. Recent work at the NODE project led to world-class technology and 40 patents. “Silicon technology becomes very challenging when you get down to 10-15nm,” explains Lars Samuelson, director of the Nanometer Structure Consortium at Lund University and coordinator of the NODE project. “One of the problems of the top-down approach is that it introduces harsh environments and you end up with devices that may be dominated by defects.” NODE’s nanowires are ‘grown’ from the bottom up, like crystals, into vertical structures. “We call it ‘guided self-assembly’, and it is a ‘bottom-up’ process that can result in fewer defects,” Samuelson says. Vertical nanowires can consist of different materials, by simply altering the depositing material, so the wire takes on layers with different characteristics. “There are many potential opportunities for developing new technologies,” he says. “This vertical arrangement may be the route to 3D circuit design as well as to realise monolithic on-chip optoelectronics.” NODE focused on combining silicon with indium arsenide and silicon with silicon germanium, two very promising materials. “Indium arsenide is inherently very fast and, as such, it was of particular interest to our work,” remarks Samuelson. The project looked at every link in the nanowire production chain, from growth, processing on an industrial scale, to characterisation and integration.

IT3 komment: Az Európai Uniós által támogatott NODE kutatási projekt eredményeként úgy tűnik, hogy Európa is be tud kapcsolódni a szilicium alapú nanocsövekre épülő nanotechnológiás csipgyártásba. A technológia ugyan még nem érett arra, hogy segítségével működő processzorokat állítsanak elő. A kutatási eredmények arra utalnak, hogy ehhez még 5-10 év szükséges.

Forrás: www.physorg.com

Fényvezető áramkörök

Milyen lehetőségek rejlenek a nanoszintű plazmonika technológiában?

A team of European researchers has demonstrated some of the first commercially viable plasmonic devices, paving the way for a new era of high-speed communications and computing in which electronic and optical signals can be handled simultaneously. The pioneering devices, which are expected to lead to commercial applications within the next decade, make use of electron plasma oscillation to transmit optical and electronic signals along the same metal circuitry via waves of surface plasmon polaritons. In contrast, signals in electronic circuits are transmitted by electrons, while photons are used to carry data in optical systems. As an emerging nano-scale technology that is often referred to as “light on a wire,” plasmonics, as the field of research is known, shares the advantages of fibre optics, including ultra-high-speed data transfer, with the benefits of electronic components, particularly their small size. The technology holds the promise of all-optical computer chips operating at ultra-fast speeds, faster communications and a vast new range of sensing devices. “For the last five years or so it has been possible to build an optical computer chip, but with all-optical components it would have to measure something like half a metre by half a metre and would consume enormous power. With plasmonics, we can make the circuitry small enough to fit in a normal PC while maintaining optical speeds,” explains Anatoly Zayats, a researcher at The Queen's University of Belfast. Until now, however, plasmonic devices had been let down by the short distance over which plasmons could transmit data signals – a problem that Zayats and his team solved in the EU-funded Plasmocom project. Plasmonic data transmission functions on the basis of oscillations in the electron density at the boundary of two materials: a dielectic (non-conductive) plasma or polymer and a metal surface. By exciting the electrons with light it is possible to propagate high-frequency waves of plasmons along a metal wire or waveguide, thus transmitting a data signal. However, in many cases the signal dissipates after only a few micrometres – far too short to interconnect two computer chips, for example.The Plasmocom team took a novel approach. The researchers built a variety of plasmonic devices, including low-loss S bends, Y-splitters and a waveguide ring resonator, a crucial part of the add-drop multiplexers (ADM) in optical networks that combine and separate several streams of data into a single signal and vice versa. While current commercial optical ring resonators have a radius of up to 300 micrometres, the plasmonic demonstrator built by the Plasmocom team measured just five micrometres.

IT3 komment: A fotonika és elektronika előnyeit egyaránt ötvőző műszaki megoládsokkal kecsegtet csipgyártás területén a plazmonika. A plazmonika fő ígérete a THz-es sebességű optikai processzor nanométeres tartományban. A kutatási eredmények azt mutaják, hogy 10 éven belül lehetővé válik a "plazmoprocesszorok" létrehozása.

Forrás: cordis.europa.eu

Szuper sűrű adattároló

Egy új polimer könnyebbé teszi az adattároló rendszerek munkáját.

Engineers in Korea have created a material that could allow super-dense "millipede"-style data storage systems to work at room temperature. The discovery brings the technology closer to commercial reality. A decade ago, IBM engineers unveiled the ultra-high-density "millipede" data storage system. Now more than ever, people who want to store digital photos and video need this probe storage system – which can cram a terabit, or 125 gigabytes, into every square inch – but IBM's and other systems with similar designs remain frustratingly distant. Millipede and other similar systems work on a simple principle: an incredibly sharp needle – the probe – etches data as a series of nanoscale pits in a tough polymer surface, and the same probe feels for what's been written to read it back. But to punch a hole in the hard polymer surface the probe had to be hot enough to make the polymer temporarily pliable. Raising a probe to the 350 °C necessary for each digital 1 and 0 to be written makes the system power-hungry, and that is keeping probe storage from the market, says Jin Kon Kim at Pohang University of Science and Technology in Kyungbuk, Korea. His team has designed a probe storage system that doesn't need heat to function. Instead, it uses an unusual "baroplastic" – a hard polymer that becomes soft when placed under pressure. The first such materials were found a decade ago, but became soft only under high pressures of above 300 bar. Kim's team has created a new baroplastic that goes through the transition at the much lower pressure of 60 bar: "the lowest value among all block copolymers reported in the literature." The Korean team has shown that the tip of an atomic force microscope (AFM) can etch the kind of tiny pits that store data in millipede-like systems simply by pressing on the new material. Lighter pressure can be used to feel for and read out the pits without altering them. It solves one issue but raises another, says David Wright, who co-ordinates Protem, a Europe-wide project to explore the potential of probe storage. "The forces needed are relatively high, and this is likely to lead to tip wear issues," he says. Even systems that use heat suffer such problems, and they would be worse if more force was being used, he says.

IT3 komment: Manapság a számítógépekben a nem felejtő adattárolók közül a legelterjedtebbek a mágneses adattárolók, ezek között is a merev lemezek a legnépszerűbbek. Az elmúlt 50 évben folyamatosan fel-felbukkantak ponteciális vetélytársak, de eddig egyetlen komoly ellenfél sem akadt. Az IBM által az ezeredfordulón kifejleszett "millipede" technológia, a holografikus és lézeres adattároló megoldások mellett, egyike lehet a jövőbeli trónkövetelőknek.

Forrás: www.newscientist.com

Hogyan mozognak az elektronok?

A molekula belső szerkezetének pontosabb ismerete gyorsabb és hatékonyabb számítógép-komponenseket eredményezhet.

IBM scientists claim to be the first to image the inner structure of a molecule, opening up new possibilities in building smaller, faster, and more energy-efficient computing components. The achievement is described as a milestone in surface microscopy, which pushes the exploration of using molecules and atoms in the field of nanotechnology. "Though not an exact comparison, if you think about how a doctor uses an x-ray to image bones and organs inside the human body, we are using the atomic force microscope to image the atomic structures that are the backbones of individual molecules," IBM Researcher Gerhard Meyer said. The latest publication comes two months after IBM scientists used the same complex technique known as "non-contact atomic force microscopy" to measure the charge states of atoms within a molecule. That work, combined with the latest achievement, are considered breakthroughs in the investigation of how an electrical charge transmits through molecules or molecular networks. An understanding of how a charge is distributed at the atomic scale is essential for building smaller, more powerful, and more energy-efficient computing components than today's processors and memory devices, IBM said. In imaging the inner structure of a molecule, IBM scientists in Zurich, Switzerland, operated an atomic force microscope at an ultra-high vacuum at minus 451 degrees Fahrenheit. As a result, the researchers for the first time were able to look through the electron cloud covering the molecule to see its atomic backbone. Atomic force microscopy, or AFM, uses a sharp metal tip to measure the tiny forces between the tip and within the molecule to create an image. The image created by IBM scientists was of an organic molecule called a Pentacene, consisting of 22 carbon atoms and 14 hydrogen atoms measuring 1.4 nanometers in length. The researchers imaged the carbon atoms, which were only 0.14 of a nanometer apart, or about 1 millionth the diameter of a grain of sand. From this image, scientists deduced the positions of the hydrogen atoms. A particular challenge in the imaging process was getting the tip of the AFM within a half nanometer from the molecule without disturbing it. To achieve this, a carbon monoxide molecule was placed at the tip, which acted as a powerful magnifying glass able to capture a 3D map of the molecule's inner structure.

IT3 komment: Az IBM zürichi kutatóközpontjában sikerült atomerő mikroszkóp segítségével feltérképezni egy pentocén molekula belső struktúráját. A kutatók által kifejlesztett fényképezési eljárás új távlatokat nyithat az 1-2 nanométer vastagságú elemekből álló integrált áramkörök tervezése és gyártása terén.

Forrás: www.informationweek.com

Tíz évre a mesterséges agytól

Szintetikus emberagyat terveznek egy svájci laboratóriumban.

Henry Markram, a Kék Agy projekt vezetője már szimulálta az egér agyának egyes elemeit. Állítása szerint egy szintetikus emberagy hasznos szolgálatokat tehet mentális megbetegedések kezelési módjának kutatásában. Mintegy kétmilliárd ember szenved ilyen-olyan agyi károsodásban – fűzte hozzá. A projektet a svájci EPFL (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) indította el 2005-ben. Célja az emlősagy laboratóriumi adatok alapján „visszafelé” történő megtervezése. Markram kutatócsoportja elsősorban a neokortexként ismert repetitív egységekre, a neokortikális „oszlop”-ra összpontosít. „Ez egy új agy” – magyarázza. – „Az emlősöknek a családi és más közösségi interakciók komplex kognitív funkcióinak kezelése céljából van szükségük rá.” Az elmúlt tizenöt évben a professzor és csoportja részekre bontotta a neokortikális oszlop szerkezetét. „Mivel fel kell fedezni a kommunikáció, a kapcsolódás valamennyi szabályát, többről van szó szimpla katalogizálásnál” – nyilatkozta. – A projekt több tízezer – egymástól különböző – idegsejtről készített mesterséges neokortikális oszlop létrehozását lehetővé tevő szoftvermodellt. Ugyan minden egyes idegsejt egyedi, megállapították, hogy különböző agyi áramkörök közös mintákkal rendelkeznek. A modell életre keltéséhez az eddigi modelleket és néhány algoritmust gépi rendszerbe táplálva szuper-számítógéppé kell alakítani. „Egyetlen idegsejt tevékenységéhez szükséges összes számításhoz kell egy laptop, tehát tízezer idegsejthez tízezer laptop kell” – vonta le a következtetést Markram. Laptopok helyett azonban egy tízezer processzoros IBM Kék Gén gépet használ. A szimulációk megkezdődtek, rendeltetésük, hogy az agyműködésről adjanak fogódzókat. Például mutatnak egy képet – mondjuk, egy virágét – a mesterséges agynak, majd követik a gépben végbemenő elektromos aktivitást. „Beindítjuk a rendszert, és létrehozza saját reprezentációját” – így Makram. Céljuk, hogy ezt a reprezentációt felhasználva és kivetítve, a kutatók közvetlenül lássák, miként érzékeli az agy a világot. A Kék Agy projekt – az idegtudományok és a filozófia fejlődéséhez való hozzájárulás mellett – gyakorlati alkalmazásokkal is kecsegtet. Például az állatokra vonatkozó összes idegtudományi adatot egybegyűjtve, létre lehet hozni egyfajta „Noé bárkájá”-t. A bárka alapján pedig állatmodellek dolgozhatók ki. De a kutatás agyi rendellenességek vizsgálatában szintén segíthet.

IT3 komment: A tudomány és technológia régi álma mesterséges agyak építése. A jelenlegi állás szerint még távol vagyunk az embertől, egyelőre igen primitív élőlényekkel kísérleteznek, ráadásul egy-egy neuron működésének hiteles szimulálása nagyon komoly számítási kapacitást igényel. Időről időre ígéretes kezdeményezések látnak napvilágot, amelyek a célt ugyan nem valósítják meg, de más területekre, például az agykutatásra, medicinára és a gyógyászatra megtermékenyítően hatnak. Kérdés, hogy Markram projektje ezek közé tartozik, vagy valóban sikerül kiviteleznie azt, amitől – bevallása szerint – csak tíz év választja el.

Forrás: news.bbc.co.uk