Инновационные разработки и топологическая фотоника: математическая концепция и практические результаты

Математический аппарат сейчас нередко формировался в процессе решения практических задач: зачатки векторной алгебры возникли при попытках «сложить» скорости и силы, понятие скорости привело к введению производной и так далее. Однако сегодня мы поговорим о случае, когда изначально абстрактная математическая концепция привела к открытию новых физических эффектов и созданию направления в физике под названием топологическая фотоника. Объясним, как это произошло. Технической основой для реализации обмена информацией служит цифровая электроника. Она использует полупроводниковые устройства (в основном, транзисторы). На их основе собирают логические элементы: регистры, переключатели, счетчики и микросхемы. Процессоры могут состоять из миллиардов таких элементов, поэтому встает вопрос о скорости их переключения и распространения сигналов в такой сложной цепи. При типичной частоте в 3 ГГц один такт занимает около 300 пс. За это время меняются напряжения и токи, возникают и затухают переходные процессы — в общем, устанавливается новое состояние. Это накладывает ограничения на транзисторы, а именно их граничную частоту (она должна в разы превышать тактовую частоту процессора).

Читать далее

Кибербезопасность цифрового производства или как мы взломали “умную” фабрику

Хотя процесс подключения предприятий к интернету давно уже носит массовый характер, с точки зрения кибербезопасности каждый такой случай уникален, и охватить все возможные варианты нереально. В рамках нашего нового исследования Attacks on smart manufacturing systems мы сосредоточились на изучении одного производственного объекта, а в этом посте делимся некоторыми важными выводами. Сложность интеллектуальных производственных систем настолько велика, что трудно дать им точное формальное определение. На сегодня понятия эталонной производственной инфраструктуры не существует даже в виде концепции. Однако с ростом сложности увеличивается также количество угроз, расширяется периметр, на который могут воздействовать киберпреступники, преследующие различные цели. Не пытаясь объять необъятное, мы решили сфокусировать внимание на одном экземпляре интеллектуальной производственной системы, в составе которой имеются как аппаратные, так и программные компоненты в виде управляющего ПО, средств разработки и мониторинга.

Читать далее

Инновационные технологии анализа данных дистанционного зондирования Земли: как получить и использовать

Дистанционное зондирование Земли (ДЗЗ) — наблюдение поверхности Земли наземными, авиационными и космическими средствами, оснащёнными различными видами съемочной аппаратуры (определение из wikipedia). Поговорим о возможностях, предоставляемых бесплатными и общедоступными данными. Всего не перечислить, поэтому расскажу только о том, с чем я сам работаю, все примеры кода и картинки мои собственные. Исходный код по ссылкам представлен на языке Python 3 в виде Jupyter Notebooks на GitHub. Картинка ниже показывает смещение поверхности Земли относительно спутника (красным цветом обозначено смещение вверх и синим — вниз) в результате землетрясения (6.5 баллов) — как видим, горы “подросли” (на 20-30 см) и долины углубились (на 15-20 см). Можно ли это замерить локально? Да, с помощью сети наземных станций GPS — что и дорого и сложно организовать, а точность спутниковых наблюдений уже превосходит наземные. Кстати, показанная интерферограмма вычислена за пару часов на обычном лаптопе с помощью Open Source утилит GMTSAR (фактически, это расширение для знаменитых в области наук о Земле утилит GMT).

Читать далее

На что способен квантовый компьютер: физика инновации и применение

Квантовая физика родилась в 1900 году, когда Макс Планк предположил, что энергия поглощается не непрерывно, а отдельными порциями — квантами. Его идея получила дальнейшее развитие: фотоэлектрический эффект Эйнштейна, теория атома Бора, Резерфорд опытным путем показал, как выглядит ядро атома, Луи де Бройль стер границу между волнами и материей, Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику. Квантовую физику тяжело понять — её математический аппарат почти невозможно перевести на «человеческий» язык. Но «потрогать» её проявления в повседневной жизни вполне реально: лазеры, флэшки, компакт-диски, интегральные схемы или графен — все эти технологии появились благодаря квантовой физике. Логично, что ее решили использовать и для вычислений — в квантовых компьютерах. Квантовые компьютеры кардинально отличаются от обычных: они обрабатывают информацию на порядок быстрее, а памяти у них больше экспоненциально. Уже сейчас экспериментальные образцы решают некоторые задачи быстрее, чем самые мощные суперкомпьютеры.

Читать далее

Безопасность при применении промышленной робототехники: кратко о главном

Мы уже рассказывали, что встреча людей и машин на производстве в основном заканчивается миром. Где-то эффективнее автоматизировать производственные задачи, но во многих сферах по-прежнему полезнее делать ставку на одушевлённый пролетариат, но в целом роботы и люди всё теснее сотрудничают на фабриках, работая буквально бок о бок. Возникает вопрос: как сделать так, чтобы машины случайно не навредили человеку? Рассказываем историю проблемы, в которой уже пролилась первая кровь, а также о технологиях, предотвращающих эти неприятные столкновения. Ещё при жизни фантаста и футуролога Айзека Азимова, сформулировавшего три закона мирного сосуществования робота и человека, нашлась машина, которая их нарушила. Кстати, если кто забыл, законы простые: 1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред. 2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому закону. 3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому или Второму законам.

Читать далее

Инновации на основе крупномасштабных квантовых устройств: квантовая запутанность на службе человечества

Исследователи впервые продемонстрировали квантовую запутанность в механических системах. Концепцию одного из таких экспериментов художник изображает, как яркое световое поле квантового интерферометра, «переносящего» запутанное состояние. Фото предоставлено: Институт нанонауки им. Кавли, Делфтский технологический университет / Мориц Форш. Запутанность — противоречивая идея состоящая в том, что частицы могут быть связанными независимо от расстояния между ними. Это явление остается одним из самых странных и наименее понятных следствий квантовой механики. Если измерить квантовое свойство одной из пары запутанных частиц, то свойство другой мгновенно изменится. Такие странные явления обычно возникают на субатомном уровне. Но недавно физики продемонстрировали запутанность и другие квантовые эффекты в крайних формах, наблюдая их в больших системах, включая облака атомов, квантовые барабаны, проводники и кремниевые чипы. Устройство за устройством они переносят квантовый мир на новую территорию — в макроскопический мир. Эти работы находят новые приложения. Некоторые экспериментальные квантовые компьютеры используют петли сверхпроводящих проводников в качестве кубитов хранящих квантовую информацию.

Читать далее

Численное моделирование экономит время и деньги при разработке новых аппаратов искусственной вентиляции

Численное моделирование помогает компании Vyaire Medical спасать жизни. Благодаря созданию цифрового двойника аппарата искусственной вентиляции легких с использованием решения Simcenter компания Vyaire Medical резко сократила сроки разработки, что помогает спасать жизни людей. Большинство людей даже не задумывается о собственном дыхании. Мы делаем от 17 до 23 тысяч вдохов в сутки, и по большей части это происходит неосознанно. Прямо сейчас пациенты с вирусом COVID-19 — в основном пожилые и ослабленные люди — сталкиваются с затрудненным дыханием и буквально борются за жизнь. Дело в том, что у каждого пациента свой уникальный вид дыхания. Пациенты отличаются не только строением и размерами тела (морфологией), но и способом дыхания. Кто-то дышит ртом, кто-то носом, а большинство сочетает оба варианта. Кроме того, у каждого пациента есть индивидуальные показатели дыхательной системы, зависящие от строения и функции легких, и этот фактор также необходимо учитывать.

Читать далее

Образовательные технологии для инклюзивного подхода в Российских школах

В конце мая в мире отмечается День внимания к проблемам доступности и это отличный повод напомнить о важности инклюзивного подхода в образовании. Миссия Microsoft — дать возможность каждому достичь большего. И ученикам в том числе. Школа — это место, где большинство людей проводят годы становления, оттачивая разнообразные навыки, готовясь к будущей работе и развиваясь рядом со сверстниками. Это должна быть среда, дружественная для всех, включая детей с инвалидностью. Весной 2020 года мы много общались на тему доступности с российскими специалистами и услышали замечательные истории из этой области. Инклюзивное образование набирает обороты и стало реальностью уже во многих регионах Российской Федерации. В 2018 году московскими школами и Городским психолого-педагогическим центром (ГППЦ) Департамента образования и науки города Москвы была выдвинута инициатива по созданию Ассоциации инклюзивных школ, которая объединяла бы в своих рядах те школы и педагогов, которые уже успешно реализуют или хотят научиться практикам инклюзивного образования. На сегодняшний день членами Ассоциации являются школы из 56 регионов.

Читать далее

У интеллектуальных истоков инноваций: кому и как приходят новые идеи

Эссе Айзека Азимова о творчестве от 1959 года. Айзек Азимов (1920–1992) – американский писатель и профессор биохимии Бостонского университета, известный как автор научно-фантастических и научно-популярных произведений. Азимов считается одним из «большой тройки» писателей-фантастов своего времени наряду с Робертом Хайнлайном и Артуром Кларком. Заметка Артура Обермайера, друга автора:В 1959 году я работал ученым в Allied Research Associates в Бостоне. Компания была порождением MIT и изначально изучала воздействие ядерного оружия на конструкции летательных аппаратов. Компания заключила с ARPA контракт с аббревиатурой GLIPAR (Guide Line Identification Program for Antimissile Research) с целью выявления наиболее творческих подходов к созданию противоракетной оборонительной системы. Правительство понимало, что сколько бы ни было потрачено на совершенствование и дополнение существующих технологий, они все равно останутся неудовлетворительными. Они хотели, чтобы мы и несколько других подрядчиков думали нестандартно.

Читать далее