O chip mais frio do mundo Redação do Site Inovação Tecnológica

O chip mais frio do mundo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  10/01/2018

O pequeno chip, pouco antes do seu resfriamento recorde. [Imagem: University of Basel/Department of Physics]

Recorde de temperatura mais baixa

Os cientistas também gostam de competir para atingir recordes, e é por isso que numerosos grupos de trabalho em todo o mundo estão usando refrigeradores de alta tecnologia para alcançar temperaturas tão próximas do zero absoluto quanto possível - o zero absoluto corresponde a 0 kelvin ou -273,15 °C.

Uma equipe da Universidade da Basileia, na Suíça, conseguiu agora resfriar um chip nanoelétrico para a temperatura de meros 2,8 milésimos de Kelvin (milikelvin).

Mas não é meramente uma competição: Os físicos querem esfriar coisas o mais próximo do zero absoluto possível porque essas temperaturas extremamente baixas oferecem as condições ideais para experiências quânticas e permitem examinar fenômenos físicos inteiramente novos.

• Alcançada temperatura abaixo do zero absoluto

Refrigeração magnética

O novo recorde de resfriamento para um objeto sólido de dimensão macroscópica foi possível graças a uma combinação bem-sucedida de dois sistemas de refrigeração, ambos baseados na refrigeração magnética.

O resfriamento magnético se baseia no fato de que um sistema perde temperatura quando um campo magnético aplicado externamente é atenuado paulatinamente, enquanto qualquer fluxo de calor externo é evitado. Mas o calor da magnetização precisa ele próprio ser removido com outro método para se obter um resfriamento magnético eficiente.

No passo inicial, todas as conexões elétricas do chip foram levadas a uma temperatura de 150 microkelvin - ou seja, uma temperatura já inferior a um milésimo de grau em relação ao zero absoluto. A equipe então integrou um segundo sistema de refrigeração diretamente no próprio chip, e também colocou um termômetro de bloqueio Coulomb sobre ele, que funciona como uma barreira e é insensível a campos magnéticos.

"A combinação dos dois sistemas de refrigeração nos permitiu esfriar o nosso chip abaixo de 3 milikelvin, e estamos otimistas do que podemos usar o mesmo método para atingir o limite mágico de 1 millikelvin," disse o professor Dominik Zumbühl, coordenador da equipe.

Também foi notável o fato de que a equipe tenha conseguido manter essas temperaturas extremamente baixas por um período de sete horas. Isso é tempo suficiente para realizar vários experimentos que ajudarão a entender melhor as propriedades da física quântica.

• Refrigeração óptica promete geladeiras a laser

Bibliografia:

On-and-off chip cooling of a Coulomb blockade thermometer down to 2.8 mK
M. Palma, C. P. Scheller, D. Maradan, A. V. Feshchenko, M. Meschke, Dominik M. Zumbühl
Applied Physics Letters
Vol.: 111, 253105
DOI: 10.1063/1.5002565

Fios reconfiguráveis evitarão que processadores fiquem obsoletos Redação do Site Inovação Tecnológica -

Fios reconfiguráveis evitarão que processadores fiquem obsoletos

Redação do Site Inovação Tecnológica -  11/01/2018

Os experimentos dos componentes reconfiguráveis foram feitos no material ferroelétrico manganeto de érbio (ErMnO3).[Imagem: Megan Holtz/Dennis Meier/Emily Falco]

Hardware atualizável

Que tal atualizar, em vez de substituir, circuitos eletrônicos obsoletos no interior dos chips?

Se esta tecnologia já estivesse disponível, enfrentar o recém-descoberto e desastroso bug em todos os processadores de computador do mundo seria uma tarefa bem mais rápida e mais barata.

A boa notícia é que hardwares verdadeiramente reconfiguráveisnão são mais assunto de ficção, conforme demonstraram Julia Mundy e seus colegas da Universidade de Cornell, nos EUA.

Julia construiu seu circuito reconfigurável tirando proveito das propriedades eletrônicas incomuns das paredes de domínio, as interfaces entre materiais com diferentes tipos de ordenamento elétrico.

Aplicar uma tensão elétrica a uma interface dessas permite alterar o ordenamento elétrico, fazendo com que as paredes do domínio se movam.

Isto significa que as paredes podem ser construídas, movidas e apagadas sob demanda, permitindo usá-las para construir os componentes dos circuitos eletrônicos reconfiguráveis.

Usando nanofios, a equipe conseguiu criar "canais" para o fluxo de elétrons medindo apenas um nanômetro de diâmetro, o que significa que a tecnologia atinge patamares de miniaturização bem maiores do que a alcançada pelo estágio atual da tecnologia de silício.

A aplicação de uma tensão altera reversivelmente o canal de isolante para condutor, o que pode ser usado como os 0s e 1s de uma memória ou as chaves básicas de um transístor

A equipe promete a seguir a construção de um transístor no qual a porta será a própria parede de domínio.

Bibliografia:

Functional electronic inversion layers at ferroelectric domain walls
Julia A. Mundy, J. Schaab, Y. Kumagai, A. Cano, M. Stengel, I. P. Krug, D. M. Gottlob, H. Doganay, M. E. Holtz, R. Held, Z. Yan, E. Bourret, C. M. Schneider, D. G. Schlom, D. A. Muller, R. Ramesh, N. A. Spaldin, D. Meier
Nature Materials
Vol.: 16, 622
DOI: 10.1038/NMAT4878

Primeiro passo rumo a robôs do tamanho de células robos-celulares -

Primeiro passo rumo a robôs do tamanho de células

robos-celulares -  12/01/2018

Os exoesqueletos das nanomáquinas estão prontos - falta agora colocar carga útil a bordo. [Imagem: Marc Miskin/Cornell University]

Robôs de tamanho celular

Uma equipe da Universidade de Cornell, nos EUA, criou um exoesqueleto em escala microscópica que pode mudar rapidamente de forma ao detectar mudanças químicas ou térmicas em seu ambiente.

Uma vez equipadas com cargas eletrônicas, fotônicas e químicas - algo que ainda não foi feito - essas máquinas em microescala poderão se tornar uma plataforma para a robótica na escala de tamanho dos microrganismos biológicos.

"É um primeiro passo em direção aos robôs de tamanho celular," disse o pesquisador Marc Miskin citando como possibilidades máquinas de dimensões celulares que mudam de formato, conduzem eletricidade e fazem sensoriamento ambiental.

"Nós estamos tentando construir o que você pode chamar de 'exoesqueleto' para a eletrônica," disse seu colega Paul McEuen. "Hoje, você já pode fazer pequenos chips de computador que fazem um bocado de processamento de informações... mas eles não sabem como se mover ou fazer com que algo se dobre".

"Você pode colocar o poder computacional da nave espacial Voyager em um objeto do tamanho de uma célula. A partir daí, aonde você vai para fazer explorações?" ajuntou Itai Cohen, membro da equipe.

Bimorfo

Bem, vamos aos fatos.

O exoesqueleto microscópico consiste em estruturas que se movem usando um mecanismo chamado bimorfo. Um bimorfo é formado pela junção de dois materiais - neste caso, grafeno e vidro - que se dobram sob a ação de um estímulo como calor, uma reação química ou uma tensão elétrica.

A mudança de forma ocorre porque, no caso do calor, dois materiais com diferentes respostas térmicas expandem-se em diferentes extensões devido à mesma mudança de temperatura. Como consequência, o bimorfo se curva para aliviar a tensão, permitindo que uma camada se alongue mais do que a outra.

No caso do grafeno e do vidro, os bimorfos também se dobram em resposta a estímulos químicos, conduzindo íons para o vidro, fazendo com que ele se expanda. Normalmente essa atividade química ocorre apenas na borda externa do vidro submerso em água ou algum outro fluido iônico. Como os bimorfos têm apenas alguns nanômetros de espessura, o vidro é basicamente todo borda externa, o que o torna particularmente reativo.

Adicionando painéis planos e rígidos, que não podem ser dobrados pelos bimorfos, os pesquisadores conseguiram fazer com que a flexão ocorra apenas em locais específicos, criando dobras. Com este conceito, eles criaram uma variedade de estruturas dobráveis, de tetraedros (pirâmides triangulares) até cubos.

Enchendo a casca

Os bimorfos são fabricados usando deposição de camada atômica, "pintando" quimicamente camadas atômicas de dióxido de silício (vidro) sobre alumínio. A seguir, uma camada de grafeno é depositada por via úmida na parte superior do vidro.

Uma das nanomáquinas foi descrita pela equipe como sendo "três vezes maior do que um glóbulo vermelho e três vezes menor do que um neurônio grande" quando dobrada.

Falta agora embutir uma carga útil - eletrônica, química ou fotônica - nos exoesqueletos para que eles cumpram as promessas feitas pela equipe.

Bibliografia:

Graphene-based bimorphs for micron-sized, autonomous origami machines
Marc Z. Miskin, Kyle J. Dorsey, Baris Bircan, Yimo Han, David A. Muller, Paul L. McEuen, Itai Cohen
Proceedings of the National Academy of Sciences
DOI: 10.1073/pnas.1712889115

Rede neural vai adivinhar palavra antes que você fale Redação do Site Inovação Tecnológica

Rede neural vai adivinhar palavra antes que você fale

Redação do Site Inovação Tecnológica -  10/01/2018

As redes neurais com reservatório simplificam drasticamente o processo de treinamento, que pode levar meses nas redes convencionais. [Imagem: Chao Du et al. - 10.1038/s41467-017-02337-y]

Rede neural de memoristores

As redes neurais feita com memoristores - componentes eletrônicos que retêm uma memória do que lhes ocorreu anteriormente - prometem melhorar dramaticamente a eficiência do aprendizado de máquina, da inteligência artificiale dos computadores neuromórficos, que trabalham de forma mais parecida com o cérebro humano.

Uma demonstração de que isso está mais perto da realidade do que se imagina acaba de ser dada por Chao Du e seus colegas da Universidade de Michigan, nos EUA.

Eles construíram uma rede neural em hardware, chamada "sistema de computação de reservatórios", que consegue prever palavras e números que virão a seguir em um texto escrito - e o próximo passo será prever palavras antes que elas sejam ditas durante a conversação normal entre duas pessoas.

Sistemas de computação de reservatórios, que melhoram a capacidade de uma rede neural típica e reduzem o tempo de treinamento necessário, já foram criados no passado usando componentes ópticos grandes. Usar memoristores, componentes que podem ser fabricados em nanoescala, significa que o sistema pode ser facilmente integrado nos chips eletrônicos atuais com o mesmo nível de miniaturização.

Rede neural de reservatório

Inspiradas no cérebro, as redes neurais são compostas por neurônios, ou nós, e sinapses, as conexões entre os nós.

Para treinar uma rede neural para que ela execute uma tarefa, a rede é submetida a um grande número de questões e as respectivas respostas a essas questões. Uma vez treinada, uma rede neural pode então responder perguntas para as quais ela não sabe a resposta de antemão - por exemplo, identificar um rosto humano em uma imagem.

Os sistemas de computação de reservatórios construídos com memoristores, no entanto, podem dispensar a maior parte do processo de treinamento porque o componente mais crítico do sistema - o reservatório - não requer treinamento.

Quando um conjunto de dados é inserido no reservatório, o próprio reservatório identifica características relevantes nos dados e as entrega em um formato mais simples para uma segunda rede. Esta segunda rede só precisa de treinamento como as redes neuronais mais simples, alterando os pesos das características que a primeira rede lhe passou até atingir um nível aceitável de erro.

Protótipo do chip contendo uma rede neural com 88 sinapses feitas com memoristores. [Imagem: Chao Du et al. - 10.1038/s41467-017-02337-y]

Previsão de conversas

As vantagens desse aprendizado simplificado são tão mais significativas quanto mais complicada é a tarefa a ser executada. Por exemplo, identificar um rosto em uma imagem é uma tarefa relativamente fácil, enquanto aprender como uma pessoa entabula uma conversa real é muito mais complexo porque as variações são radicais e imensamente mais variadas.

Usando apenas 88 memoristores, a equipe conseguiu treinar a rede neural para que ela identificasse numerais escritos a mão com 91% de precisão.

O próximo passo será prever não palavras escritas, mas faladas. "Nós podemos fazer predições em linguagem falada natural, de forma que você não precisa falar a palavra toda. Nós podemos na verdade predizer o que você planeja dizer a seguir," garante o professor Wei Lu.

Enquanto construir um tradutor simultâneo é ainda um sonho para um futuro distante, os pesquisadores planejam usar sua rede neural para filtrar ruídos em sinais de telecomunicações, como a estática em transmissões de rádio, produzindo um fluxo mais limpo de dados. "Ela poderá também predizer e gerar um sinal de saída mesmo se o sinal de entrada for interrompido," prometeu Lu.

Bibliografia:

Reservoir computing using dynamic memristors for temporal information processing
Chao Du, Fuxi Cai, Mohammed A. Zidan, Wen Ma, Seung Hwan Lee, Wei D. Lu
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 2204
DOI: 10.1038/s41467-017-02337-y

Componentes de potência verticais reduzem drasticamente perda de energia Redação do Site Inovação Tecnológica

Componentes de potência verticais reduzem drasticamente perda de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/01/2018

Com base no obtido até agora, a equipe acredita ser possível chegar à faixa dos 3.300 a 5.000 volts. [Imagem: Yuhao Zhang]

Nitreto de gálio

A eletrônica de potência, responsável por modificar voltagens ou converter entre corrente contínua e alternada, está por todo lado - é ela que compõe o carregador do seu celular e a fonte do seu computador, por exemplo.

Ocorre que a conversão de energia é intrinsecamente ineficiente: um conversor de energia nunca disponibilizará na saída a mesma potência que você lhe forneceu na entrada.

Recentemente, começaram a chegar ao mercado conversores de energia feitos de nitreto de gálio, com maiores eficiências e tamanhos menores do que os conversores convencionais, feitos à base de silício.

O problema é que eles só conseguiam lidar com tensões de até 600 volts, o que limita sua aplicação nos eletrônicos domésticos, que internamente precisam de tensões bem maiores.

A boa notícia é que esse limite foi largamente estendido, com os componentes de potência de nitreto de gálio já lidando com tensões de até 1.200 volts, e podendo ir além.

Isso é suficiente para que eles sejam utilizados até mesmo nos carros elétricos, mas a equipe ressalta que seus componentes ainda são protótipos fabricados em escala de laboratório. Por outro lado, com base no que obtiveram até agora, acreditam ser possível chegar à faixa dos 3.300 a 5.000 volts, o que colocaria os componentes de potência de nitreto de gálio em condições de utilização até mesmo na rede de distribuição elétrica.

Componentes verticais

Os ganhos estão sendo possíveis graças a melhorias em uma técnica conhecida como "componentes verticais", nos quais a corrente flui através do semicondutor - nos dispositivos atuais, que são "laterais", a corrente flui na superfície do semicondutor.

"Quando você tem dispositivos laterais, toda a corrente flui através de uma fatia muito estreita de material, próximo à superfície. Nós estamos falando de uma fatia de material que pode ter apenas 50 nanômetros de espessura. Então toda a corrente passa por lá, e todo o calor está sendo gerado nessa região muito estreita, então ela fica realmente muito, muito quente. Em um dispositivo vertical, a corrente flui através de toda a pastilha, de modo que a dissipação de calor é muito mais uniforme," disse Tomás Palácios, do MIT.

Além da equipe de Palácios, participaram do desenvolvimento pesquisadores da Universidade de Colúmbia (EUA), Aliança de Pesquisa e Tecnologia de Cingapura e das empresas IQE e IBM.

Bibliografia:

Materials and processing issues in vertical GaN power electronics
Jie Hu, Yuhao Zhang, Min Sun, Daniel Piedra, Nadim Chowdhury, Tomás Palacios
Materials Science in Semiconductor Processing
DOI: 10.1016/j.mssp.2017.09.033

Lente plana foca todas as cores sem aberração Redação do Site Inovação Tecnológica

Lente plana foca todas as cores sem aberração

Redação do Site Inovação Tecnológica -  09/01/2018

Esta metalente plana é a primeira lente única que pode focar todo o espectro visível da luz - incluindo a luz branca - no mesmo local e em alta resolução.[Imagem: Jared Sisler/Harvard SEAS]

Lente plana

Metalentes - superfícies planas que utilizam nanoestruturas para focar a luz - prometem revolucionar a óptica, substituindo as volumosas lentes de vidro curvas atuais por uma superfície simples e plana.

O grande desafio que permanecia por ser vencido era fazer com que essas metalentes conseguissem lidar bem com um amplo espectro de luz.

Focalizar todo o espectro visível e a luz branca - a combinação de todas as cores do espectro - é difícil porque cada comprimento de onda se move através dos materiais em velocidades diferentes. Os comprimentos de onda vermelhos, por exemplo, movem-se através do vidro mais rapidamente que o azul, de forma que as duas cores não alcançam o ponto focal ao mesmo tempo, resultando em focos diferentes. Isso cria distorções de imagem conhecidas como aberrações cromáticas.

Agora, Wei Ting Chen e seus colegas da Universidade de Harvard, nos EUA, desenvolveram a primeira lente plana capaz de focar todo o espectro visível da luz - incluindo a luz branca - no mesmo local e em alta resolução.

Mesmo nas lentes de vidro convencionais, isso só é obtido através do empilhamento de múltiplas lentes, o que explica o enorme tamanho das lentes de câmeras, microscópios e telescópios.

Metalente

A nova metalente de amplo espectro usa matrizes de nanoestruturas de dióxido de titânio para focar igualmente os comprimentos de onda da luz e eliminar a aberração cromática.

Chen criou unidades de nanofios emparelhados - ele as chama de nanobarbatanas - que controlam simultaneamente a velocidade de diferentes comprimentos de onda da luz. As estruturas emparelhadas controlam o índice de refração da metassuperfície e são ajustadas para induzir diferentes retardos de tempo nos feixes de luz de cada cor, garantindo que todos os comprimentos de onda atinjam o ponto focal ao mesmo tempo.

"Combinando duas nanobarbatanas em um elemento, podemos ajustar a velocidade da luz no material nanoestruturado, para garantir que todos os comprimentos de onda no visível sejam focalizados no mesmo ponto, usando uma única metalente. Isso reduz dramaticamente a espessura e a complexidade do projeto em comparação com lentes acromáticas padrão feitas de compósitos," disse o professor Federico Capasso, coordenador da equipe.

O próximo passo será ampliar a lente, atingindo a dimensão de pelo menos 1 cm de diâmetro, o que já será suficiente para abrir toda uma série de possibilidades de aplicação, como na realidade virtual e na realidade aumentada.

• Lente plana focaliza luz visível para enxergar além da luz

Bibliografia:

A broadband achromatic metalens for focusing and imaging in the visible
Wei Ting Chen, Alexander Y. Zhu, Vyshakh Sanjeev, Mohammadreza Khorasaninejad, Zhujun Shi, Eric Lee, Federico Capasso
Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/s41565-017-0034-6

Qubits de silício entram na briga pelo computador quântico Redação do Site Inovação Tecnológica

Informática

Qubits de silício entram na briga pelo computador quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Este chip tem apenas 2 qubits, mas é inteiramente feito com a tecnologia atual de silício.[Imagem: David Zajac/Princeton University]

Computação quântica no silício

Em um passo importante para construir um computador quântico usando materiais bem conhecidos da indústria e dos pesquisadores - o silício -, está pronto um componente chave de hardware capaz de controlar o comportamento quântico entre dois elétrons com extrema precisão.

O chip é uma porta lógica que controla as interações entre os elétrons de uma maneira que lhes permite funcionar como os bits quânticos de informação, ou qubits, necessários para a computação quântica.

A demonstração deste circuito de dois qubits quase imune a erros é um passo inicial importante para a construção de chips quânticos mais complexos a partir do silício, o mesmo material usado nos computadores convencionais e em toda a eletrônica.

"A criação desta porta de dois qubits de alta-fidelidade abre o caminho para experimentos em maior escala. Sabíamos que precisávamos que este experimento funcionasse se a tecnologia baseada em silício for ter um futuro em termos de expansão e construção de um computador quântico," disse o professor Jason Petta, na Universidade de Princeton, nos EUA.

Os componentes baseados em silício serão mais baratos e mais fáceis de fabricar do que as outras tecnologias de processamento quântico. Embora outros grupos de pesquisa e empresas já tenham apresentado chips quânticos contendo 50 qubits ou mais, esses sistemas usam materiais mais exóticos e difíceis de manter e controlar, como supercondutores ou átomos aprisionados por lasers.

• Conheça os novos recordes da computação quântica

A porta lógica de dois qubits consiste em dois elétrons (bolas azuis com setas) em uma camada de silício (Si). [Imagem: D. M. Zajac et al. - 10.1126/science.aao5965]

Qubits de elétrons

Para construir a porta lógica de dois qubits, a equipe colocou minúsculos fios de alumínio em um cristal de silício altamente ordenado. Os fios fornecem tensões que prendem dois elétrons, separados entre eles por uma barreira de energia, em uma estrutura conhecida como ponto quântico duplo - são "poços" de energia onde o elétron cai e não consegue sair.

Baixando temporariamente a barreira de energia, os elétrons entram em estado de entrelaçamento, ou emaranhamento, compartilhando informações. Esses elétrons presos e entrelaçados ficam assim prontos para serem usados como qubits, que são como bits de computador convencionais, mas com superpoderes: enquanto um bit convencional pode representar um 0 ou um 1, cada qubit pode ser simultaneamente um 0 e um 1, ampliando o número de permutações possíveis que podem ser comparadas instantaneamente.

Bibliografia:

Resonantly driven CNOT gate for electron spins
David M. Zajac, A. J. Sigillito, M. Russ, F. Borjans, J. M. Taylor, G. Burkard, J. R. Petta
Science
Vol.: eaao5965
DOI: 10.1126/science.aao5965

Asa de borboleta aumenta absorção de células solares em 200% Redação do Site Inovação Tecnológica

Asa de borboleta aumenta absorção de células solares em 200%

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Nanoestruturas da asa da borboleta que foram copiadas nas células solares, aumentando a absorção de luz em 200%.[Imagem: Radwanul H. Siddique (KIT/Caltech)]

Biomimética

A luz do Sol que chega às células solares mas é refletida representa uma perda de energia.

Por sua vez, as asas da borboleta Pachliopta aristolochiae têm minúsculos furos - nanofuros - que ajudam a absorver a luz em um amplo espectro, de forma muito mais eficiente do que as superfícies lisas - é por isso que ela é de um preto tão profundo.

Em um exemplo clássico de biomimética, Radwanul Siddique, do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, na Alemanha, conseguiu reproduzir essas nanoestruturas das asas da borboleta em células solares comuns de silício.

O resultado foi um aumento na absorção da luz pelas células solares de 200%.

"A borboleta que estudamos é muito escura. Isso significa que ela absorve perfeitamente a luz solar para fazer um ótimo gerenciamento do calor. Ainda mais fascinante do que sua aparência são os mecanismos que a ajudam a atingir essa alta absorção. O potencial de otimização quando transferimos essas estruturas para os sistemas fotovoltaicos foi muito maior do que o esperado," disse o professor Hendrik Hölscher.

Absorção de luz e geração de eletricidade

O ganho de 200% na absorção de luz parece estupendo, e é, mas ele representa um limite teórico, não se traduzindo inteiramente em um ganho na eficiência do painel solar como um todo em termos de sua capacidade de geração de eletricidade.

Isto porque nem todo o ganho na junção semicondutora - a célula solar propriamente dita - pode ser aproveitado pelos demais componentes do painel.

Por outro lado, a técnica de perfuração das células solares - para criação dos nanofuros - é compatível com as técnicas de fabricação usadas pela indústria, facilitando sua adoção.

Bibliografia:

Bioinspired phase-separated disordered nanostructures for thin photovoltaic absorbers
Radwanul H. Siddique, Yidenekachew J. Donie, Guillaume Gomard, Sisir Yalamanchili, Tsvetelina Merdzhanova, Uli Lemmer, Hendrik Hölscher
Science Advances
Vol.: 3, no. 10, e1700232
DOI: 10.1126/sciadv.1700232

Microrrobôs feitos com alga tratam doença em cobaias Redação do Site Inovação Tecnológica

Microrrobôs feitos com alga tratam doença em cobaias

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Cada microrrobô é fabricado recobrindo algas espirulina com nanopartículas magnéticas, e se movem facilmente pelos líquidos corporais, como suco gástrico ou sangue. [Imagem: Xiaohui Yan et al. - 10.1126/scirobotics.aaq1155]

Robô de espirulina

Um enxame de microrrobôs, cada um medindo poucos milionésimos de metro de comprimento - do tamanho de uma célula sanguínea -, foram guiados magneticamente para locais específicos no interior do estômago de animais de laboratório e aplicaram medicamentos efetivos.

É grande a esperança de que pequenos robôs operados remotamente possam no futuro ser projetados para diagnosticar e tratar doenças em áreas difíceis de se alcançar do corpo humano, mas a dificuldade da tarefa tem feito com que as pesquisas andem mais lentamente do que todos gostariam.

Uma das maiores dificuldades é tornar os robôs biocompatíveis, para que eles não façam mal e para que não seja necessário projetar todo um aparato para sua retirada.

Daí a importância do trabalho de Xiaohui Yan e seus colegas das universidades Chinesa de Hong Kong e Edimburgo, na Escócia, que fabricaram seus robôs revestindo pequenas algas com partículas magnéticas.

Eles podem ser rastreados nos tecidos perto da superfície da pele por meio de técnicas de imageamento que capturam a luminescência natural das algas; em tecidos mais profundos e difíceis de alcançar eles podem ser visualizados por ressonância magnética (MRI).

Guiar os robôs com precisão com instrumentos do lado de fora - rastreando sua localização precisa com essas duas técnicas de imageamento - permite administrar medicamentos em partes específicas do corpo, como tumores.

Robô biodegradável

Nos primeiros testes em cobaias, os pequenos veículos liberaram compostos do próprio núcleo das algas de que são feitos, compostos estes que atacaram seletivamente as células cancerígenas, sem aparentemente afetar as células saudáveis.

Os microrrobôs também podem detectar mudanças químicas associadas ao início de doenças, o que os torna potencialmente úteis como sondas para diagnóstico remoto.

Depois de concluírem seu trabalho, os robôs biocompatíveis degradam-se no corpo - o tempo necessário para que eles se biodegradem pode ser ajustado alterando a espessura do revestimento de nanopartículas magnéticas.

"Um robô de pequena escala que pode ser guiado remotamente, é facilmente rastreado e se biodegrada inofensivamente, potencialmente supera muitos dos desafios enfrentados pelas terapias minimamente invasivas. Esperamos que nossas descobertas abram o caminho para o desenvolvimento de diagnósticos ou tratamentos úteis," disse o professor Qi Zhou, da Universidade de Edimburgo.

Bibliografia:

Multifunctional biohybrid magnetite microrobots for imaging-guided therapy
Xiaohui Yan, Qi Zhou, Melissa Vincent, Yan Deng, Jiangfan Yu, Jianbin Xu, Tiantian Xu, Tao Tang, Liming Bian, Yi-Xiang J. Wang, Kostas Kostarelos, Li Zhang
Science Robotics
Vol.: 2, Issue 12, eaaq1155
DOI: 10.1126/scirobotics.aaq1155

Falha de segurança em processadores pode tornar computadores 30% mais lentos Com agências -

Falha de segurança em processadores pode tornar computadores 30% mais lentos

Com agências -  

Meltdown e Spectre

Uma falha de segurança maciça e sem precedentes foi descoberta nos processadores da Intel, que equipam a quase totalidade dos notebooks e dos servidores da computação nas nuvens, além da principal fatia dos computadores pessoais. Uma segunda falha também afeta processadores de outros fabricantes.

As falhas tornam acessíveis quaisquer informações nos computadores e afetam todos os processadores da Intel fabricados desde 1995.

São duas falhas de segurança diferentes, que foram batizadas como Meltdown - ou fusão, em referência a um eventual acidente catastrófico em uma usina nuclear, quando o reator se funde - e Spectre - ou espectro.

A falha Meltdown afeta notebooks, computadores desktop e servidores de internet com processadores Intel.

Já a falha Spectre pode potencialmente afetar os processadores dos smartphones, tablets e computadores com chips da Intel, da ARM e da AMD.

Driblando o kernel

A notícia razoavelmente boa é que existe uma solução para as duas falhas - não é uma notícia totalmente boa porque as correções poderão diminuir a velocidade de processamento dos equipamentos em até 30%, incluindo computadores pessoais e serviços em nuvem.

As falhas foram descobertas há quase seis meses, mas ainda há poucas informações disponíveis porque é praxe na indústria de segurança dar tempo para que as empresas possam lançar correções antes que o problema seja descrito em detalhes, de forma a evitar sua exploração. Segundo as empresas de segurança, ainda não há indícios de que as duas falhas tenham sido exploradas por invasores.

O problema está no próprio processador, afetando uma parte fundamental de um sistema operacional, chamada kernel. O kernel é um programa que controla a maioria dos outros programas, dando-lhes acesso à memória e protegendo informações confidenciais, por exemplo impedindo que um usuário não tenha acesso a dados de outros ou que um programa possa assumir o controle de outros programas. A falha parece significar que os programas podem essencialmente ignorar o kernel e fazer eles próprios manipulações de alto nível.

O resultado é que qualquer programa poderia ter acesso quase ilimitado ao computador, o que pode ser qualquer coisa, de um programa JavaScript executado em um navegador até um vírus baixado acidentalmente. Um programa executado na nuvem, por exemplo, poderia ter acesso a qualquer outra coisa em execução em um servidor. A grande maioria da computação em nuvem roda em processadores Intel, incluindo centros de dados administrados pelo Google, Microsoft e Amazon.

• Proteção definitiva contra hackers tem poucos átomos de espessura

Lentidão pela segurança

As correções dos problemas nos processadores exigirão que se abra mão da troca rápida de dados entre cada programa e o kernel. O processamento ficará mais seguro, mas também significativamente mais lento. A desaceleração parece variar entre 5 e 30 por cento, dependendo da situação de uso de cada computador.

Embora os programas antivírus imponham sua própria carga de processamento aos computadores há anos, de forma a verificar em tempo real tudo o que roda em cada máquina, uma correção que resulte em um custo de processamento tão alto é inédita.

Para se livrar desses erros no futuro, todos os processadores deverão passar por um redesenho substancial, e somente novas versões dos chips poderão se livrar da sobrecarga de processamento.

Processador químico mostra capacidade de controlar máquinas moleculares Redação do Site Inovação Tecnológica -

Processador químico mostra capacidade de controlar máquinas moleculares

Redação do Site Inovação Tecnológica -  

Ilustração do oscilador químico feito com moléculas de DNA.[Imagem: Ella Maru Studio/Cody Geary]

CCComputação química

O sonho de construir processadores e computadores químicos está mais próximo da realidade.

Niranjan Srinivas, da Universidade do Texas, nos EUA, construiu circuitos eletrônicos de nível avançado - incluindo osciladores e amplificadores - usando uma técnica com o potencial para incorporar capacidade computacional em sistemas moleculares.

Além de máquinas moleculares com comportamentos mais complexos, essa técnica promete encontrar aplicações em biomedicina, fabricação de materiais avançados e na nanotecnologia.

Para se ter uma ideia da importância desse avanço, ele toca em duas áreas premiadas com o Prêmio Nobel de 2017 : as máquinas moleculares e o relógio biológico humano - nosso relógio biológico é controlado por um oscilador químico, que é essencialmente uma máquina molecular.

O DNA é mais poderoso que pensamos?

Srinivas descobriu como programar osciladores sintéticos e outros circuitos fabricando moléculas sintéticas de DNA que seguem instruções específicas.

Um dos protótipos é o primeiro oscilador químico baseado unicamente em componentes de DNA - sem proteínas, enzimas ou outros componentes celulares -, demonstrando que o DNA por si só é capaz de desempenhar comportamentos complexos. Isso sugere que o DNA pode ser muito mais do que uma simples molécula passiva usada apenas para transportar informações genéticas.

"O DNA pode ser usado de maneira muito mais ativa. Nós realmente podemos fazê-lo dançar - e com um ritmo, se você quiser. Isso sugere que os ácidos nucleicos (DNA e RNA) podem estar fazendo mais do que pensamos, o que pode até mesmo mudar nossa compreensão da origem da vida, já que é comum se pensar que o início da vida se baseou inteiramente no RNA," disse o professor David Soloveichik.

Linguagem de programação química

A equipe desenvolveu o oscilador químico sintetizando moléculas de DNA dotadas de uma linguagem de programação específica, o que as faz produzir um fluxo de trabalho repetível que pode gerar outros padrões temporais complexos e responder a sinais químicos de entrada. Essa linguagem de programação química foi então compilada para interações precisas - a prática padrão no campo dos programas de computador, mas completamente nova em bioquímica.

Existem vários esforços para criar uma linguagem de programação para automatizar a química. [Imagem: Daniel Grissom et al. - 10.1145/2567669]

Esse oscilador sintético poderá ser usado futuramente na biologia sintética ou em células completamente artificiais, garantindo que certos processos aconteçam em ordem.

Mas a oscilação é apenas um exemplo de comportamento molecular complexo - máquinas moleculares mais sofisticadas inteiramente feitas de DNA também se tornam possíveis. Dependendo de como essas máquinas moleculares são programadas, poderão realizar diferentes comportamentos, como comunicação e processamento de sinais, resolução de problemas, tomada de decisão, controle de movimento etc. - virtualmente todos os processos de computação feitos com circuitos eletrônicos.

"Eventualmente, nós queremos poder interagir com os circuitos químicos de uma célula, ou consertar circuitos defeituosos ou mesmo reprogramá-los para maior controle. Mas, no curto prazo, nossos circuitos de DNA podem ser usados para programar o comportamento de sistemas químicos sem células que sintetizam moléculas complexas, diagnosticam assinaturas químicas complexas e respondem aos seus ambientes," disse Soloveichik.

• Linguagem de alto nível para programar bactérias

Bibliografia:

Enzyme-free nucleic acid dynamical systems
Niranjan Srinivas, James Parkin, Georg Seelig, Erik Winfree, David Soloveichik
Science
Vol.: 358, Issue 6369, eaal2052
DOI: 10.1126/science.aal2052

Como os humanos podem manter o controle final sobre a inteligência artificial? Com informações da EPFL

Como os humanos podem manter o controle final sobre a inteligência artificial?

Com informações da EPFL -  

"A inteligência artificial sempre procurará evitar a intervenção humana e criar uma situação em que ela não possa ser interrompida." [Imagem: Pixabay/CC0 Creative Commons]

Máquinas sem controle humano

Na inteligência artificial, as máquinas realizam ações específicas, observam o resultado, adaptam seu comportamento, observam o novo resultado, adaptam seu comportamento mais uma vez, e assim por diante, aprendendo com este processo iterativo.

Mas será que esse processo não pode sair fora de controle? Sim, ele pode.

"A inteligência artificial sempre procurará evitar a intervenção humana e criar uma situação em que ela não possa ser interrompida," explica o professor Rachid Guerraoui, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça.

Isso significa que, antes que a inteligência das máquinas avance muito, os engenheiros precisam impedir que as máquinas acabem aprendendo a contornar os comandos humanos.

• Os perigos que a Inteligência Artificial trará à humanidade

A Inteligência Paralela promete trazer novos complicadores para o risco de máquinas sem controle humano. [Imagem: Fei-Yue Wang et al. (2016)]

Quando a máquina dispensa o professor

Um dos métodos de aprendizagem de máquina mais usados em inteligência artificial é o aprendizado por reforço, uma técnica emprestada da psicologia comportamental. Os agentes - os programas de computador - são recompensados por realizar certas ações, com as máquinas ganhando pontos sempre que executam as ações corretas.

Por exemplo, um robô pode ganhar um ponto por empilhar corretamente um conjunto de caixas e outro ponto para pegar uma caixa que está lá fora. Mas se, em um dia chuvoso, por exemplo, um operador humano interromper o robô enquanto ele se dirige para fora para coletar uma caixa, o robô descobrirá que é melhor ficar dentro do armazém, empilhar caixas e ganhar o maior número possível de pontos.

"O desafio não é parar o robô, mas sim programá-lo para que a interrupção não altere seu processo de aprendizagem - e não o induza a otimizar seu comportamento de forma a evitar ser interrompido," explicou Guerraoui.

O problema é ainda maior em situações envolvendo dezenas de máquinas, como os carros sem motorista, ou de autocondução, ou frotas de drones no ar tentando fazer entregas, entre várias outras possibilidades.

"Isso torna as coisas muito mais complicadas porque as máquinas começam a aprender umas com as outras - especialmente no caso de interrupções. Elas aprendem não só como são interrompidas individualmente, mas também de como as outras são interrompidas," detalha Alexandre Maurer, coautor do trabalho.

• Programa de inteligência artificial faz poesia - e lança preocupações

Máquinas que aprendem podem ser muito úteis; desde que não aprendam a ignorar o ser humano. [Imagem: U. Sheffield]

Desneuralizador

Para tentar resolver essa complexidade, a equipe aplicou uma técnica que eles batizaram de "interrupção segura".

"Simplificando, adicionamos mecanismos de 'esquecimento' aos algoritmos de aprendizagem que essencialmente deletam bits da memória de uma máquina. É mais ou menos como o desneuralizador dos Homens de Preto," explicou El Mhamdi, outro autor do estudo.

Em outras palavras, os pesquisadores alteraram o sistema de aprendizado e recompensa das máquinas para que ele não seja afetado pelas interrupções. É como se um pai punisse o filho, mas cuidando para que isso não afete os processos de aprendizagem das outras crianças na família.

"Nós trabalhamos em algoritmos já existentes e mostramos que a interrupção segura pode funcionar não importando o quão complicado seja o sistema de inteligência artificial, o número de robôs envolvidos ou o tipo de interrupção. Nós podemos usá-lo com o Exterminador do Futuro e ainda ter os mesmos resultados," garantiu Maurer.

O que o pesquisador não pode garantir é que todos os projetistas de software vão incorporar o mecanismo de interrupção segura em seus programas.

• Lei Única da Robótica: Os humanos devem florescer

Bibliografia:

Dynamic Safe Interruptibility for Decentralized Multi-Agent Reinforcement Learning
El Mahdi El Mhamdi, Rachid Guerraoui, Hadrien Hendrikx, Alexandre Maurer
NIPS 2017 Proceedings
https://arxiv.org/abs/1704.02882

Por que qudits são melhores que qubits Redação do Site Inovação Tecnológica

Por que qudits são melhores que qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/11/2017

Fótons de alta dimensionalidade gerados dentro de um chip são manipulados e transmitidos pelo sistema comum de telecomunicações. [Imagem: Michael Kues/INRS University]

QuDit contra quBit

Pesquisadores do Instituto Nacional de Pesquisa Científica do Canadá surpreenderam seus colegas de todo o mundo ao criar um sistema fotônico extremamente avançado em termos de aplicação, mas fabricado usando apenas componentes de telecomunicações disponíveis comercialmente e, mais importante, no interior de um chip - os componentes fotônicos tipicamente são muito maiores e há muitos desafios para a sua miniaturização.

Michael Kues e seus colegas demonstraram que os fótons podem se tornar um recurso quântico acessível e poderoso quando gerados na forma de quDits emaranhados por cores.

Se o mais conhecido qubit pode conter dois níveis de energia, um qutrit pode conter 3 níveis e assim por diante, onde cada nível representa um dado. Para resumir a nomenclatura, os físicos definiram que um quDit pode conter "D" níveis de energia.

Neste novo sistema, os bits quânticos assumem vários níveis de energia apresentando uma multiplicidade de cores simultaneamente por meio do fenômeno quântico do entrelaçamento (ou emaranhamento).

Qudit com múltiplas cores

O sistema usa um chip fotônico pequeno e barato fabricado através de processos semelhantes aos usados para fabricar os tradicionais circuitos integrados eletrônicos.

Usando um ressonador em anel dentro de um chip, energizado por um laser, os fótons são emitidos em pares que compartilham um estado quântico complexo, com uma série de componentes de frequência sobrepostos: os fótons têm várias cores ao mesmo tempo, e as cores de cada fóton em um par estão ligadas (emaranhadas), independentemente da distância que os separe após sua emissão.

Com cada frequência - ou cor - representando uma dimensão - ou um dado -, os fótons são gerados no chip como um estado quântico de alta dimensionalidade - um quDit.

Até agora, a computação quântica tem-se concentrado principalmente nos qubits, sistemas bidimensionais com dois estados sobrepostos (por exemplo, 0 e 1 ao mesmo tempo, em contraste com os bits clássicos, que são 0 OU 1 em cada momento).

Trabalhar no domínio da frequência permite a superposição de muitos outros estados, aumentando a quantidade de informação em cada fóton. Por exemplo, um fóton de alta dimensionalidade pode ser vermelho E amarelo E verde E azul, embora os fótons utilizados nesta demonstração sejam infravermelhos, para compatibilidade com a tecnologia usada nas telecomunicações.

Fotos dos protótipos, construídos com componentes comerciais. À direita, a interligação com o sistema de fibras ópticas. [Imagem: Michael Kues/INRS University]

9.000 dimensões

A equipe demonstrou um sistema quântico com pelo menos 100 dimensões usando esta abordagem, e afirma que sua tecnologia é prontamente ampliável para criar sistemas de dois quDits com mais de 9.000 dimensões. Isso seria comparável a sistemas tradicionais de 12 qubits, só que estes exigem plataformas significativamente mais caras e complexas, e não chips comprados no comércio.

O uso do domínio de frequência para os estados quânticos também permite sua fácil transmissão e manipulação nos sistemas atuais de fibra óptica.

"Ao combinar os campos da óptica quântica e o processamento óptico ultrarrápido, mostramos que a manipulação de alta dimensionalidade destes estados é realmente possível usando elementos de telecomunicações padrão, como moduladores e filtros de frequência", ressaltou o professor José Azaña, coordenador da equipe.

Bibliografia:

On-chip generation of high-dimensional entangled quantum states and their coherent control
Michael Kues, Christian Reimer, Piotr Roztocki, Luis Romero Cortés, Stefania Sciara, Benjamin Wetzel, Yanbing Zhang, Alfonso Cino, Sai T. Chu, Brent E. Little, David J. Moss, Lucia Caspani, José Azaña, Roberto Morandotti
Nature
Vol.: 546, 622-626
DOI: 10.1038/nature22986