Гибридные системы: Гибридная система энергоснабжения » Альтернативная энергетика. Альтернативные источники энергии. Альтернативная энергия

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

В настоящее время уже оформились три основных и конкурирующих направления видеонаблюдения. Это традиционное аналоговое CCTV, цифровые системы наблюдения IP и HDcctv. Каждое из них имеет свои преимущества, в связи с чем на их основе начинают активно внедряться гибридные системы

Минимальная конкуренция наблюдается между новыми цифровыми направлениями и традиционным CCTV. По всей видимости, апологеты цифровых систем (причем особенно это касается более зрелой IP), в основном вышедшие из ИТ-отрасли, мысленно уже «закопали» CCTV как полный технологический «отстой». Тут и чересстрочная развертка, и недостаточное разрешение, и отсутствие гибкости функций. Предвкушая скорую кончину, оба направления готовы включить в свой состав фрагменты CCTV, полагая, что таким образом будет легче захватить весь рынок видеонаблюдения, на котором пока доминирует CCTV.

Sony 960H Effio: для сторонников традиционной CCTV

Появившаяся недавно новая технология Sony – 960H Effio несколько воодушевила сторонников традиционной CCTV. Камеры этого типа позволяют обеспечить погонное разрешение, эквивалентное HD. Конечно, это не FullHD, но эксперты вещательного телевидения почти 10 лет спорят, можно ли на глаз различить изображение HD и FullHD. Во всяком случае, этот переход менее заметен, чем от SD-формата (PAL/NTSC) к HD.

В довершение надежд традиционалистов на рынке уже есть регистраторы по крайней мере трех производителей, способные без потерь записать разрешение 960H. Компания «Система СБ» предлагает полный спектр оборудования для видеонаблюдения, включая традиционное CCTV – новейшие технологии Sony 960H Effio сверхвысокого разрешения, мегапиксельные цифровые камеры и регистраторы IP и HDcctv. Есть также гибридные модели видеорегистраторов для реализации систем IP + CCTV и HDcctv + CCTV. Базовыми поставщиками этого оборудования являются широко известные южнокорейские производители Vision Hi-Tech, FlexWATCH и Comart System.

На наш взгляд, гибридность систем видеонаблюдения сегодня может сложиться в некий тренд. Это обуславливается использованием в них наилучших возможностей всех систем при одновременной минимизации расходов. Типовое CCTV, основанное на вещательных стандартах, имеет качество изображения DVD с разрешением 430–470 ТВЛ. С переходом на технологию Sony 960H качество изображения (600– 650 ТВЛ) существенно улучшится и будет практически удовлетворять любым типовым задачам наблюдения. Себестоимость оборудования, по всей видимости, существенно не вырастет, что уже доказали цены на видеокамеры Effio.

Преимущества CCTV

CCTV пока не имеет конкурентов по простоте монтажа и обслуживания, работает по принципу «включил и работай». Все оборудование полностью совместимо благодаря жесткой стандартизации. Системы обеспечивают реальное видео без задержек со стабильной кадровой частотой. Многие современные цифровые регистраторы CCTV уже обеспечивают не только удаленное наблюдение, просмотр и управление системой по сети, но и интеграцию отдельных систем в единый комплекс.

Одновременно простое использование популярной терминологии из бытового рынка в IP-наблюдении (например, терминов HD и FullHD из вещательного телевидения) только запутывает потребителя. Ведь получаемое изображение в результате нестабильности частоты кадров, рваного видеоряда и адаптивного сжатия по качеству мало похоже на вещательный оригинал.

Еще более неуклюже выглядит предложение использовать специальное оборудование (кстати, довольно дорогое) для передачи по коаксиальным кабелям CCTV цифровых пакетов с целью перехода CCTV на IP с сохранением кабельной сети. Видимо, апологетов всеобщей IP-зации испугали лозунги аналогичных апологетов HDcctv (к слову, весьма авантюрные, особенно для наших условий) использовать существующую кабельную 75-омную разводку. Подобная «сеть» с передачей одного сигнала по одному кабелю и маршрутизатором в центре этой «звезды» полностью теряет все преимущества сетевых структур, одновременно снижая скорость передачи информации относительно типовой CCTV. К тому же необходимость дополнительного оборудования увеличит и без того серьезную стоимость такой IP-системы.

На наш взгляд, более оптимальна конвергенция (сближение) существующих систем наблюдения на основе сетевых принципов. Такое сближение позволит в локальных условиях полностью использовать их достоинства, одновременно сглаживая недостатки, унифицируя передачу информации на большие расстояния по единым структурированным цифровым сетям.

По нашему мнению, в настоящее время тотальный переход на мегапиксельное наблюдение пока еще маловероятен. Это обусловлено экономическими причинами, а также низкой чувствительностью подобных камер, избыточностью объема архива, а зачастую и площади кадра, некоторыми сложностями передачи такой информации и «вечным» противоречием между качеством изображения и трафиком сети.

В этих условиях могут быть более востребованы гибридные системы, где только часть камер имеет мегапиксельное разрешение. Причем при нежестких требованиях ко времени запаздывания, к стабильности видеоряда и частоте кадров изображения можно широко применять хорошо отработанные IP-системы. Для качества изображения профессионального HDTV не обойтись без применения систем HDcctv. Для менее важных зон наблюдения можно вполне использовать типовое CCTV, тем более в формате сверхвысокого разрешения 960H Effio c погонным разрешением, эквивалентным HDTV.

СИСТЕМА СБ, ООО
123022 Москва,
Звенигородское ш., 3а
Тел.: (495) 771-6722 (многоканальный),
(499) 788-6125
Факс: (495) 771-6722
E-mail: [email protected]
www.systemasb.ru

Опубликовано: Журнал «Системы безопасности» #6, 2011
Посещений: 7339

В рубрику «Видеонаблюдение (CCTV)» | К списку рубрик  |  К списку авторов  |  К списку публикаций

Гибридные системы

Гонка частот процессоров закончилась в 2005–2006 гг. Дальнейшее увеличение производительности вычислительных систем стало осуществляться за счет повышения степени параллелизма и эффективности параллельных вычислений. Увеличение количества ядер, потоков, процессоров в системе тоже не могло быть бесконечным, и для ресурсоемких задач логичным решением стал вычислительный кластер. Именно системы, полученные путем объединения стандартных узлов в вычислительные кластеры, составляют в настоящий момент большую часть суперкомпьютерной отрасли.
Однако наращивание количества узлов в кластере приводит к увеличению доли накладных расходов и очень скоро становится неэффективным, да и попросту дорогим, как по своей первоначальной стоимости, так и по стоимости дальнейшего владения такой системой. Возрастание количества узлов все острее ставит вопросы энергоэффективности.

Графика

Распространение гибридных систем началось, пожалуй, с появления интегральных схем программируемой логики FPGA. Такие схемы позволяли разработать и самостоятельно сконфигурировать специализированное исполнительное устройство под конкретную задачу уже после его изготовления на заводе. За счет обеспечения взаимодействия такого устройства с универсальным вычислительным узлом и написания программного обеспечения, которое задействовало бы его в вычислениях, можно было добиться колоссальной эффективности гибридной системы для конкретной задачи. Теоретически можно было говорить даже об универсальности такой гибридной системы, поскольку FPGA позволяет довольно легко менять схему связей и тем самым строить различные исполнительные устройства под различные задачи. Но на практике применение гибридных систем на базе ПЛИС FPGA было связано с большой трудоемкостью разработки конфигурации ПЛИС, поэтому могло быть востребовано только для специализированных гибридных систем. Количество задач, которые могли решать такие системы, было ограничено.

Другим типом гибридной системы являются системы на базе так называемых ячеек CBEA (Cell Broadband Engine Architecture). Особенности процессоров этой архитектуры в том, что они включают универсальный блок, построенный по RISC-архитектуре POWER и предназначенный для работы операционной системы, а также восьми векторных процессоров, построенных по архитектуре SIMD, координацией работы которых занимается также универсальный блок. Совмещение ядра общего назначения с сопроцессорами, которые значительно ускоряют обработку мультимедиа и векторных вычислений, позволило найти им применение в игровых консолях и мультимедиасистемах. Но это не единственное их применение. В 2006 г. корпорация IBM выпустила блейд-сервер на базе процессоров Cell. А понастоящему архитектура стала знаменита тем, что на базе Cell был построен известный суперкомпьютер IBM «Roadrunner» – самый производительный в мире суперкомпьютер по рейтингу 2009 г. Его пиковая производительность составляла около полутора петафлопс. Но архитектура CBEA не нашла широкого распространения из-за своей проприетарности, сложности разработки программного обеспечения. Даже несмотря на то что IBM предоставила комплексную платформу разработчика, адаптация существующего ПО под архитектуру CBEA оставалась основной проблемой. К слову сказать, в современном мировом рейтинге TOP-500 присутствуют всего три суперкомпьютера, в составе которых функционируют процессоры Cell. Это IBM «Roadrunner», суперкомпьютер «Cerrillos», расположенный в той же, что и «Roadrunner», Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, и суперкомпьютер «Ломоносов» Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Причем «Ломоносов» содержит всего 30 узлов на базе процессоров Cell, в то время как гибридных узлов на базе графических процессоров в нем больше тысячи.

Названные виды гибридных систем в настоящий момент востребованы в узких областях. Понастоящему универсальным и наиболее популярным типом гибридных систем являются системы на базе графических процессоров. Идея использования графических процессоров для решения не графических задач (GPGPU – General Purpose GPU) долгое время лежала на поверхности и практически не реализовывалась. Использование графических процессоров в вычислениях требовало формулирования алгоритма в «шейдерных» терминах, что было очень неудобно и трудоемко. Поэтому бурное развитие подход построения гибридных систем на базе GPU получил только после февраля 2007 г., когда компанией NVIDIA была представлена первая версия CUDA SDK.

Графический процессор представляет собой SIMD-вычислитель с большим количеством ядер (оно превышает 2500) и общей памятью. При использовании его в качестве сопроцессора с CPU можно добиться значительного повышения производительности такой гибридной системы на задачах, хорошо поддающихся распараллеливанию. CPU взаимодействует с GPU по стандартной шине PCI-е. Существует вариант размещения GPU в отдельном независимом конструктиве с подключением к серверу посредством PCI-e-кабелей. Таким образом, практически любой стандартный сервер может быть легко превращен в маленький суперкомпьютер. К примеру, подключение к стандартному двухпроцессорному серверу двух модулей с GPU по 4 GPU в каждом повышает его пиковую производительность с 200–300 гигафлопс до более чем 5 Тфлопс в двойной точности. Очевидно, простота аппаратной реализации идеи и хорошее сопровождение CUDA SDK и есть причина популярности такого подхода к построению гибридных вычислительных систем.

Отдельно стоит сказать о программном обеспечении. Большинство коммерческих программных пакетов, требующих ресурсоемких вычислений, уже поддерживают GPU. Из наиболее известных можно назвать САПР: CATIA, ANSYS, Abaqus; математические пакеты MATLAB, Mathematica; графические пакеты Adobe Premiere Pro, Autodesk Maya; огромное количество пакетов для научных расчетов. И этот список постоянно пополняется. Если речь идет о самостоятельной реализации тех или иных алгоритмов для исполнения на гибридных платформах на базе GPU, можно использовать компилятор Си, входящий в состав CUDA SDK. Доступны также Fortran – классический язык для реализации параллельных алгоритмов, Pascal – скорее в учебных целях. Если код уже написан под классическую вычислительную систему, существует возможность оперативно адаптировать код для работы на гибридной системе с помощью специальных директив стандарта OpenACC. Для этого необходимо лишь отметить части кода, которые следует выполнять на GPU, пометить общие и индивидуальные для потока переменные. Такой вариант позволит быстро оценить степень его ускорения при переходе на гибридную систему.

Гибридная эффективность

Говорить об ускорении приложений удобно на примерах. Например, моделирование жизни молекул протеина, проведенное в программном пакете Amber, позволяет на классической системе с четырехъядерным процессором оценить 80 наносекунд жизни молекулы в день. Подключение к этой вычислительной системе всего одного GPU NVIDIA Tesla С2075 улучшает результат до 367 наносекунд в день. Подключение GPU к такой же системе при моделировании потоков масла в двигателе внутреннего сгорания с помощью ПО Promеtech уменьшает время моделирования с восьми дней до одного. Приведенные примеры не настолько ресурсоемкие, но уже здесь заметно значительное ускорение приложений.

На этих же примерах можно показать соотношение прироста производительности и прироста энергопотребления системы. Если считать, что сервер стандартной архитектуры потребляет около 600 Вт, возрастание энергопотребления составит около 30% (потребление GPU – 225 Вт), а производительность при этом повысится в четыревосемь раз. И эти цифры растут с усложнением задачи и увеличением требуемой производительности вычислительной системы. NVIDIA приводит оценку, сделанную для одного из проектов по построению платформы для обработки сейсмических данных. Переход с вычислительного кластера производительностью порядка 70 Тфлопс на узлах стандартной архитектуры на аналогичный по производительности гибридный вычислительный кластер на базе GPU приводит к снижению требований к месту для размещения оборудования в 31 раз, к электрической мощности ? в 27 раз. При этом стоимость системы уменьшается в 20 раз.

Все приведенные примеры были сделаны на GPU семейства Fermi; приходящее ему на смену семейство Kepler демонстрирует еще более высокие показатели энергоэффективности. При том же энергопотреблении модуль Tesla K10 на базе Kepler на одинарной точности в 4,5 раза производительнее, чем Tesla на базе Fermi. А GPU Tesla K20 и Tesla K20x, представленные 12 ноября на конференции SC’12 в Солт-Лейк-Сити, дают на реальных задачах прирост производительности по сравнению с Fermi до 3-х раз уже на двойной точности.

Несмотря на то что отношение производительности к энергопотреблению для гибридных систем много лучше, чем для классических, при построении высокопроизводительных систем абсолютное энергопотребление часто является сдерживающим фактором. Современные конструкции серверов позволяют разместить до 4 GPU и 2 CPU в стандартном корпусе высотой 1 RU, такая плотность обеспечивает возможность построить систему производительностью более 770 Тфлопс (в одинарной точности) в стандартном монтажном шкафу высотой 42 RU, но потреблять данная система будет около 75 кВт. Отвод тепловой мощности от монтажного шкафа, как правило, достаточно проблематичен. И дело даже не в мощности, потребляемой серверами, как таковой, а в необходимости обеспечить требуемый поток воздуха для ее отвода. Охлаждение оборудования при столь высокой плотности осуществляется обычно путем использования закрытых монтажных конструктивов, объединенных с блоками кондиционеров для образования изолированного воздушного контура (шкаф с закрытой архитектурой охлаждения). При таком решении крайне важно учитывать расход воздуха системы охлаждения вычислительных узлов. В приведенном примере производительность вентиляторов сервера равна приблизительно 300 CFM, что при пересчете дает более 21 тыс. м3/ч на всю систему. Обеспечить такой воздушный поток в условиях ЦОД практически невозможно. Вероятно, проблема может быть решена с помощью систем непосредственного жидкостного охлаждения или каких-то других жидкостных систем, но подобные решения пока дороги (практически сводят на нет все стоимостные преимущества, заложенные в решения самой вычислительной платформы), возникает масса вопросов по их обслуживанию, надежности их самих и охлаждаемых компонентов. Да и востребуется заказчиками такая экстремальная плотность крайне редко.

Отдельно следует упомянуть еще один важный компонент, позволяющий повысить эффективность использования гибридного вычислительного кластера, – специализированную систему управления и мониторинга. Такие системы дают возможность организовать единый командный и графический интерфейс для управления и мониторинга узлов, провижининга ОС на вычислительные узлы кластера, параллельно решать административные задачи на нескольких узлах сразу, управлять конфигурацией и осуществлять контроль над системой управления заданиями, управлять учетными записями пользователей. Они обеспечивают мониторинг состояния и загрузки CPU и GPU, позволяют при необходимости перераспределять задачи или выводить из работы простаивающие узлы в целях экономии электроэнергии и ресурсов системы охлаждения.

Обобщая сказанное, можно утверждать, что современный суперкомпьютер, построенный с учетом требований энергоэффективности, простоты адаптации или разработки программного обеспечения и оптимальный по соотношению стоимость/производительность, – это гибридный вычислительный кластер на графических процессорах, спроектированный из расчета использования с воздушными климатическими системами. Дополнительного эффекта можно достичь путем разделения CPU- и GPU-частей по отдельным конструктивам, что даст возможность не только существенно снизить взаимовлияние частей при проведении регламентных работ и защитить инвестиции при модернизации системы, но и максимально гибко подойти к распределению оборудования внутри монтажного шкафа, обеспечив тем самым оптимальное распределение тепловых зон и повысив эффективность отвода тепла. Существующие на рынке решения позволяют, исходя из этих требований, построить систему производительностью до 300 Тфлопс в одинарной точности или более 64 Тфлопс в двойной точности в пределах одного монтажного шкафа. Это уже результат, позволяющий попасть в рейтинг ТОР-50 суперкомпьютеров СНГ.

Предыдущая новость:
Системность телекома Следующая новость:
Какой ЦОД нужен оператору связи

Электрический гибрид Toyota | Toyota Эстония

Предложение действительно до 30.06.2021 или пока автомобили есть в наличии. Рекомендуемая розничная цена. Для получения конкретного предложения, пожалуйста, обращайтесь в представительство Toyota.

10-летняя гарантия гибридного аккумулятора распространяется на все новые гибридные модели Toyota.

Пример расчета ежемесячного платежа:
Поставщики лизинговой услуги Toyota: Luminor Liising AS, Swedbank Liising AS и эстонский филиал SIA Citadele Leasing.
Пример калькуляции составлен Swedbank Liising AS. Ознакомьтесь с условиями и обратитесь за консультацией. Ставка затратности кредита составляет 2,84% при следующих показательных условиях, стоимость имущества 19 100 € c НСО, первый взнос 15%, остаточная стоимость 30%, пробег 20000 км в год,период кредита – 5 лет, количество возвратных платежей – 60, плата за договор 225 €, незафиксированная процентная ставка 2,29% в год + Euribor за 6 месяцев (29.12.2019 Euribor за 6 месяцев составлял -0,325% Зафиксированная в договоре ставка Euribor может меняться через каждые 6 месяцев. При отрицательном значении ставка Euribor считается равной нулю), сумма возвратных платежей 14 647.15 €, общая сумма выплачиваемого кредита 14 705.71 €. Предложение является индикативным и может отличаться от окончательных условий.

Пример калькуляции составлен Swedbank Liising AS. Ознакомьтесь с условиями и обратитесь за консультацией. Ставка затратности кредита составляет 2,27% при следующих показательных условиях, стоимость имущества 23 400 € c НСО, первый взнос 15%, остаточная стоимость 32%, период кредита – 5 лет, плата за договор 195€, незафиксированная процентная ставка 1,89% в год + Euribor за 6 месяцев (17.12.2020 Euribor за 6 месяцев составлял –0,518%. Зафиксированная в договоре ставка Euribor может меняться через каждые 6 месяцев. При отрицательном значении ставка Euribor считается равной нулю), сумма возвратных платежей 17197.26€, общая сумма выплачиваемого кредита 17255. 82€. Предложение является индикативным и может отличаться от окончательных условий.

Что такое гибридная СХД? | Pure Storage

Сравнение all-flash массивов Pure и гибридных флэш-массивов

На корпоративном уровне преимущества упомянутых вариантов хранения данных можно вертикально масштабировать и определить как «массив». Применимы многие принципы, упомянутые для приложений систем хранения данных выше. Подведем итоги:

В all-flash массивах  для хранения данных применяются энергонезависимые SSD, в которых используется только флэш-память. Не имея движущихся частей и перемещаемых данных, зависящих от перебоев электропитания, они обеспечивают наилучшую производительность центра обработки данных организации. 

Если раньше ИТ-менеджеров, возможно, волновала стоимость использования all-flash системы, то сейчас цены на высокопроизводительные SSD стабильно снижаются. Взамен вы получаете уменьшенный форм-фактор, более быстрый доступ к данным и важным для сотрудников приложениям, в то же время производя меньше тепла и потребляя меньше электроэнергии.  

В гибридных флэш-массивах  используется сочетание HDD и SSD для повышения производительности по сравнению с традиционным массивом HDD. Добавление небольшого количества SSD для создания гибридного массива СХД позволит увеличить производительность по сравнению с использованием только HDD. SSD служат для перемещения часто используемых данных в более быструю флэш-память. 

«Слабыми» местами гибридной СХД являются скорость доступа и задержка, а также риски, связанные с безопасностью, соблюдением требований и возможностью перемещения данных. Нет никакого другого решения с той же производительностью, которую обеспечивает all-flash массив.

Предлагаемое решение Pure Storage® ниже по затратам, выше по производительности, ёмкости и гибкости по сравнению с гибридной СХД и СХД на HDD. All-flash массивы (AFA) не только коренным образом изменили рынок СХД, благодаря консолидации и гибкости, характерным для облаков, но и стали наиболее выгодным предложением в экономическом отношении.  Ознакомьтесь с FlashArray//C  и узнайте, как Pure обеспечивает финансовые показатели, типичные для гибридных решений, и производительность уровня SSD.

Гибридные системы теплоснабжения и smart-управление

Комбинированные системы теплоснабжения все более завоевывают признание на рынке Европы. Такие системы сочетают в себе энергоэффективность и экологичность, а слаженной работы компонентов системы и достижения в автоматическом режиме необходимого климатического комфорта для пользователя помогает добиться единое электронное управление, осуществляющее контроль за всеми звеньями.

В. С.: По моему мнению, при выборе в пользу гибридных систем теплоснабжения пользователи в первую очередь стремятся к экономии традиционных (невозобновляемых) источников энергии: газа, электричества, жидкого топлива и т.д. Наиболее выгодными и эффективными подобные решения становятся, когда в них задействова- на гелиосистема или тепловой насос, использующие для работы солнечную и тепловую энергии из окружающей среды. Отметим, что в случае нехватки мощности и невозможности достижения заданных параметров с помощью только возобновляемого источника выход на режим осуществляется путем активации традиционного источника теплоснабжения (газовый/электрокотел и т.п.). Это позволяет не только обеспечить высокую эффективность установки, но и ее независимость от внешних погодных условий: например, наличия или отсутствие солнечного излучения, температуры воздуха и т.д. Основные преимущества гибридных систем заключаются в экономии традиционных энергоресурсов, что отмечалось выше, это не только сокращает затраты на них, но и способствует сохранению их запасов в природе. Кроме того, можно создать систему, работающую полностью автономно и не требующую постоянного контроля со стороны потребителя. Положительным образом смешанные системы отопления влияют и на окружающую среду: будучи экологичными, они почти не выделяют вредные вещества в атмосферу (некоторые устройства имеют нулевое значение вредных выбросов).

И. К.: Гибридные системы теплоснабжения – это комплексные решения по обеспечению необходимых потребностей в тепле для систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и охлаждения, подразумевающие использование нескольких энергоносителей в одном или нескольких теплогенераторах. Преимуществом использования нескольких энергоносителей является возможность существенного снижения затрат на отопление ввиду изначально различной стоимости энергоносителей. Кроме того, гибридные установки значительно повышают отказоустойчивость системы – при отказе одного теплогенератора или перебоях подачи одного из энергоносителей всегда остается второй, выполняющий в данный момент функцию резервного. Для примера, в 2015 г. компания Viessmann вывела на рынок гибридный котел на жидком топливе Vitolacaldens 222-F, который в едином корпусе объединяет жидкотопливный конденсационный настенный котел мощностью 23 кВт, воздушно-водяной сплит тепловой насос мощностью до 10 кВт и емкостной водонагреватель для приготовления ГВС. В типичной ситуации основные нагрузки покрываются работой теплового на- соса и, соответственно, малозатратны для потребителя, эксплуатирующего установку в пиковых режимах, при недостатке мощности на отопление или приготовление ГВС, автоматически подключается жидкотопливный котел. А так как эффективность теплового насоса зависит от многих факторов, то контроллер наделен возможностью самостоятельно оценивать стоимость 1 кВт тепла, выработанного за счет одного или другого источника, и выбирать наиболее недорогой вариант, все, что необходимо для этого, – заложить стоимость 1 кВт электроэнергии и 1 л дизельного топлива. Аналогичные решения есть и с газовыми котлами.

А. К.: В принципе под гибридной системой отопления понимается любая комбинация разных источников тепла. Но специалисты по энергосберегающим технологиям трактуют гибрид, уже подразумевая обязательное участие теплового насоса или гелиоустановки, а также и двух этих элементов. Смысл инсталляции любой гибридной системы понятен: во-первых, это оптимизация эксплуатационных расходов, во-вторых, такая система более устойчива, потому что отопительные приборы подстраховывают друг друга, и, если один выйдет из строя, в работу сразу же включается другой. Строго говоря, любую бивалентную систему можно считать гибридной. Например, заводская комплектация геотермального теплового насоса (ТН) предусматривает электронагревательный элемент. В ТН «воздух–вода» ТЭН устанавливается в смарт-баке, размещенном внутри здания.

Я. К.: В современных условиях жизни все больше возрастает интерес к возобновляемым и экологичным источникам энергии, например, к солнечному излучению. Использовать эту абсолютно бесплатную энергию для покрытия нужд теплоснабжения и позволяют гибридные системы. Они состоят из двух и более независимых источников теплогенерации, одним из которых является тепловой насос или солнечная установка, а в качестве дополнительного источника энергии могут использоваться «классические» теплогенераторы, например, газовый или жидкотопливный котел. Как уже сказано, это позволяет не только существенно снизить потребление традиционных энергоресурсов (а значит, и себестоимость получаемого тепла, повысив экологичность отопления), но и повысить надежность эксплуатации системы отопления благодаря дублированию теплогенераторов. Кроме того, гибридные системы (и, в частности, тепловые насосы) идеальны для использования в низкотемпературных системах отопления, которые набирают все большую и большую популярность. A-T: Каковы необходимые компоненты гибридных систем теплоснабжения, насколько они зависят от условий реализации проекта?

В. С.: Самый очевидный и первоочередной компонент гибридных систем – устройство для получения бесплатной возобновляемой энергии. Это могут быть солнечные коллекторы(вакуумные или плоские), а также тепловые насосы типа «воздух–вода», возможно использование и того, и другого. Помимо этого, необходимо позаботиться о резервном устройстве, способном «подстраховать» или даже заменить основной источник энергии в случае неблагоприятных погодных условий или при проведении профилактических работ. Еще один неотъемлемый компонент, «мозг» системы – smart-управление, координирующее функционирование всего комплекса теплоснабжения. В зависимости от условий реализации проекта, а именно от региона использования (юг, север), условий эксплуатации (сезонность, доступность определенного вида энергоресурсов и т.п.), можно применять различные компоненты (тепловые насосы, солнечные коллекторы, газовые конденсационные котлы) и их комбинации для достижения заданных параметров производительности, экономичности и экологичности системы.

А. Е.: Необходимыми компонентами гибридных систем теплоснабжения являются различные генераторы тепла (солнечные коллекторы, тепловые насосы, твердотопливные котлы, вентиляционные и когенерационные установки), соответственно, и использование того или иного гибрида будет зависеть от многообразия факторов (среднегодовая температура, солнечная активность, наличие газа, электричества, водоема (например, для использования теплового насоса BWW (вода/вода)) и т. д.

О. А.: Одной их основных задач гибридных систем является обеспечение эффективного использования энергии в течение всего года. Один и тот же источник энергии не может быть эффективен круглый год, поэтому на этапе проектирования разрабатываются комбинированные решения с возможностью использования разных источников энергии в зависимости от фактической эффективности в конкретный период. Например, система отопления с тепловым насосом и дизельным котлом для покрытия пиковых нагрузок; тепловой насос, конденсационный котел и солнечные панели. Экономические и энергетические характеристики таких систем существенно зависят от параметров теплопотребления (программа работы отопительных контуров и температурный график). Отличительной особенностью гибридных систем являются, как правило, более низкие по сравнению с традиционными системами оптимальные значения температуры теплоносителя в подающей и обратной магистралях тепловой сети (70/50…. 40/30).

И. К.: Универсального комплекта для гибридных систем теплоснабжения не существует. Возведение подобных систем всегда индивидуально и зависит от конкретной ситуации заказчика. Конечно, можно привести наиболее типичные примеры. Например, у заказчика отсутствует доступ к дешевому энергоносителю – магистральному природному газу. Он может использовать другие энергоносители – сжиженный газ, жидкое топливо, электроэнергию, дрова. У всех из них есть свои недостатки. Дизельное топливо – в чистом виде очень дорого, сжиженный газ – значительно дешевле, но могут быть трудности с доставкой. Электроэнергия – наиболее дорогой энергоноситель, и могут существовать ограничения на установленную мощность. Дрова – дешевы, легкодоступны, но при их использовании существуют трудности с автоматизацией процесса работы. Описанная ситуация встречается нередко. Решением в таком случае может стать гибридная система теплоснабжения на основе теплового насоса (источник низкопотенциального тепла в данном контексте не важен) и твердотопливного дровяного котла. Основную нагрузку в моменты пребывания людей покрывает твердотопливный котел длительного горения, но требующий ручной закладки. Работа теплового насоса полностью автоматизирована и позволяет контролировать работу дровяного котла. В моменты отсутствия жильцов автоматически включается тепловой насос и поддерживает работу систем отопления и ГВС в экономичном режиме с минимальными затратами электроэнергии. Кроме того, ввиду отсутствия жильцов собственное потребление электроэнергии домом минимально, что позволяет вписаться в установленный лимит электропотребления. При ручном розжиге дровя- ного котла тепловой насос автоматически отключается, но его автоматика продолжает контролировать все процессы теплоснабжения.

А. К.: Компоненты гибридной системы подбираются, исходя не только из пожеланий заказчика, но и из особенностей объекта. Например, если технологический цикл предприятия предусматривает сброс теплой воды или для отопления используется тепло сточных вод «Водоканала», то ставить грунтовый тепловой насос очень выгодно. Также дом у озера весьма целесообразно обогревать тепловым насосом. Вообще гибридная система подразумевает 2 и более источника тепла. Прекрасные результаты дает использование тандема ТН + гелиоустановка. Энергия Солнца достается вообще бесплатно! Оборудование же вполне доступно по цене. Другое дело, если речь идет об уже установленном оборудовании и введенной в эксплуатацию системе отопления, к которой нужно присоединить еще один источник тепла. Например, около 15-ти лет назад многие частные коттеджи оборудовались дизельными котлами. Это довольно эффективные и практически «неубиваемые» установки. Однако сейчас изменилась стоимость топлива, и эксплуатация такого теплогенератора обходится в круглую сумму. Не говоря уже о хлопотах, связанных с доставкой и хранением топлива, и о выбросах в атмосферу. Сегодня, когда энергосберегающее оборудование стало довольно популярным, особенно среди собственников загородного жилья – людей, активных и искренне заинтересованных в снижении затрат, наметилась тенденция дооборудования уже существующих систем тепловыми насосами. Если это «воздушный» тепловой насос, его несложно установить и подключить к системе отопления. Хороший вариант и с камином. Камин – это красиво, солидно, уютно. Эффективность современных каминов NIBE приближается к показателям пиролизных котлов. А если камин интегрирован в гибридную систему, вся теплота, выделяемая при сгорании дров, поступит в систему отопления. Здесь мы плавно подошли если не к обязательному, то крайне желательному элементу гибридной системы. Это теплонакопитель, по сути термос, аккумулирующий излишки тепла во время избыточной или экономически целесообразной генерации – ведь мы говорим об экономии как о предназначении гибридной установки. С помощью теплонакопителя система отопления становится более эффективной, что и обеспечивает экономию. Кроме того, отличным «компаньоном» теплового насоса является водонагреватель косвенного нагрева. Здесь мы уже переходим в плоскость ГВС. «Косвенник» – это дополнительное оборудование, которое можно подсоединить к любому источнику тепла, и тогда в гибридной системе стоимость ГВС стремится к нулю. A-T: Является ли smart- управление неотъемлемой частью гибридных систем теплоснабжения, и какие преимущества smart- управление обеспечивает пользователю?

В. С.: На мой взгляд, однозначно да. Ведь именно за счет smart-управления активируется и контролируется работа оптимального источника энергии гибридной системы относительно внешних условий, ее состояния и заданных параме- тров. Без интеллектуального управления невозможно эффективно и в то же время гибко регулировать систему, ведь она основывается на реальных показаниях датчиков, а не на встроенных графиках, не учитывающих условия конкретно взятого объекта теплоснабжения. Когда в проекте используется smart-управление, необходимо только задать первоначальные настройки, а дальше интеллектуальная автоматика будет автоматически их поддерживать. К важнейшим преимуществам smart-управления можно отнести их способность в целом повысить эффективность работы всей системы, автоматизировать ее по заранее заданным параметрам, снизить затраты на традиционные энергоресурсы при наличии активных возобновляемых источников энергии. Также необходимо отметить удобство интеграции в систему «умный дом».

А. К.: Smart-контроллер отвечает за переключение системы с одного источника тепла на другой. Ежесекундно обрабатывая несколько вводных, именно контроллер выбирает самый экономичный источник тепла. Система выстраивает логику: сначала используется тепловая энергия от самого дешевого источника. Например, в доме есть камин. Значит, если он работает, его тепло пойдет в систему, если нет, контроллер выберет другой прибор и при необходимости включит догрев. Наиболее продвинутые системы постоянно отслеживают несколько параметров и решают, что дешевле использовать при текущей температуре на улице: газовый котел или тепловой насос? А может быть, надо быстро нагреть дом газом, а потом поддерживать климат «воздушным» тепловым насосом? Эти вопросы решает smart-управление. В современном оборудовании NIBE используется встроенный «умный контроллер». Он самостоятельно выходит в Интернет и узнает тарифы на энергоносители, актуальные для данного времени суток. Отдельно хотелось бы сказать о функции Uplink, позволяющей хозяину дистанционно управлять всей системой отопления, получать от нее сервисные и экстренные сообщения, вести статистику и архив, предоставлять сервисным службам удаленный доступ к прибору. Это уже шаг в «Интернет вещей», технологии завтрашнего дня, внедренные сегодня.

О. А.: Современные системы управления, например Buderus NSC (New System Control) и Logamatic 4000, отслеживают и самостоятельно оптимизируют уровень потребления энергии. Их применение позволяет дифференцированно задавать температуры в контролируемых помещениях, добиваясь тем самым наивысшего уровня комфорта и экономичности всей системы. С их помощью стало возможным увязать в одну систему источники тепла, работающие на разных видах топлива. Сейчас этим никого не удивишь, потребитель получает возможность дистанционного контроля и управления системой отопления с помощью мобильного устройства – телефона или планшета.

А. Е.: Гибридные системы WOLF способны управляться с одного модуля BM-2.

И. К.: Как видно из приведенных примеров, для полноценного функционирования гибридных систем и получения от них максимального экономического эффекта необходима тотальная автоматизация всех процессов: от выбора источника тепла, а значит и энергоносителя, и, как минимум, до регулирования температур воздуха в помещениях и управления через Интернет. Только проведение комплексных мероприятий позволяет добиться экономичной работы подобных систем, иначе что-то будет включаться в работу, когда этого не должно было произойти, или не в тот момент или регулировать не то, что надо. Более того, комплексный подход к автоматизации теплоснабжения полезен даже в простых котельных, ведь гибкие возможности по настройке циклов работы оборудования, регулированию температур воздуха помещений позволяют добиться значительной экономии. Хочу обратить внимание, что подобного уровня автоматизации бояться не стоит – крупные производители, такие как Viessmann, уделяют много внимания вопросам функциональной насыщенности своих решений и доступности интерфейса для простого пользователя, при этом надежность таких систем можно описать как высочайшую. Предлагаемые компанией Viessmann контроллеры Vitotronic отвечают всем этим критериям. Современным трендом стало предоставление для пользователя всех этих возможностей по управлению и контролю над установкой через Интернет. A-T: Какие проекты систем гибридного теплоснабжения предлагает Ваша компания?

В. С.: Компания «Аристон» предлагает гибридные системы «конденсационный газовый котел + тепловой насос «воздух–вода» или гелиосистема (возможно применение как вакуумных, так и плоских солнечных коллекторов)» или их комбинацию. Управление всей системой осуществляется с помощью унифицированной системы контроля на базе системного интерфейса SENSYS, обмен данными между устройствами – единой шины Bus Bridge Net. Система предусматривает возможность проведения разнообразных настроек, учитывающих все требования потребителя и условия эксплуатации, т.е. гибкое регулирование, накопление статистических данных о работе установки (каждый источник энергии учитывается отдельно), продолжительность использования энергии, расчет «сэкономленного» выброса СО2 в атмосферу. На функциональном матричном дисплее SENSYS отображается графическая схема установки с маркерами температуры, журнал неисправности. Он также сигнализирует о возникновении аварийной ситуации.

И. К.: Компания Viessmann заслуженно считается одним из лидеров рынка отопительной техники и инноватором в разработке новых генерирующих решений. Наша производственная линейка позволяет дополнить оборудование для решения практически любой задачи, будь то традиционные или конденсационные газовые и жидкотопливные котлы, тепловые насосы, солнечные коллекторы, системы вентиляции с рекуперацией тепла, автономные теплоэлектростанции, биогазовые установки, все, что связано с приготовлением ГВС, системы управления и диспетчеризации. Все это оборудование от одного производителя и может включаться в гибридные системы теплоснабжения с идеально согласованными характеристиками и гибкими возможностями управления.

О. А.: Поставляемое компанией «Бош Термотехника» оборудование позволяет реализовывать проекты любой сложности. К примеру, проект, где система отопления реализована на базе воздушного теплового насоса, приготовление горячей воды осуществляется плоскими солнечными коллекторами, а для покрытия пиковых нагрузок (либо при достижении на улице температуры ниже -15 °С) применен конденсационный котел, работающий на сжиженном газе. Управление осуществляется через автоматику NSC. В другом случае в качестве «локомотива» системы отопления выступает твердотопливный пиролизный котел. Приготовление горячей воды осуществляется плоскими солнечными коллекторами, а в качестве альтернативного теплогенератора выбран дизельный котел.

А. К.: ЭВАН – это российский производитель электрического и твердотопливного теплового оборудования, входящий в шведский концерн NIBE. К сожалению, энергосберегающее оборудование пока в России не производится. Наше преимущество состоит в том, что мы можем предложить любой набор элементов для организации гибридной системы. Модульная схема хороша тем, что обеспечивает свободу маневра, гибкость инженерных решений в зависимости от требований заказчика. Сейчас компания реализует акцию для владельцев дизельных котельных: понимая, что топливо существенно подорожало, мы подготовили специальное предложение, и я уверен, что оно будет весьма популярно.

А. Е.: Основные гибридные установки: котел–солнечный коллектор, котел-рекуперативная вентиляция, котел–тепловой насос и т.д. Вентиляционная установка с рекуператором тепла идеально сочетается со всеми этими вариантами гибридных систем.

Я. К.: Компания De Dietrich предлагает несколько вариантов гибридных систем теплоснабжения в зависимости от нужд потребителя. Если в первую очередь необходимо обеспечение ГВС (например, в загородном доме), то оптимальным будет использование установки на базе плоских (Inisol DB 200H) или вакуумных (Dietrisol Power 10/15) солнечных коллекторов. В состав такой установки, помимо коллекторов, входит оборудованный всем необходимым и полностью смонтированный водонагреватель емкостью от 200 до 500 л, специально предназначенный для совместного использования с котлом любого типа. Что касается установок с тепловыми насосами, то в линейке оборудования De Dietrich представлены несколько моделей типа «воздух–вода» , например, реверсивный насос HPI Evolution мощностью от 3,7 до 24,4 кВт. Он выделяется благодаря своей высокой производительности (коэффициент преобразования до 4,27), а в результате использования компрессора с системой модуляции позволяет поддерживать температуру с точностью до градуса. Реверсивный режим обеспечивает как охлаждение, так и кондиционирование (с помощью фанкойлов с дополнительной теплоизоляцией) воздуха в летний период, а инверторная система модулирует мощность в зависимости от потребности в тепле и экономит до 30 % энергии по сравнению с классическим тепловым насосом. Так же, благодаря панели управления Diematic iSystem с программируемой погодозависимой системой регулирования, стало возможным объединение от 2-х до 10-ти тепловых насосов в единую каскадную установку и существенное увеличение мощности системы теплоснабжения. A-T: Каковы возможные сроки окупаемости гибридных систем?

В. С.: Сроки окупаемости гибридных систем, когда они только появились в России, были не столь значительны, поэтому не рождали большого спроса. Их популярности не способствовали и низкие тарифы на традиционное топливо и высокие цены на инновационное оборудование. В настоящее время, в связи с постоянным ростом стоимости энергоносителей и параллельным удешевлением производства возобновляемых источников энергии, а также ухудшением экологической обстановки, ситуация с окупаемостью меняется к лучшему. Особенно хорошо гибридные системы проявляют себя в экологически чистых районах, где при очень высоких тарифах и наличии лимитов на количество использованной энергии графики активности источников возобновляемой энергии и ее потребления совпадают. Здесь сроки окупаемости могут составлять всего лишь несколько лет. Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что гибридные системы на основе возобновляемых источников энергии с использованием smart-технологий управления являются одним из самых перспективных решений для теплоснабжения современного дома.

А. Е.: Срок окупаемости также зависит от ряда факторов, влияющих на него, таких как: наличие вблизи объекта энергоносителей (газа/электричества), среднегодовой температуры, солнечной активности и т.д. В среднем при отсутствии газа срок окупаемости от 3-х до 5-ти лет, а при наличии газа – 8–10 лет. Большой срок окупаемости, соответственно, связан с низкой стоимостью газа.

А. К.: Наиболее востребованы те системы, которые окупятся в течение 2–5 лет. Это совершенно реальные цифры. Конечно, сначала это были расчеты. Но когда компания «ЭВАН» предложила их компании «Лукойл», они сами пересчитали, несколько раз проверили и приняли решение об установке энергосберегающего оборудования. Проект стартовал как раз четыре года назад. Некоторые объекты уже окупились, другие на практике подтверждают экономическое обоснование. Поэтому сейчас уже можно говорить о ясных, доказуемых сроках окупаемости, и я уверен, что гибридные системы будут набирать популярность.

И. К.: Окупаемость гибридных систем – сложный вопрос, потому что многое зависит от частной ситуации. Но когда при организации теплоснабжения нет доступа к дешевому энергоносителю, срок окупаемости гибридных «сложных» систем не так велик, как может показаться на первый взгляд, ведь и получаемый эффект велик. Как правило, срок окупаемости составляет 2–7 лет. Разброс большой, но в любом случае цифра актуальна и для частного домовладения, особенно учитывая, что подобный комплексный подход позволяет получить не только экономичность, но и безупречный комфорт теплоснабжения.

О. А.: За счет значительной экономии эксплуатационных расходов эти системы способны себя окупать. Они достаточно надежны и просты в управлении. При этом объекты, где они установлены, должны обладать высокой степенью теплоизоляции, компактными строительными элементами, пассивным использованием солнечной энергии (благодаря ориентации основного остекления на юг). Срок окупаемости оборудования зависит от многих факторов. Это в первую очередь экономически обоснованный состав гибридной системы, далее – грамотный монтаж и пусконаладочные работы, безусловное выполнение планового сервисного обслуживания. В последние годы наблюдается устойчивая во времени тенденция снижения стоимости нетрадиционных возобновляемых источников энергии, обусловленная научными достижениями в совершенствовании методов их использования, и тенденция повышения стоимости традиционных ископаемых источников энергии, обусловленная их истощением и усложнением технологии добычи. И это является дополнительным стимулом в пользу выбора гибридных систем теплоснабжения.

Гибридные динамические системы | Издательство Принстонского университета

Гибридные динамические системы демонстрируют непрерывные и мгновенные изменения, имея особенности динамических систем с непрерывным и дискретным временем. Эта книга, наполненная множеством примеров для иллюстрации концепций, представляет собой полную теорию устойчивой асимптотической устойчивости для гибридных динамических систем, которая применима к разработке гибридных алгоритмов управления — алгоритмов, которые содержат логику, таймеры или комбинации цифровых и аналоговых компонентов.

Используя инструменты современного математического анализа, Hybrid Dynamical Systems объединяет и обобщает более ранние разработки в области нелинейных систем с непрерывным и дискретным временем. В нем представлены версии гибридных систем необходимых и достаточных условий Ляпунова для асимптотической устойчивости, принципов инвариантности и методов аппроксимации, а также исследуется надежность асимптотической устойчивости, мотивированная целью разработки надежных алгоритмов гибридного управления.

Эта автономная книга, проверенная в классе, требует стандартной подготовки в области математического анализа и дифференциальных уравнений или нелинейных систем.Он заинтересует аспирантов в области инженерии, а также студентов и исследователей в области управления, информатики и математики.

Рафал Гебель — доцент кафедры математики и статистики Университета Лойола, Чикаго. Рикардо Г. Санфеличе — доцент кафедры аэрокосмической и механической инженерии Университета Аризоны. Эндрю Р. Тил — профессор кафедры электротехники и вычислительной техники Калифорнийского университета в Санта-Барбаре.

«Эта превосходная книга объединяет некоторые ключевые разработки в гибридных динамических системах за последнее десятилетие и, благодаря элегантному и ясному техническому содержанию, вводит необходимые инструменты для понимания стабильности этих систем. Она станет отличным ресурсом для аспирантов и исследователи в этой области », — Магнус Эгерштедт, Технологический институт Джорджии,

«Эта первоклассная книга, имеющая широкое применение в науке и технике, создает прочную основу для всеобъемлющей теории гибридных динамических систем.Впервые собрана воедино разнообразная литература, что делает огромный массив знаний доступным ». — Деннис С. Бернстайн, Мичиганский университет

Технический комитет по гибридным системам

Общество систем управления IEEE (CSS) имеет Технический комитет по гибридным системам, который занимается предоставлением информационных форумов, встреч для технических обсуждений и информации через Интернет для исследователей в IEEE CSS, которые интересуются областью гибридных систем и его приложения.

Технический комитет по гибридным системам организует и поддерживает конференции и образовательные мероприятия, связанные с теорией и приложениями гибридных систем. Основными мероприятиями, посвященными гибридным системам, являются Конференция по гибридным системам: вычисления и управление (HSCC), которая является частью Недели киберфизических систем, спонсируемой IEEE, и Конференция по анализу и проектированию гибридных систем (ADHS), которая проводится организовано IFAC.

Технический комитет IEEE CSS по гибридным системам тесно сотрудничает с соответствующим Техническим комитетом 1 МФБ.3 Дискретные событийные и гибридные системы в организации совместных обсуждений во время ежегодных конференций IEEE и IFAC. Технический комитет по гибридным системам поддерживает организацию приглашенных сессий на связанных с IEEE конференциях по темам, относящимся к теории и приложениям гибридных систем.

Гибридное поведение является важной характеристикой реальных систем, начиная от биологических сетей и динамики болезней до схем переключения силовой электроники и сетей связи.Объяснение вездесущности гибридных явлений заключается в том, что сочетание относительно простых дискретных и непрерывных действий / динамики может дать очень богатое поведение.

Это наблюдение послужило толчком к созданию успешного направления исследований в теории систем управления, которое началось более десяти лет назад и сосредоточено на моделировании, анализе и синтезе проблем, связанных с гибридными системами. Более того, сообщество исследователей гибридных систем создает синергию методов информатики и теории управления, которые необходимы для проектирования киберфизических систем (CPS) завтрашнего дня.Гибридные автоматы в настоящее время являются наиболее эффективным инструментом для моделирования CPS, и наряду с методами абстракции и формальными методами проверки и синтеза предоставляют мощные инструменты для проектирования, проверки и управления CPS.

Влияние теории гибридных систем на наше общество можно проследить во множестве соответствующих приложений, таких как предотвращение столкновений в интеллектуальных транспортных средствах, роботизированная хирургия, производство на наноуровне, глубоководные исследования, энергоэффективные здания, управление воздушным движением, беспроводная связь. сенсорные сети и многое другое.Недавние исследования в сообществе гибридных систем связаны с включением аппаратных ограничений (например, памяти и вычислительной мощности) и спецификаций человеческого языка (например, высокоуровневых задач роботизированного наблюдения) при проектировании систем управления. Эта деятельность может привести к прорыву в разработке систем управления в реальном времени для высокотехнологичных прототипов, таких как высокоточные усилители мощности для сканеров магнитно-резонансной томографии (МРТ), системы электромагнитного впрыска топлива, роботизированное наблюдение, автоматическая настройка синтетические генные сети и высокоточные планарные приводы со встроенными магнитными подшипниками.

Литература по гибридным системам очень обширна и охватывает различные дисциплины. Для заинтересованного читателя доступно несколько учебников и онлайн-ресурсов. Следующий учебник представляет собой краткое введение в гибридные системы с несколькими примерами из инженерной мысли:

Введение в гибридные динамические системы — А. ван дер Шафт и Х. Шумахер.

Эти онлайн-раздаточные материалы содержат основные определения, примеры и инструменты для проверки, стабильности и синтеза контроллеров в гибридной среде автоматов:

Дж.Lygeros, C. Tomlin и S. Sastry. Гибридные системы: моделирование, анализ и управление.

Материалы курса по коммутируемым и гибридным системам в различных структурах можно найти по адресу:

В этом учебнике представлена ​​объединяющая основа для моделирования и анализа гибридных динамических систем:

Гибридные динамические системы — R. Goebel, R.G. Санфеличе, А. Тел

Канал YouTube с записями лекций и презентаций исследований на конференциях, основанных на результатах этого учебника, можно найти здесь:

Конференций по гибридным системам:

• Hybrid Systems: Computing and Control Conference (HSCC) — это часть Cyber-Physical Systems Week
• Конференция по анализу и проектированию гибридных систем (ADHS), организованная IFAC
.

Если вы заинтересованы в присоединении к Техническому комитету по гибридным системам, пожалуйста, свяжитесь с председателем ТК.

AAE 66800: Гибридные системы: теория и приложения — Школа аэронавтики и астронавтики

Описание:

Революция в цифровых технологиях вызвала потребность в методах проектирования, которые могут гарантировать безопасность и рабочие характеристики встроенных систем или систем, сочетающих дискретную логику с аналоговой физической средой.Такие системы можно моделировать гибридными системами, которые представляют собой динамические системы, сочетающие динамику в непрерывном времени, моделируемую дифференциальными уравнениями, и динамику дискретных событий, моделируемую конечными автоматами. К важным приложениям гибридных систем относятся аэронавтика, воздушные и наземные транспортные системы, САПР, программное обеспечение реального времени, робототехника и автоматизация, мехатроника, управление технологическими процессами, а также биологические системы. В последнее время гибридные системы были в центре интенсивной исследовательской деятельности в сообществах теории управления, компьютерной проверки и искусственного интеллекта, а также были разработаны методологии и вычислительные инструменты для моделирования гибридных систем, анализа их поведения и синтеза контроллеров. которые гарантируют безопасность и рабочие характеристики с обратной связью.

Цели и задачи курса:

Для ознакомления с основными понятиями и теорией гибридных систем; познакомить студентов с их инструментами анализа и численного моделирования; ознакомить студентов с текущим состоянием границ исследования гибридных систем; и поощрить студентов применять модель гибридных систем к проблемам в их собственных областях обучения и других междисциплинарных областях.

Необходимый фон:

1. Теория линейных систем
2. Линейная алгебра

Темы:

1. Введение
2. Фон
3. Модель гибридных систем (гибридные автоматы)
4. Приложения
5. Анализ доступности гибридных систем
6. Устойчивость гибридных систем
7. Моделирование гибридных систем
8. Оптимальное управление гибридными системами
9. Оценка и идентификация гибридных систем
10. Контроллер синтеза гибридных систем
11. Дополнительные темы: геометрическая теория гибридных систем
12. Дополнительные темы: стохастические гибридные системы (ШС)
13. Дополнительные темы: теория игр

Подготовил: И.Hwang
Дата: 7 ноября 2014 г.

Бактериальная двугибридная система, основанная на восстановленном пути передачи сигнала

Реферат

Мы описываем бактериальную двугибридную систему, которая позволяет легко in vivo скрининг и выбор функциональных взаимодействий между двумя белками. Этот генетический тест основан на восстановлении в штамме Escherichia coli cya пути передачи сигнала, который использует положительный контроль, осуществляемый цАМФ.Два предполагаемых взаимодействующих белка генетически слиты с двумя комплементарными фрагментами, Т25 и Т18, которые составляют каталитический домен аденилатциклазы Bordetella pertussis . Ассоциация двухгибридных белков приводит к функциональной комплементации между фрагментами Т25 и Т18 и приводит к синтезу цАМФ. Затем циклический АМФ запускает транскрипционную активацию катаболических оперонов, таких как лактоза или мальтоза, которые дают характерный фенотип. В этом генетическом тесте участие сигнального каскада предлагает уникальное свойство, заключающееся в том, что ассоциация между гибридными белками может быть пространственно отделена от считывания транскрипционной активации.Это позволяет разносторонне разработать процедуры скрининга либо на лиганды, которые связываются с данной «приманкой», как в классической дрожжевой двугибридной системе, либо на молекулы или мутации, которые блокируют данное взаимодействие между двумя интересующими белками.

Большинство биологических процессов включают специфические белок-белковые взаимодействия. Общие методологии для идентификации взаимодействующих белков или изучения этих взаимодействий были широко разработаны. Среди них дрожжевая двугибридная система в настоящее время представляет собой наиболее эффективный подход in vivo для скрининга полипептидов, которые могут связываться с заданным целевым белком.Первоначально разработанный Филдсом и соавторами (1, 2), он использует гибридные гены для обнаружения межбелковых взаимодействий посредством активации экспрессии репортерного гена (3, 4). По сути, два предполагаемых белковых партнера генетически слиты с ДНК-связывающим доменом фактора транскрипции и с доменом активации транскрипции соответственно. Продуктивное взаимодействие между двумя интересующими белками приведет к приближению домена активации транскрипции к ДНК-связывающему домену и вызовет транскрипцию соседнего репортерного гена (обычно lacZ или пищевой маркер), давая скрининговый фенотип.Совсем недавно Росси и др. (5) описал другой подход, «двугибридную» систему млекопитающих, которая использует комплементацию β-галактозидазы для мониторинга межбелковых взаимодействий в интактных эукариотических клетках.

О бактериальном эквиваленте двугибридной системы еще не сообщалось. Фаговый дисплей (6, 7) и анализ двойного мечения (8) представляют собой альтернативные подходы к скринингу сложных библиотек белков на предмет прямого взаимодействия с данным лигандом. Однако эти методы не позволяют отобрать in vivo соответствующих клонов.

Мы описываем здесь двухгибридную систему в Escherichia coli , в которой представляющие интерес белки генетически слиты с двумя комплементарными фрагментами каталитического домена Bordetella pertussis аденилатциклазы (9, 10). Взаимодействие между двумя белками приводит к функциональной комплементации между двумя фрагментами аденилатциклазы, ведущей к синтезу цАМФ, который, в свою очередь, может запускать экспрессию нескольких резидентных генов. Используя этот анализ, можно выбрать конкретные клоны, экспрессирующие белок, который взаимодействует с данной мишенью, путем простого генетического скрининга.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Штамм и питательная среда.

DHP1 представляет собой дефицитное по аденилатциклазе ( cya ) производное Dh2 (F ^— , glnV44 (AS), recA1, endA1, gyrA96 (Nal ^r ), thi1, hsd143 , rfbD1 ) (25) и был выделен с использованием фосфомицина в качестве селективного антибиотика (11). В качестве среды для выращивания использовали богатую среду Лурия-Бертани (LB) или синтетическую среду M63 (12) с добавлением 1% источника углерода.Концентрации антибиотика были следующими: 100 мкг / мл ампициллина и 30 мкг / мл хлорамфеникола. Скрининг на способность ферментировать сахара проводили либо на чашках с агаром MacConkey, содержащих 1% мальтозу, либо на чашках LB, содержащих 40 мкг / мл X-gal (5-бром-4-хлор-3-индолил-β-d-галактопиранозид). и 0,5 мМ изопропил-β-d-тиогалактопиранозид.

Плазмиды.

Плазмида pCm-AHL1 представляет собой вектор экспрессии для полного каталитического домена аденилатциклазы. Он был получен путем субклонирования фрагмента Pvu II размером 1,5 т.п.н. из pACTΔC1322 (13), содержащего первые 384 кодона cyaA под контролем промотора lac UV5 [цАМФ / протеин активатора гена катаболита (CAP) -независимый ] в pACYC184, линеаризованную Eco RV- Hin cII. Плазмида pT25 представляет собой производное pACYC184, которое кодирует фрагмент T25 CyaA (аминокислоты 1-224) в рамке с последовательностью сайта мультиклонирования под контролем промотора lac UV5 .Плазмида pT18 является производной pBluescript II KS (Stratagene), совместимой с pT25, которая кодирует фрагмент T18 CyaA (аминокислоты 225–399) в рамке с последовательностью сайта мультиклонирования pBluescript II KS. Область лейциновой молнии дрожжевого белка GCN4 амплифицировали с помощью ПЦР из плазмиды pHB16 (14) (подарок от H. Bedouelle, Institut Pasteur) с использованием праймеров: lzip1 (CTGCAGGTACCTATCCAGCGTATGAAA) и lzip2 (TGAGGGTACCCCACCAGTTCAC). Амплифицированная последовательность была расщеплена Kpn I и клонирована в сайт Kpn I pT25 и pT18 с получением плазмид pT25-zip и pT18-zip, которые кодируют, соответственно, фрагменты T25 и T18, слитые в рамке с этой рамкой. -аа-длинная лейциновая молния.Плазмиды pT25-Tyr и pT18-Tyr экспрессируют, соответственно, фрагменты Т25 и Т18, слитые в рамке с первыми 302 а.о. димерной тирозил-тРНК синтетазы из Bacillus stearothermophilus (15). Соответствующая часть гена tyrRS была амплифицирована с помощью ПЦР из плазмиды M13EL (15) (подарок от H. Bedouelle) с использованием праймеров tyrS1 (AGAGGTACCGGACATGGATTTGCT) и tyrS2 (GCCGGTACCGCCGCTGTCAAATTaGGC) Kpn I сайт pT25 и pT18.Плазмида pT25-prp11, которая экспрессирует T25, слитый с дрожжевым фактором сплайсинга Prp11 (16), была сконструирована следующим образом. Сначала мы сконструировали pT25–2, производное pT25, вставив последовательность GCCCGGGG между сайтом Pst I и Bam HI сайта pT25, чтобы изменить рамку считывания сайта Bam HI. Затем фрагмент Bam HI размером 0,9 т.п.н. плазмиды pPL253 (подарок от P. Legrain, Institut Pasteur), включающий ген prp11 , был субклонирован в соответствующий сайт pT25-2.Для создания плазмиды pT18-prp21, экспрессирующей T18, слитый с дрожжевым фактором сплайсинга Prp21 (16), ген, кодирующий белок Prp21, амплифицировали с помощью ПЦР из плазмиды pPL182 (подарок от P. Legrain) с использованием праймеров CCCGGTACCGATGGAACTTACAAGATAC и CCAGTACTGTACTAC, cleved by Kpn I и клонировали в сайт Kpn I pT18.

Аналитические методы.

анализов β-галактозидазы проводили на толуенизированных бактериальных суспензиях, как описано в Pardee et al. (17). Одна единица активности соответствует 1 нмоль o -нитрофенил-β-d-галактозида, гидролизованного в минуту при 28 ° C.

Бактериальные экстракты получали из клеток, выращенных в течение ночи при 30 ° C в среде LB с добавлением ампициллина и хлорамфеникола. Осажденные клетки ресуспендировали в 8 М мочевине / 20 мМ Hepes-Na, pH 7,5, и разрушали обработкой ультразвуком. Анализы аденилатциклазы проводили на экстрактах, как описано ранее (9), в присутствии 1 мкМ кальмодулина. Одна единица активности соответствует 1 нмоль цАМФ, образовавшемуся в минуту при 37 ° C.Измерения циклического АМФ проводили с помощью анализа ELISA. Вкратце, конъюгат цАМФ-биотинилированный-BSA был нанесен на планшеты для ELISA, и участки неспецифического связывания с белками были заблокированы с помощью BSA. Затем добавляли кипяченые бактериальные культуры, а затем разбавленную кроличью антисыворотку против цАМФ в 50 мМ Hepes, pH 7,5 / 150 мМ NaCl / 0,1% Tween 20 (буфер HBST), содержащем 10 мг / мл BSA. После инкубации в течение ночи при 4 ° C планшеты тщательно промывали HBST, затем добавляли козий антикроличий IgG, связанный с щелочной фосфатазой (AP), и инкубировали в течение 1 часа при 30 ° C.После отмывки активность АР выявлялась 5′-пара-нитрофенилфосфатом. Концентрации цАМФ рассчитывали по стандартной кривой, построенной с известными концентрациями цАМФ, разведенными в среде LB.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Принцип.

B. pertussis продуцирует кальмодулинзависимый токсин аденилатциклазы, кодируемый геном cyaA (18–20). Каталитический домен расположен в пределах первых 400 аминокислотных остатков этого белка, состоящего из 1706 остатков (10, 19).Он проявляет высокую каталитическую активность (k _cat = 2000 с ^-1 ) в присутствии кальмодулина (CaM) и низкую, но обнаруживаемую активность (k _cat = 2 с ^-1 ) в отсутствие этого активатора (9, 21). Биохимические исследования показали, что каталитический домен может быть протеолитически расщеплен на два комплементарных фрагмента, Т25 и Т18, которые остаются связанными в присутствии СаМ в полностью активном тройном комплексе (9, 10, 22). В отсутствие CaM смесь двух фрагментов не проявляла детектируемой активности, что позволяет предположить, что два фрагмента не способны повторно связываться с получением базовой CaM-независимой активности.Мы предположили, что при экспрессии в штамме E. coli с дефицитом аденилатциклазы ( E. coli не хватает CaM или связанных с CaM белков), фрагменты T25 и T18, слитые с предполагаемыми взаимодействующими белками, будут повторно связываться и приводить к синтезу цАМФ ( Рисунок 1).

Принцип двухгибридной системы E. coli , основанный на функциональной комплементации фрагментов CyaA. ( верхний ) Схема основного принципа in vivo комплементации между двумя фрагментами каталитического домена B.pertussis аденилатциклаза. Два прямоугольника представляют собой фрагменты Т25 и Т18, соответствующие аминокислотам 1-224 и 225-399 белка CyaA. В A полноразмерный каталитический домен (остатки 1–399) при экспрессии в E. coli проявляет базальную кальмодулиннезависимую активность, которая приводит к синтезу цАМФ. В B два фрагмента, T25 и T18, когда они совместно экспрессируются как независимые полипептиды, не могут взаимодействовать, и синтез цАМФ не происходит. В C два фрагмента, слитые с двумя взаимодействующими белками, X и Y, оказываются в непосредственной близости, что приводит к функциональной комплементации с последующим образованием цАМФ.( Нижний ) Схема считывания комплементации. цАМФ, синтезируемый в штамме E. coli cya комплементарными парами Т25 и Т18, связывается с белком-активатором гена катаболита, САР. Затем комплекс цАМФ / CAP может распознавать определенные промоторы и включать транскрипцию соответствующих генов. Эти репортерные гены могут быть либо природными генами E.coli , такими как гены lacZ или mal , либо синтетическими, такими как гены устойчивости к антибиотикам, слитые с цАМФ / CAP-зависимым промотором.

Функциональный анализ активности аденилатциклазы B. pertussis можно легко контролировать в штамме E. coli , дефицитном по эндогенной аденилатциклазе. В E. coli цАМФ, связанный с активатором транскрипции, CAP, является плейотропным регулятором экспрессии различных генов, включая гены, участвующие в катаболизме углеводов, таких как лактоза или мальтоза (23). Следовательно, штаммы E. coli , лишенные цАМФ, не могут ферментировать лактозу или мальтозу.Когда весь каталитический домен CyaA (аминокислоты 1-399) экспрессируется в E. coli cya , под транскрипционным и трансляционным контролем lacZ (плазмида pDIA5240), его кальмодулиннезависимая остаточная активность достаточна для дополнения штамм с дефицитом аденилатциклазы и для восстановления его способности ферментировать лактозу или мальтозу (24). Это может быть оценено либо на индикаторных пластинах (например, среда LB – X-gal или MacConkey с добавлением мальтозы), либо на селективной среде (минимальная среда с добавлением лактозы или мальтозы в качестве уникального источника углерода).

Дизайн двухгибридной системы на основе функционального дополнения между фрагментами T25 и T18 CyaA.

Сначала мы сконструировали две совместимые плазмиды (производные от pACYC184 и pBluescript II KS), которые экспрессируют либо фрагмент T25, соответствующий аминокислотам 1-224 CyaA, либо фрагмент T18, соответствующий аминокислотам 225–399. Сайт мультиклонирования был слит с C-концом T25 для облегчения конструирования слияний с чужеродными белками.Точно так же фрагмент T18 был слит в рамке считывания с α lacZ pBluescript II KS, ниже его сайта мультиклонирования (рис. 2).

Схематическое изображение плазмид. Открытые прямоугольники представляют собой открытые рамки считывания генов β-лактамазы ( bla ) и хлорамфениколацетилтрансферазы ( cat ). Сплошные прямоугольники соответствуют ORF cyaA ‘ с номерами кодонов, указанными ниже. Заштрихованные прямоугольники соответствуют последовательностям участков мультиклонирования (MCS), которые слиты в указанном положении ORF cya .Начало репликации плазмид указано заштрихованными прямоугольниками.

Две плазмиды, pT25 и pT18, котрансформировали в DHP1, производное cya штамма Dh2 E. coli (25), и высевали на агар MacConkey с добавлением мальтозы. Как и ожидалось, спонтанной комплементации между двумя изолированными (независимо экспрессируемыми) фрагментами обнаружить не удалось. in vivo : все трансформанты были белыми (см. Таблицу 1). Когда штамм DHP1 трансформировали плазмидой, экспрессирующей полный каталитический домен, все колонии были красными (таблица 1).

Анализ комплементации в штамме DHP1

Чтобы проверить, может ли функциональная комплементация между T25 и T18 быть вызвана путем их слияния с взаимодействующими белками, мы вставили в сайт многоклонирования как pT25, так и pT18 последовательность ДНК, которая кодирует лейциновую молнию длиной 35 аминокислот, полученную из белок GCN4, активатор транскрипции дрожжей (14). Когда полученные плазмиды, pT25-zip и pT18-zip были котрансформированы в DHP1 и помещены на среду MacConkey / мальтоза, полученные колонии стали красными через 24–30 часов роста при 30 ° C (таблица 1).

Проводили контрольные эксперименты, в которых pT25-zip котрансформировали с pT18 или pT18-zip котрансформировали с pT25. Ни один из трансформантов не проявлял комплементации, демонстрируя, что функциональная комплементация T25-zip и T18-zip опосредована взаимодействием их мотива лейциновой застежки-молнии. Эффективность комплементации может быть дополнительно определена количественно путем измерения в жидких культурах либо уровней цАМФ, либо активности β-галактозидазы (таблица 1).

аденилатциклазы различных трансформантов измеряли в клеточных экстрактах в присутствии СаМ, который прочно связывается с фрагментами Т25 и Т18 с образованием активного комплекса аденилатциклазы.Как показано в таблице 1, только экстракт из DHP1 / pT25-zip / pT18-zip проявлял значительную ферментативную активность. В отсутствие CaM активность аденилатциклазы все еще может быть обнаружена в экстракте DHP1 / pT25-zip / pT18-zip, что указывает на то, что нековалентная ассоциация T25-zip и T18-zip, опосредованная их фрагментом лейциновой застежки-молнии, способна для восстановления базовой ферментативной активности, которой было достаточно для поддержания синтеза in vivo цАМФ (таблица 1). Отсутствие активности аденилатциклазы в экстрактах трех других типов трансформантов (таблица 1) указывает на то, что по крайней мере один из двух комплементарных фрагментов аденилатциклазы отсутствовал, наиболее вероятно, как следствие ее протеолитической деградации in vivo .Следовательно, кажется, что ассоциация T25-zip и T18-zip через их мотив лейциновой молнии не только приводит к их функциональной комплементации, но также и к их стабилизации. Стабилизация белковых фрагментов (α- и ω-пептиды) посредством комплементации (26) также наблюдалась для β-галактозидазы (A.U., неопубликованные результаты).

Скрининг

Затем мы исследовали, можно ли использовать комплементацию между Т25 и Т18 для анализа взаимодействий между белками, размер которых превышает длину мотива лейциновой молнии, состоящего из 35 остатков. Фрагмент ДНК, кодирующий N-концевую часть (остатки 1–302) димерной тирозил тРНК синтетазы из Bacillus stearothermophilus (15), был субклонирован в сайт мультиклонирования плазмид pT25 и pT18. Полученные плазмиды pT25-TyrRS и pT18-TyrRS при котрансформации в DHP1 давали красные трансформанты на MacConkey / мальтозе.Трансформанты синтезировали цАМФ и экспрессировали β-галактозидазу (таблица 2). Контрольные преобразования подтвердили, что фрагмент TyrRS отвечает за функциональную комплементацию между T25-TyrRS и T18-TyrRS (таблица 2). Кроме того, как показано в таблице 2, комплементация не происходила, когда T25-TyrRS котрансформировался с pT18-zip или наоборот. Это демонстрирует, что комплементация была продиктована специфичностью распознавания полипептидов, слитых с двумя фрагментами, Т25 и Т18.Это также демонстрирует, что функциональная комплементация и стабилизация химерных белков происходят только при определенных взаимодействиях между двумя партнерами.

Комплементация между различными химерными белками

Мы также показали (таблица 2), что бактериальная двугибридная система может обнаруживать взаимодействие между дрожжевыми факторами сплайсинга Prp11 и Prp21 (слитыми с T25 и T18, соответственно), которое было охарактеризовано ранее в дрожжевом двугибридном анализе (16) .Это демонстрирует, что этот анализ бактериальной комплементации может выявить ассоциацию между эукариотическими белками.

Для имитации процедуры скрининга мы смешали плазмиды pT18-zip и pT18-TyrRS с примерно 5-кратным избытком pT18 и котрансформировали эту смесь в DHP1 с помощью pT25 или pT25-zip. Трансформанты высевали на LB – X-gal. Все колонии, котрансформированные с помощью pT25, были белыми (фиг. 3). Около 20% колоний были синими, когда клетки котрансформировали смесью производных pT18 и pT25-zip.Плазмидные ДНК этих клонов дополнительно анализировали рестрикционным картированием. Как и ожидалось, синие колонии среди бактерий, котрансформированных с помощью pT25-zip, содержали только pT18-zip. В другой серии экспериментов pT18-zip смешивали с 1000-кратным избытком pT18, и эту смесь трансформировали в DHP1, несущий pT25-zip, и высевали на MacConkey / мальтозу. Среди примерно 3000 белых колоний были идентифицированы три красные колонии. Анализ плазмидной ДНК клонов Mal ⁺ подтвердил присутствие pT18-zip.Трансформация той же смеси pT18-zip / pT18 в DHP1, несущий pT25, не дала никаких проанализированных клонов Mal ⁺ из 10000 (данные не показаны). Эти результаты показывают, что функциональная комплементация между фрагментами аденилатциклазы может быть использована для идентификации взаимодействующих белков в E. coli .

Скрининг взаимодействующих белков с бактериальной двугибридной системой. Клетки DHP1 котрансформировали смесью плазмид pTI8, pT18-zip и pT18-Tyr и либо pT25 ( A ), либо pT25-zip ( B ), высевали на чашки с агаром LB – X-gal, содержащие 0.5 мМ изопропил-β-d-тиогалактопиранозид, ампициллин и хлорамфеникол и инкубировали в течение 30 часов при 30 ° C. Обратите внимание, что колонии cya ⁺ больше, чем колонии cya .

Наконец, мы проверили, можно ли использовать дополнение между T25 и T18 в процедуре отбора, а не с помощью скрининга, описанного выше. Бактерии DHP1, котрансформированные комплементарными плазмидами (pT25-zip / pT18-zip или pT25-TyrRS / pT18-TyrRS), были способны расти на минимальной среде, дополненной лактозой или мальтозой в качестве уникальных источников углерода, тогда как бактерии котрансформировались комплементарными плазмидами (pT25-zip / pT18-TyrRS или pT25-TyrRS / pT18-zip) не росли (данные не показаны).Чтобы определить, можно ли использовать этот отбор для идентификации взаимодействующих белков среди избытка невзаимодействующих, мы выполнили следующий «модельный скрининг» на селективных средах. Бактерии DHP1, несущие pT25-zip и pT18-zip (ожидаемый фенотип: Lac ⁺ ), были смешаны с 10 ⁵ избытком DHP1 / pT25 / pT18 (ожидаемый фенотип: Lac ^— ), а затем 10 ⁷ клетки из этой смеси высевали на минимальную среду с добавлением лактозы и антибиотиков.Через 4–5 дней при 30 ° C появилось 100–200 колоний Lac ⁺ . Анализ плазмидной ДНК показал, что 18 из 20 этих протестированных колоний несли pT25-zip и pT18-zip. Когда 10 ⁷ клеток DHP1 / pT25 / pT18 высевали на минимальную среду / лактозу, было обнаружено около 10 колоний: эти клетки, по-видимому, представляли спонтанные ревертанты DHP1 в фенотип Lac ⁺ (из-за любой реверсии cya ). к cya ⁺ или к цАМФ / CAP-независимым мутациям промотора lac ).Этот «модельный скрининг» демонстрирует, что бактерии, экспрессирующие специфические взаимодействующие белки, слитые с фрагментами аденилатциклазы, могут быть отобраны среди большого числа (здесь 10 ⁵ -кратный избыток) нерелевантных клонов.

ОБСУЖДЕНИЕ

Мы описываем здесь двухгибридную систему E. coli , которая позволяет идентифицировать взаимодействующие белки с помощью простого генетического теста (скрининг и / или отбор). В нашем подходе in vivo ассоциация двух взаимодействующих белков связана с производством регуляторной сигнальной молекулы, цАМФ, которая, в свою очередь, запускает экспрессию специфических репортерных генов, давая начало селективному фенотипу.

Мы воспользовались модульной структурой каталитического домена аденилатциклазы B. pertussis , который состоит из двух комплементарных фрагментов, Т25 и Т18, которые необходимы для образования активного фермента, в присутствии СаМ (9 , 10). Как показано здесь, два фрагмента, когда экспрессируются в E. coli как отдельные объекты, неспособны узнавать друг друга и не могут восстанавливать функциональный фермент. Однако, когда Т25 и Т18 сливаются с пептидами или белками, которые способны взаимодействовать, гетеродимеризация этих химерных полипептидов приводит к функциональной комплементации между фрагментами аденилатциклазы и, следовательно, синтезу цАМФ.В конечном итоге цАМФ после связывания с CAP способен активировать транскрипцию катаболических оперонов, позволяя бактериям ферментировать углеводы, такие как мальтоза или лактоза. Мы продемонстрировали, что эта бактериальная двугибридная система способна обнаруживать взаимодействия между небольшими пептидами (лейциновая молния GCN4), бактериальными (тирозил тРНК синтетаза) или эукариотическими белками (дрожжевой комплекс Prp11 / Prp21).

Некоторые характеристики этого генетического скрининга и / или отбора обеспечивают привлекательный подход к поиску и анализу взаимодействующих белков.Поскольку наша двухгибридная система включает в себя генерацию регуляторной молекулы, цАМФ, физическая ассоциация двух предполагаемых взаимодействующих белков, может быть пространственно отделена от событий транскрипции (активации), которые зависят от синтеза цАМФ. Это означает, что изучаемое межбелковое взаимодействие не обязательно должно происходить в непосредственной близости от аппарата транскрипции, как в случае дрожжевой двугибридной системы. Следовательно, можно будет анализировать белковые взаимодействия, которые происходят либо в цитозоле (как описано здесь), либо на уровне внутренней мембраны.Более того, поскольку этот генетический скрининг, по сути, является анализом близости слитых фрагментов Т25 и Т18, можно было ожидать, что эта система будет особенно подходящей для анализа совместной локализации данных белков в мультимолекулярных ансамблях.

Считывание комплементации между фрагментами Т25 и Т18 является активацией транскрипции cAMP / CAP-зависимых генов. В этой работе мы использовали природные цАМФ / CAP-зависимые катаболические гены у E.coli . Однако легко сконструировать специфические репортерные кассеты, в которых любой интересующий ген слит с цАМФ / CAP-зависимым промотором. В настоящее время мы создаем такую ​​систему, используя ген устойчивости к антибиотикам. Это облегчит скрининг сложных библиотек путем простого отбора на устойчивость к антибиотикам. В качестве альтернативы репортерный ген, управляемый цАМФ / CAP, может кодировать токсичный продукт. Это может быть особенно полезно для поиска химических соединений или мутаций, которые отменяют данное взаимодействие между двумя изученными белками.Таким образом, эта бактериальная система особенно универсальна, поскольку дает возможность как положительного, так и отрицательного отбора.

То, что этот генетический тест проводится на E. coli , значительно облегчает скрининг, а также характеристику взаимодействующих белков. Во-первых, можно использовать одни и те же плазмидные конструкции для скрининга библиотеки для идентификации предполагаемого партнера по связыванию с данной «приманкой», а затем для экспрессии гибридных белков для характеристики их взаимодействия с помощью анализов связывания in vitro и .Во-вторых, высокая эффективность трансформации, которая может быть достигнута в E. coli , позволяет анализировать библиотеки высокой сложности. Это особенно полезно для ( i ) скрининга пептидов из библиотеки, состоящей из случайных последовательностей ДНК, которые демонстрируют сродство к данному белку-приманке, и ( ii ) исчерпывающего анализа сети взаимодействий между белками данный организм (27, 28).

По сути, наша система использует один из фундаментальных принципов передачи сигнала, то есть усиление сигнала.В описанной здесь системе мы полагались только на базальную ферментативную активность аденилатциклазы B. pertussis , т. Е. В отсутствие CaM, которая, тем не менее, достаточна для синтеза достаточного количества цАМФ для активации транскрипции lac и mal. оперонов (по нашим оценкам, исходя из активности аденилатциклазы, измеренной в бактериальных экстрактах, в данном дизайне экспрессируется около тысячи молекул Т25 и Т18 на клетку). Эта система может быть чрезвычайно чувствительной, если использовать полную каталитическую активность B.pertussis аденилатциклазы, т.е. в присутствии ее природного активатора. В этом случае ожидается, что воссоздания только нескольких гибридных молекул на клетку будет достаточно, чтобы вызвать детектируемый сигнал.

Благодарности

Мы благодарим Х. Бедуэля и П. Легрена за предоставленные плазмиды, плодотворное обсуждение и комментарии к рукописи. Мы благодарны Б. Лефевер-Лаоиду за критическое прочтение рукописи и М. Берлин за предоставленный штамм Dh2.Финансовая поддержка поступила от Института Пастера и Национального центра научных исследований (URA 1129).

Сноски

• ↵ * Кому запросы на перепечатку следует направлять по адресу: Unité de Biochimie Cellulaire, Institut Pasteur, 28, rue du Docteur Roux, 75724 Paris Cedex 15, France. электронная почта: ladant {at} pasteur.fr.

СОКРАЩЕНИЯ

LB,

Лурия-Бертани;

X-gal,

5-бром-4-хлор-3-индолил-β-d-галактопиранозид;

CAP,

протеин-активатор гена катаболита

• Поступила 2 декабря 1997 г.
• Принято 2 марта 1998 г.

• Copyright © 1998, Национальная академия наук

Квантовые технологии с гибридными системами

За последние несколько десятилетий квантовая физика превратилась из основной концептуальной основы для описания микроскопических явлений для создания вдохновения для новых технологических приложений. Ряд идей для квантовой обработки информации (1) и безопасной связи (2, 3), квантово-улучшенного зондирования (4 (– 8) и моделирования сложной динамики (9⇓⇓⇓⇓ – 14) породили к ожиданиям, что общество вскоре может извлечь выгоду из таких квантовых технологий.Эти разработки обусловлены нашими быстро развивающимися способностями экспериментально манипулировать квантовой динамикой и управлять ею в различных системах, начиная от одиночных фотонов (2, 13), атомов и ионов (11, 12) и заканчивая отдельными электронными и ядерными спинами (15⇓ – 17). ), до мезоскопических сверхпроводящих (14, 18) и наномеханических устройств (19, 20). Как правило, каждая из этих систем может выполнять одну или несколько конкретных задач, но ни одна система не может быть универсально подходящей для всех предполагаемых приложений. Таким образом, фотоны лучше всего подходят для передачи квантовой информации, слабо взаимодействующие спины могут служить долгоживущими квантовыми воспоминаниями, а динамика электронных состояний атомов или электрических зарядов в полупроводниках и сверхпроводящих элементах может реализовывать быструю обработку информации, закодированной в их квантовых состояниях. .Реализация устройств, которые могут одновременно выполнять несколько или все из этих задач, например, надежно хранить, обрабатывать и передавать квантовые состояния, требует новой парадигмы: гибридных квантовых систем (HQS) (15, 21–24) . HQS достигают своих возможностей многозадачности путем объединения различных физических компонентов с дополнительными функциями.

Многие из ранних идей для HQS возникли из области квантовой обработки информации и связи (QIPC) и в значительной степени были вдохновлены разработкой архитектур QIPC, в которых сверхпроводящие кубиты соединены с высококачественными микроволновыми резонаторами ( 18, 25).Сверхпроводящие кубиты — это очень хорошо управляемые квантовые системы (26, 27), но в отличие от атомов они страдают сравнительно коротким временем когерентности и не связываются когерентно с оптическими фотонами. Микроволновый резонатор, такой как, например, LC-контур с сосредоточенными элементами или копланарный волноводный (CPW) резонатор, может служить интерфейсом между сверхпроводящими кубитами, а также между сверхпроводящими кубитами и другими квантовыми системами с более длительным временем когерентности и оптическими переходами ( 18, 22, 23, 28).Таким образом, было предложено связывать сверхпроводящие кубиты через «микроволновую квантовую шину» с ионами (29), атомами (30–32), полярными молекулами (33), электронами, удерживаемыми над поверхностью жидкого гелия (34), и спин-легированные кристаллы (15, 35⇓ – 37). С недавними достижениями в управлении микро- и наномеханическими системами (19, 20), использование механической квантовой шины также было идентифицировано как альтернативный многообещающий путь для взаимодействия и обмена данными между различными квантовыми системами (24, 38). Здесь используется способность функционализированных резонаторов чувствительно реагировать на слабые электрические, магнитные или оптические сигналы, при этом будучи достаточно хорошо изолированными от окружающей среды, чтобы обеспечить когерентную передачу квантовых состояний.

Спустя почти десять лет после первоначальных предложений идея HQS превратилась в быстрорастущую междисциплинарную область исследований. Основные принципы работы HQS к настоящему времени продемонстрированы в нескольких экспериментах, и в настоящее время все большее количество теоретических и экспериментальных исследований посвящено дальнейшему изучению этого подхода. Таким образом, настало время оценить текущее состояние месторождения и выделить некоторые из наиболее многообещающих краткосрочных и долгосрочных перспектив.В дальнейшем это делается путем обзора всеобъемлющих целей и сосредоточения внимания на нескольких примерах HQS, представляющих некоторые из наиболее активных направлений исследований в этой области. Предоставляются ссылки, где читатель может найти дополнительную информацию по этому полю.

Общие концепции и экспериментальные реализации HQS

Необходимым предварительным условием для реализации функциональной HQS является способность передавать квантовые состояния и свойства между его различными компонентами с высокой точностью.Для двух физических систем A и B это требует гамильтониана взаимодействия HAB, который либо обусловливает эволюцию одной системы в зависимости от состояния другой, либо коррелированно управляет переходами в двух системах. В большинстве примеров, обсуждаемых ниже, мы встретим гамильтонианы взаимодействия вида HAB≃ℏgeff (a + b + b + a), [1]

, где a (a +) и b (b +) — это девозбуждение (возбуждение) операторы, которые, в общем смысле, вызывают переходы между состояниями внутри систем A и B соответственно.Таким образом, произведение a + b указывает на процесс перестановки, в котором возбуждение в одной системе сопровождается снятием возбуждения в другой. При соответствующей идентификации операторов уравнение. Номер 1 представляет взаимодействующие системы, такие как квантовые оптические поля, связанные с помощью светоделителя, атомы, резонансно взаимодействующие с полем полости, и естественные спины, взаимодействующие через свои магнитные моменты.

Если системы A и B имеют очень разные физические свойства, может быть трудно определить соответствующие степени свободы, которые испытывают взаимодействия в форме уравнения. 1 . Одно препятствие может возникать из-за того, что эффективная сила связи geff является слабой из-за неадекватного пространственного (или импедансного) согласования между системами. Связи между микроскопическими системами, такие как спин-орбитальные и спин-спиновые взаимодействия, ответственные за тонкую и сверхтонкую структуру в атомах и молекулах, относительно сильны, потому что электроны и ядра ограничены расстоянием Ангстрема. В качестве альтернативы, мезоскопические сверхпроводящие кубиты могут сильно связываться друг с другом из-за их больших электрических диполей, связанных с пространственной протяженностью области, через которую проходят устойчивые электрические токи.Однако, когда одиночный атом, ион или электрон помещается рядом со сверхпроводящей системой микрометрового или миллиметрового размера, связь между ними на несколько порядков слабее. Другая распространенная проблема связана с различием энергетических шкал в системах, которые мы собираемся объединить. Даже при наличии сильного взаимодействия процесс обмена, описанный HAB, не произойдет, если он не сохраняет энергию, а это означает, что энергии возбуждения двух подсистем очень различаются.Большая часть исследований в области HQS посвящена преодолению этих препятствий.

На рис. 1 мы проиллюстрировали различные кандидаты в компоненты HQS, характеризующиеся их типичными частотами возбуждения Бора (вертикальная ось) и их временами когерентности (горизонтальная ось). Расположение каждой системы на горизонтальной оси рисунка определяет задачи, которые лучше всего делегировать этому компоненту HQS: например, спины полезны для хранения, тогда как сверхпроводящие кубиты могут быть более практичными для быстрой обработки квантовых состояний.Время когерентности T2, то есть время, в течение которого существуют квантовые суперпозиционные состояния, определяет минимальную силу связи, необходимую для того, чтобы компонент HQS функционировал с достаточно высокой точностью: (эффективная) скорость связи geff между системами A и B должна быть достаточно большой, чтобы позволяют передавать квантовое состояние между ними за самое короткое время когерентности из двух, geff T2 минÀ1.

HQS. На схеме показан набор физических систем, представляющих компоненты HQS с различными функциями.Отдельные системы расположены на диаграмме в соответствии с их характеристическими частотами возбуждения (вертикальная ось) и временем когерентности (горизонтальная ось). Стрелки указывают возможные механизмы сцепления и соответствующие значения силы сцепления geff, которые могут быть реально достигнуты. Красные и синие стрелки представляют связь между отдельными системами и связь между ансамблями, соответственно. Связи, представленные пунктирными линиями, поддерживаются дополнительными классическими лазерными или микроволновыми полями для устранения видимого несоответствия энергий возбуждения.См. Текст для более подробной информации.

Стрелки, соединяющие различные компоненты HQS на рис. 1, помечены приблизительными значениями geff, которые реально могут быть достигнуты с помощью современных технологий. Некоторые из более крупных значений силы связи на рис. 1, кажется, противоречат нашему наблюдению относительно слабой связи между очень разными физическими системами. Это противоречие разрешается, если отметить, что связь мезоскопической системы через световые или микроволновые поля с ансамблями, а не с отдельными атомами или спиновыми легирующими добавками (см. Ниже).Красные и синие стрелки на рисунке указывают силы связи одиночной системы и ансамбля соответственно. На рис. 1 также показаны различные примеры связи систем с сильно различающимися энергиями возбуждения (пунктирные линии). В таких случаях механизм связи включает внешний источник или сток, такой как (классический) лазер или микроволновое поле, которое устраняет рассогласование энергии, чтобы процессы, описываемые уравнением. 1 резонансные, когда они сопровождаются поглощением или вынужденным излучением фотонов.Этот механизм связи применим к хорошо известным процессам лазерных оптических рамановских переходов в атомах и молекулах. В оптомеханике (20) параметрическая связь через приложенное управляющее поле используется для преодоления разницы энергий между механическими колебательными модами и оптическими фотонами и для увеличения силы взаимодействия geff.

Далее мы более подробно представим специфику различных систем, схематически изображенных на рис. 1, и опишем некоторые идеи для их гибридизации.

Спин-ансамблевая квантовая память для сверхпроводящих кубитов.

Простейший сверхпроводящий кубит — это электрический LC-контур (резонатор), в котором индуктивность заменена нелинейным джозефсоновским переходом. Тогда спектр возбуждения этого резонатора становится ангармоническим на одноквантовом уровне. Таким образом, он может вести себя как эффективная двухуровневая система (26, 27). Из-за своего макроскопического размера, обычно от 100 мкм до 1 мм, сверхпроводящие кубиты обладают большим электрическим дипольным моментом и, следовательно, они сильно взаимодействуют с микроволновым полем резонатора CPW (18).Эта сильная связь обеспечивает эффективное считывание кубитов, а также быстрый (длительность 100 нс) обмен фотонами с резонатором, что может обеспечивать высокоточные квантовые вентили между различными кубитами (25). Однако сильное взаимодействие сверхпроводящих кубитов с окружающей средой приводит к умеренным временам когерентности, в лучшем случае порядка 10–100 мкс (39, 40).

С другой стороны, из-за малых магнитных моментов электронные или ядерные спины слабо взаимодействуют с окружающей средой, и даже при комнатной температуре спины, встроенные в твердотельную матрицу, могут иметь время когерентности, достигающее секунд для электронных спинов (41 ) и многие минуты, вплоть до часов, для ядерных спинов (42).В то же время спины могут быть плотно упакованы, поскольку их взаимное влияние невелико. Таким образом, спиновые ансамбли обеспечивают естественную среду хранения квантовых состояний.

Перспектива объединения быстрых сверхпроводящих обрабатывающих кубитов с долгоживущей спиновой квантовой памятью привела к некоторым из первых предложений HQS (35, 36), в которых спины и кубиты связаны с одним и тем же микроволновым резонатором CPW и хранятся Состояние кубита определяется фотоном резонатора, который поглощается спинами. Сила магнитной связи между одиночным спином и микроволновым фотоном составляет всего около г ∼ 10 Гц в типичных резонаторах CPW, что слишком мало для поглощения фотона, прежде чем он выйдет из полости.Поэтому было предложено использовать большой ансамбль из N спинов, которые взаимодействуют с фотоном в N раз сильнее, чем один спин. Действительно, резонансная связь ансамбля спинов N с одной модой резонатора описывается моделью Тависа-Каммингса с гамильтонианом H = ℏg∑n = 1N (c | ↑〉 n 〈↓ | + c + | ↓〉 n 〈↑ |) = ℏgN (cS ++ c + S), [2]

где c (c +) обозначает оператор уничтожения (создания) поля полости, а оператор S + = (1 / N) ∑ | ↑〉 n 〈↓ | создает коллективное спиновое возбуждение, распределенное по всему ансамблю.Уравнение 2 ясно показывает коллективный коэффициент усиления geff = gN эффективной скорости связи между модой резонатора и спиновым ансамблем, который для N = 10 ¹¹ –10 ¹² может превышать как скорость спиновой декогеренции. 1 / T2 и типичные скорости затухания резонатора κ≈105 с ⁻¹ . Следуя этим ранним предложениям, режим сильной коллективной связи наблюдался в ряде систем: центры P1 в алмазе (43, 44), центры азот-вакансии (NV) в алмазе (45, 46) и ионы эрбия в YSiO _{. 2} (47).Гораздо более высокие коллективные константы связи могут быть достигнуты, если ансамбль невзаимодействующих спинов заменить на обменно-связанные электронные спины в изолирующих ферромагнетиках, таких как железо-иттриевый гранат, обеспечивая плотность электронных спинов на четыре порядка больше (48⇓⇓ – 51 ). Хотя более короткое время жизни магнонных элементарных возбуждений в этих системах (в лучшем случае 1 мкс) делает их непригодными для приложений квантовой памяти, эти новые гибридные системы открывают новые возможности в области квантовой магноники и квантовых преобразователей.

Недавние эксперименты продемонстрировали возможность передачи квантового состояния от сверхпроводящего кубита к ансамблю спинов (52⇓⇓ – 55). Эксперимент в исх. 53 схематически изображен на рис. 2 A : сверхпроводящий кубит электрически связан с CPW-резонатором на основе сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID), который, в свою очередь, магнитно связан с ансамблем NV-центров. Произвольная суперпозиция α | g〉 + β | e〉 основного (| g〉) и возбужденного (| e〉) состояний кубита сначала переводится в соответствующую суперпозицию энергетических состояний шины (резонатора) CPW α | 0〉 + β | 1〉, где | 0〉 и | 1〉 обозначают 0- и 1-фотонные фоковские состояния.Это состояние затем отображается на суперпозицию α | ↓〉 + βS + | ↓〉 основного состояния спинового ансамбля | ↓〉, соответствующего всем спинам в основном состоянии, и коллективного, симметричного состояния с одним возбуждением S + | ↓ 〉 = (| ↑ 1 ↓ 2 .. ↓ N〉 + | ↓ 1 ↑ 2 .. ↓ N〉 +… + | ↓ 1 ↓ 2 .. ↑ N〉) / N. Типичные результаты показаны на рис. 2 B для начального состояния кубита | ψ〉 = (| g〉 + | e〉) / √2, подвергающегося периодическим циклам хранения и извлечения в этой демонстрации принципа проверки вращения. ансамбль квантовой памяти.

Квантовая память спин-ансамбля.( A ) Фотография ( верхний ) и схематический чертеж ( нижний ) гибридной квантовой схемы, реализованной в исх. 53. Трансмон-кубит (красный) связан с ансамблем электронных спинов NV-центра (розовый) через резонатор квантовой шины с перестраиваемой частотой (оранжевый). ( B ) Осцилляции обмена когерентной суперпозиции квантовых состояний, (| g〉 + | e〉) / √2, первоначально подготовленные в кубите, показывая циклы сохранения (пунктирные стрелки) в и извлечения (сплошные стрелки) из спин ансамбль.

Видно, что сигнал восстановления на рис. 2 B затухает за несколько сотен наносекунд, что на много порядков величины быстрее, чем время когерентности, указанное для отдельных NV-центров в алмазе. Этот быстрый распад происходит из-за неоднородного уширения спинового ансамбля, а именно из-за того, что каждый спин имеет немного отличающуюся резонансную частоту ωi в своей конкретной локальной среде (образованной другими электронными спиновыми примесями, ядерными спинами, локальной деформацией и т. Разброс частот спинового ансамбля заставляет коллективное состояние с единичным возбуждением S + | ↓〉 эволюционировать за время τ в состояние | ψ (τ)〉 = (| ↑ 1 ↓ 2.. ↓ N〉 eiϕ1 + | ↓ 1 ↑ 2 .. ↓ N〉 eiϕ2 +… + | ↓ 1 ↓ 2 .. ↑ N〉 eiϕN) / N, [3]

с ϕi = −ωiτ. Накопление различных фаз подразумевает, что члены суперпозиции уравнения. 3 больше не интерферируют конструктивно, и сохраненное состояние не может быть восстановлено как фотон резонатора после времени хранения, превышающего T2 * ≈1 / Δω, которое определяется (неоднородной) шириной линии Δω спинового ансамбля (53).

Увеличение времени хранения твердотельной квантовой памяти спинового ансамбля за пределы неоднородной ширины линии является предметом текущих исследований.Одним из способов решения проблемы может быть использование более сильных связей, geff≫Δω, для смещения частоты возбуждения гибридизированного спинового волнового резонатора из континуума частот спиновых переходов. Действительно, было продемонстрировано, что такой подход приводит к значительному уменьшению затухания коллективных возбуждений в таких системах (56). Другой потенциально жизнеспособный подход включает априорную оптимальную спектральную фильтрацию спинового ансамбля (57), которая оставляет соответствующее подмножество спинов для использования в качестве высокоточной памяти.Наконец, поскольку отдельные спины в неоднородно расширенном ансамбле развиваются единично, каждый из которых имеет свою собственную частоту перехода, направление прецессии всех спинов может быть изменено на противоположное, применяя хорошо известные методы перефокусировки, такие как последовательности эхо Хана, используемые в экспериментах по магнитному резонансу. Эта перефокусировка может позволить восстановить сохраненное квантовое состояние как спин-эхо спустя долгое время после того, как состояние ансамбля потеряло бы свою фазовую когерентность из-за неоднородного уширения (58–61).

С другой стороны, неоднородное уширение и его эффективная перефокусировка с помощью π-импульсов дает возможность использовать спиновой ансамбль для многомодового хранения. Поскольку фотонное возбуждение, сохраненное в ансамбле в момент времени t , сбрасывается по фазе во время T ₂ *, другой фотон может быть переведен в режим коллективного спинового возбуждения в момент времени t + τ, если τ> T ₂ *. Используя исчезающее перекрытие между любыми двумя такими режимами хранения, этот процесс передачи можно повторить несколько раз (58⇓⇓ – 61).Количество фотонных импульсов, сохраняемых в течение однородного срока службы T ₂ (≫ T ₂ *) отдельных спинов, ограничено произведением временной полосы T ₂ / T ₂ *, позволяя хранить до нескольких сотен фотонных кубитов в ансамбле NV-центров (60). Уже получены обнадеживающие экспериментальные результаты по последовательному хранению нескольких слабых микроволновых импульсов и их восстановлению через десятки микросекунд (61).Многомодовое накопление также было продемонстрировано в кристалле кремния, легированного фосфором (58). В этом эксперименте сильное сверхтонкое взаимодействие между каждым отдельным электроном и его родительским ионом было дополнительно использовано для преобразования последовательности коллективных возбуждений электронного спина в ядерные возбуждения, которые затем сохранялись и затем передавались обратно спинам электронов и микроволновому полю после секунды времени хранения.

Эти первоначальные результаты и идеи указывают на возможность практической реализации квантовой памяти на основе ансамбля спинов, способной одновременно сохранять состояния сотен сверхпроводящих кубитов в течение многих секунд, а потенциально — часов.Такие воспоминания станут ярким примером преимуществ подхода HQS.

Атомные ансамбли как воспоминания и оптические интерфейсы.

Помимо обработки и хранения информации, квантовые состояния могут использоваться для безопасной передачи данных. Распределение данных в более крупных архитектурах QIPC и практическая квантовая криптография могут быть достигнуты только с помощью оптических фотонов, распространяющихся в свободном пространстве или оптических волокон (2, 3). Таким образом, реализация когерентных интерфейсов между квантовой памятью, обрабатывающими кубитами и «летающими» оптическими кубитами имеет большое значение в квантовой информатике.

Изолированные атомы имеют оптические (рамановские) переходы с превосходными свойствами когерентного поглощения и излучения, а также накопления фотонов. Таким образом, соединение ансамблей холодных захваченных атомов (31, 32) и молекул (33) с резонаторами CPW было одним из первоначальных предложений для HQS, способных обеспечить как длительное время хранения, так и эффективные оптические интерфейсы. Однако по сравнению с твердотельными спиновыми ансамблями охлаждение и захват атомов вблизи сверхпроводящего CPW приводит к серьезным экспериментальным сложностям, и реалистичное количество захваченных частиц составляет около N = 10 ⁵ –10 ⁶ . меньше, чем то, что достигается с помощью спиновых кристаллов, и, следовательно, связь с атомными спиновыми ансамблями обычно слабее (31).

Для компенсации пониженной связи могут использоваться сильные электродипольные переходы между вращательными состояниями в полярных молекулах (33) или между высоковозбужденными ридберговскими состояниями атомов (32, 62). В частности, переходы в диапазоне десятков гигагерц между круговыми ридберговскими состояниями с огромными дипольными моментами использовались (63) для прочной связи ридберговских атомов с одиночными микроволновыми фотонами в трехмерных резонаторах. Предварительные данные показывают, что аналогичная связь может быть реализована и в полостях CPW на кристалле (64, 65).Ref. 32 подробно описывает схему, в которой облако атомов, первоначально подготовленное в основном состоянии | g〉, соединяется с коллективным ридберговским возбуждением посредством двухфотонного процесса, включающего оптическое поле накачки и одиночный фотон CPW-резонатора. В целом, эта схема реализует гамильтониан взаимодействия общего вида, задаваемого формулой. 1 H = ℏgN (cR ++ c + R), [4]

где оператор R + = (1 / N) ∑ | r〉 n 〈g | создает симметричное (коллективное) возбуждение ридберговского состояния | r〉, а g = Ωgi ηir / δ — эффективная скорость взаимодействия двух фотонов.Эта скорость пропорциональна частоте Раби Ωgi поля оптической накачки между основным состоянием | g〉 и промежуточным ридберговским состоянием | i〉 и частоте Раби ηir одиночного микроволнового фотона, взаимодействующего с ридберговскими состояниями | i〉 и | r 〉, И обратно пропорциональна отстройке δ≫Ωgi, ηir от промежуточного состояния. При достаточно сильном поле накачки Ωgi и очень большом дипольном матричном элементе (ηir∼n2), таком как полученный для перехода между соседними ридберговскими состояниями с высоким главным квантовым числом n≅70, необходимая эффективная сила связи geff = gN≳1 МГц уже может быть достигнута с разумным числом N = 10 ⁶ атомов.

Когда передача состояния между микроволновым фотоном и атомами завершена, можно использовать дополнительные оптические переходы для передачи коллективного ридберговского возбуждения долгоживущему спиновому возбуждению в сверхтонком многообразии основного состояния и обратно или отображать его на распространяющееся фотонная мода. В свободном пространстве методы стимулированного комбинационного рассеяния, такие как электромагнитно-индуцированная прозрачность (66), обеспечивают когерентное и обратимое преобразование коллективных спиновых возбуждений в фотоны в четко определенных пространственно-временных модах.Однако для этого процесса требуется большая оптическая толщина среды, OD = σρl> 1 , где σ — сечение одноатомного поглощения, ρ — атомная плотность, а l — длина среды (67). Поместив атомную среду в оптический резонатор с высокой точностью F , эффективность переноса может быть дополнительно увеличена, достигнув оптимального значения C / (1 + C) (68). Здесь C = F × OD — оптическая кооперативность, которая представляет собой ключевой показатель качества оптического интерфейса.Ввиду низкой атомной плотности в таких установках интеграция атомных ловушек с фотонными структурами на кристалле (69, 70) является многообещающим экспериментальным подходом к достижению гибридных интерфейсов с CÀ1.

Захват и охлаждение атомов в ловушках на основе чипов — это хорошо зарекомендовавший себя метод, который, однако, технически сложен при криогенных температурах и вблизи сверхпроводящей поверхности. Тем не менее, магнитный захват и даже охлаждение облака атомов вплоть до квантового вырождения [т.е., конденсации Бозе-Эйнштейна (БЭК)] над сверхпроводящим чипом (71, 72). В настоящее время исследуются новые способы использования сверхпроводящих резонаторов и схем непосредственно для захвата (73). В настоящее время разрабатываются и другие экспериментальные подходы к реализации атомных HQS (74), когда атомы оптически захватываются в затухающем поле сужающегося волокна (75). Такая близость атомов к волокну позволит с высокой точностью преобразовывать квантовые состояния атомов в распространяющиеся фотоны в волокне, одновременно минимизируя возмущение сверхпроводящей цепи из-за локализации захватывающих и рамановских лазерных лучей.

Параллельно с этими экспериментальными усилиями по атомным интерфейсам микроволнового излучения и оптики разрабатываются другие подходы, использующие оптические и микроволновые переходы в кристаллах со спиновым легированием (76, 77). Целью здесь является достижение максимального перекрытия спиновых возбуждений, создаваемых соответствующими оптическими и микроволновыми модами, при минимальном поглощении оптических фотонов на сверхпроводнике. Использование для этой цели более крупных трехмерных микроволновых резонаторов вместо плоских CPW может быть полезным, поскольку как оптическая, так и микроволновая моды могут иметь максимумы в центре таких резонаторов, вдали от сверхпроводящих стенок (77).Уменьшение магнитной или оптической связи с одним спином компенсируется в этом подходе за счет большего числа частиц, которые могут быть заключены в объеме микроволновой моды (78⇓ – 80).

Механические квантовые преобразователи.

В качестве альтернативы оптическим и микроволновым фотонам квантовая информация может быть преобразована и передана посредством квантованных механических колебаний опто- и наномеханических систем (19, 20). Микро- и наномеханические резонаторы с высокой добротностью, такие как крошечные кантилеверы или подвесные мембраны, очень чувствительно реагируют на приложенные силы, что делает их пригодными для различных применений, основанных на обнаружении слабых сигналов.При применении на уровне одиночных квантов тот же принцип измерения силы — например, преобразование слабой магнитной силы в обнаруживаемый электрический или оптический сигнал (81, 82) — открывает новые возможности для механического взаимодействия квантовых систем различных типы (24). Недавно продемонстрированное охлаждение механических колебательных мод, близких к квантовому основному состоянию (83⇓ – 85), и текущие экспериментальные попытки связать механические резонаторы со сверхпроводящими цепями (83, 86, 87), атомами (88) и спинами (89). , 90) являются важными начальными шагами в этом направлении.

Основные идеи и потенциальные применения механических квантовых преобразователей показаны на рис. 3. Установка, показанная на рис. 3 A , изображает механический преобразователь спина, в котором локализованные электронные спиновые кубиты связаны с квантованным движением колеблющегося намагниченного объекта. кончик. При наличии сильных градиентов магнитного поля движение иглы модулирует зеемановское расщепление собственных состояний спина под иглой и приводит к взаимодействию спинового резонатора вида (91) Hint = ℏλ (b + b +) σz.[5] Здесь b — оператор аннигиляции для режима механического осциллятора, σz — оператор Паули для спина, а λ — сила связи на фонон. В отличие от уравнения. 1 , H _int не описывает резонансный обмен возбуждениями. Вместо этого он представляет собой зависящую от спина силу, которая превращает начальное состояние суперпозиции спинов в эквивалентную суперпозицию смещенных механических состояний. Если резонатор электрически заряжен, слабые магнитные моменты спинов эффективно усиливаются с помощью этого процесса до больших электрических диполей, обеспечивая, например, сильные электрические взаимодействия между разделенными спиновыми кубитами.Подобные принципы лежат в основе реализации различных других механических гибридных систем, в которых спины или сверхпроводящие кубиты механически связаны друг с другом или взаимодействуют с фотонами (92), захваченными ионами (93, 94) или атомными системами (88, 95⇓ – 97) .

Механические квантовые преобразователи. ( A ) Намагниченный механический резонатор соединен с локализованным электронным спиновым кубитом и преобразует небольшие спин-индуцированные смещения в электрические сигналы. Таким образом, спиновые кубиты могут быть электрически «подключены» или связаны с другими заряженными квантовыми системами.( B ) Иллюстрация границы ОМ между сверхпроводящим кубитом и оптическими (летающими) фотонами. Здесь механическая система, представленная полупрозрачной мембраной, одновременно действует как конденсатор и как оптический отражатель. ( C ) Экспериментальная установка, использованная в исх. 108 для реализации оптомеханического интерфейса микроволнового излучения и оптики посредством одновременного подключения частично металлизированной мембраны к оптическому резонатору и LC-цепи. ( D ) Сигнальный фотон с частотой ∼ωcop входит в оптический резонатор и преобразуется с понижением частоты посредством управляемого параметрического взаимодействия ОМ в фонон с частотой ωm.Затем, посредством эквивалентного процесса, это механическое возбуждение снова преобразуется в микроволновый фотон с частотой ∼ωcmw в LC-цепи. С помощью этого и обратного механизма квантовая информация, закодированная в микроволновых возбуждениях сверхпроводящего кубита или ЖК-резонатора, может когерентно преобразовываться в оптические сигналы для квантовой связи на большие расстояния.

Первые эксперименты — все еще в классическом режиме — показали, что микромеханические осцилляторы могут быть магнитно связаны со сверхтонкими состояниями холодных атомов (88) или отдельными примесными спинами (89, 90).Для когерентной связи двух или нескольких кубитов через механические каналы необходимо достичь режима сильной (механической) кооперативности, Cm = λ2T2Tm> 1 (91). Здесь T ₂ — время когерентности кубита, а Tm − 1 = kBT / (ℏQ) — характерная скорость механической декогеренции, где Q — добротность режима резонатора, T — температура поддержки, и k _B — постоянная Больцмана. Простые оценки показывают, что для спиновых кубитов условие Cm> 1 реально достигается с помощью современных механических резонаторов с Q∼105−106 и работающих при температурах T ≤ 1 K (90, 91).Для сверхпроводящих кубитов электростатическое взаимодействие с наномеханическими резонаторами может быть значительно сильнее (98). Первоначальные эксперименты, позволяющие получить доступ к режиму полной сильной связи λ> T2−1, Tm − 1, уже выполнены (83, 87).

Наномеханические системы представляют особый интерес для разработки универсального оптико-механического (ОМ) преобразователя для когерентного взаимодействия оптических и микроволновых фотонов (38, 99⇓ – 101) (рис. 3 C и D ) . В системах OM частота ω _c моды оптического резонатора модулируется движением механического резонатора с механической частотой ω _m . Общие примеры систем OM включают полости Фабри – Перо с подвижным концевым зеркалом или с полупрозрачной мембраной, помещенной внутри полости (20). Нанофотонные системы (102, 103) и фотонные запрещенные структуры (99, 104) также демонстрируют аналогичные взаимодействия. Система ОМ описывается гамильтонианом H = ωcc + c + ℏωmb + b + ℏg0c + c (b + b +), [6]

, где c — оператор аннигиляции для оптической моды. Первые два члена в этом уравнении представляют невозмущенные энергии оптической и механической мод соответственно, а третий член описывает связь давления излучения.Константа связи g ₀ — это сдвиг оптической частоты на колебательный квант, который обычно очень мал. Однако взаимодействие ОМ можно параметрически усилить, возбуждая резонатор мощным лазером с частотой ω _d . В этом случае полное поле внутри полости составляет c = [ α ( t ) + δc ] exp (- iω _d t ), где δc представляет собой квантовые флуктуации вокруг большой амплитуды классического поля α ( t ) . При выборе условия резонанса ω _c = ω _d + ω _m , доминирующий член связи OM становится аналогичным взаимодействию светоделителя (20) HΟΜ≃ℏG (t) (δc + b + b + δc), [7]

где, подобно процессу антистоксова рассеяния, низкочастотные механические возбуждения преобразуются с повышением частоты под действием управляющего поля в фотоны оптического сигнала и наоборот. Эффективное соединение G ( t ) = α ( t ) g ₀ затем усиливается и управляется внешним движущим полем.

В микроволновой области аналогичная связь возникает, когда механические колебания модулируют емкость сверхпроводящего резонатора CPW или LC-контура (84, 105). Здесь также связь усиливается и контролируется сильным микроволновым полем, которое устраняет разницу частот между контуром и механическими резонансами. Важно, что из-за лежащего в основе параметрического взаимодействия эффективная фотон-фононная граница раздела в уравнении. 5 не полагается на абсолютную частоту оптического или микроволнового режима, которая в обоих случаях компенсируется частотой внешнего управляющего поля (рис.3 D ). Следовательно, используя единую механическую мембрану как в качестве зеркала, так и в качестве конденсатора, достигается эффективный интерфейс оптики и микроволнового излучения, посредством которого микроволновые фотоны преобразуются в фононы, а затем в (летящие) оптические фотоны.

В настоящее время исследуются различные конструкции для экспериментальной реализации когерентных преобразователей СВЧ-оптики. Эффективное преобразование ОМ между оптическими и микроволновыми сигналами уже было продемонстрировано как при комнатной температуре (106, 107), так и в криогенных (108) средах.Несмотря на множество препятствий, которые в настоящее время все еще мешают полностью согласованной работе таких экспериментов на однофотонном уровне, перспективы квантовых интерфейсов ОМ между твердотельными, атомными и оптическими системами очень многообещающие.

Перспективы: Quo Vadis, Quantum Hybridium?

Гибридным квантовым системам еще далеко до реализации общих задач квантовой обработки информации и коммуникации с точностью, необходимой для практических приложений. Интеграция очень разных физических компонентов представляет собой технологические и научные проблемы, которые отсутствуют при управлении каждым компонентом по отдельности.Однако описанные выше экспериментальные реализации HQS показывают, что эти препятствия можно преодолеть. Протоколы с управляемыми связями, зависящими от времени, в настоящее время исследуются для оптимизации скорости и точности передачи квантовых состояний. Форма полей связи может быть адаптирована к временной реакции зашумленной (декогерентирующей) среды (109), а также могут применяться квантовые измерения и обратная связь (110), чтобы уменьшить или устранить эффект диссипации и декогеренции. на интерфейсах HQS.Нет никаких сомнений в том, что дальнейший прогресс в этих направлениях позволит создать гибридные многозадачные квантовые технологии все большей сложности.

Чтобы предоставить обзор задач, для которых HQS могут быть использованы в ближайшем и более отдаленном будущем, мы указываем на рис. 4 неверности, допускаемые различными потенциальными технологическими приложениями квантовых эффектов. Очевидно, что конечная цель реализации крупномасштабного квантового компьютера, включая алгоритмическую квантовую коррекцию ошибок, выходит за рамки нынешних возможностей.На другом, более скромном конце шкалы находятся связь и зондирование, которые могут функционировать, хотя и с меньшей скоростью, даже если процесс связывания имеет низкую точность или предвещает низкую вероятность успеха. Ожидается, что в ближайшее время большое влияние окажут ВКС. Например, беспрецедентный уровень управления и малошумящего усиления на микроволновых частотах, достигнутый в сверхпроводящих цепях, уже использовался для обнаружения электронного спинового резонанса на уровне нескольких возбуждений (111).Аналогичным образом исследуются преобразователи OM для малошумящего оптического обнаружения слабых радиочастотных сигналов (107). В более общем плане ожидаемая способность HQS передавать весьма неклассические (запутанные) состояния между различными физическими платформами может распространить квантово-улучшенные схемы зондирования на системы, где такой высокий уровень квантового контроля априори недоступен. Отображение сжатых микроволновых или оптических полей на спиновые ансамбли для магнитометрии и изготовление наномеханических сенсоров в высокочувствительных квантовых суперпозиционных состояниях являются возможными приложениями в этом направлении.

Возможные приложения, которые может выполнять HQS с достижимой неверностью 1- F .

Переход от практических приложений к более фундаментально ориентированным исследованиям, расширение HQS может предложить новые возможности для моделирования и изучения сложных явлений в квантовых системах многих тел. В частности, комбинация различных систем с оптимизированными когерентными и настроенными (сконструированными) диссипативными свойствами может быть использована для исследования вопросов, связанных с неравновесными фазовыми переходами в открытых квантовых системах многих тел (10, 112–114).Такие системы в настоящее время трудно реализовать в лаборатории, но анализ диссипативных моделей решетки типа Дике с HQS-массивами спиновых ансамблей и сверхпроводящих цепей (115⇓⇓ – 118) показывает потенциал для создания масштабируемых систем с достаточно большой силой взаимодействия.

В целом подход HQS согласуется с долгосрочным видением «эры квантовой информации», в которой квантовая информация обрабатывается, хранится и передается модульным и универсальным для платформы способом.Захватывающие перспективы этого исследования будут занимать ученых в течение некоторого времени и, вероятно, будут стимулировать множество идей и мотивировать экспертов из исследовательских и технических областей, даже не упомянутых в этом обзоре, противостоять вызовам ВКС.

Система Matchmaker Gold Yeast Two-Hybrid — это наиболее совершенная и высокопроизводительная версия нашей популярной линейки продуктов Matchmaker для исследования белок-белковых взаимодействий.Это связано с комбинацией нового штамма дрожжей (Y2H Gold), строгих репортеров, простых в использовании библиотек, векторов экспрессии высокого уровня и наборов для создания библиотек на основе SMART.

Система Matchmaker Gold Yeast Two-Hybrid — это наиболее совершенная и высокопроизводительная версия нашей популярной линейки продуктов Matchmaker для исследования белок-белковых взаимодействий. Это связано с комбинацией нового штамма дрожжей (Y2H Gold), строгих репортеров, простых в использовании библиотек, векторов экспрессии высокого уровня и наборов для создания библиотек на основе SMART.

Обзор двухгибридного анализа дрожжей Matchmaker

В двухгибридном анализе на основе Matchmaker GAL4 белок-приманка экспрессируется как слияние с ДНК-связывающим доменом GAL4 (DNA-BD), тогда как библиотеки белков-жертв выражаются как слияния с доменом активации GAL4 (AD). (Чиен и др., 1991; Филдс, Сонг, 1989). Когда слитые белки приманки и библиотеки (жертвы) взаимодействуют, ДНК-BD и AD сближаются, чтобы активировать транскрипцию четырех независимых репортерных генов ( AUR1-C , ADE2 , HIS3 и MEL1 ).

Эту технологию можно использовать для:

• Определить новые взаимодействия белков
• Подтвердить предполагаемое взаимодействие
• Определить взаимодействующие домены

Зачем мне четыре репортерных гена?

Дрожжевые двугибридные системы, которые используют только репортер питания HIS3 для скрининга белок-белковых взаимодействий, часто генерируют большое количество фоновых колоний и ложноположительных результатов. Фоновые колонии являются результатом неплотной экспрессии питательного репортера, тогда как ложноположительные результаты вызваны белками жертвы, которые независимо от приманки обладают способностью распознавать и связываться с последовательностями выше репортера.

Система Matchmaker Gold Yeast Two-Hybrid — единственная двухгибридная система дрожжей с четырьмя подлинными репортерами и тремя различными последовательностями распознавания приманки. Фоновый рост невозможен из-за активности и стабильности ауреобазидина А, нового дрожжевого антибиотика, который убивает все неустойчивые клетки. Ложноположительные результаты сводятся к минимуму, поскольку любой независимо связывающийся белок жертвы должен связываться со всеми тремя последовательностями распознавания и активировать четыре разных репортера.

Четыре репортера

В системе используются антибиотики, пищевые и колориметрические репортеры.

Наборы двухгибридных дрожжевых сред

Каждый из наших двухгибридных наборов дрожжевой среды содержит полный набор всех пакетов дрожжевой среды, необходимых для двухгибридных протоколов Matchmaker Gold.

Гибридные системы могут привести к смене парадигмы экологически чистой энергии, согласно исследованию: Энергия и окружающая среда

11 декабря 2020

Согласно академической статье, недавно опубликованной исследователями из лабораторий прикладной энергетики Министерства энергетики США, одновременное использование различных генераторов энергии, в том числе ядерных, для обеспечения электроэнергии, тепла, мобильности и других энергетических услуг может привести к сдвигу парадигмы в производстве чистой энергии. .Между тем, американская компания NuScale Power провела оценку увеличения производства чистого водорода, которое произойдет в результате увеличения выходной мощности небольшого модульного реактора на 25%.

Исследовательский доклад групп из Национальной лаборатории Айдахо (INL), Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и Национальной лаборатории энергетических технологий (NETL) был опубликован 1 декабря в объеме Дж. Они описывают новые гибридные энергетические системы, которые синергетически включают различные источники энергии, включая возобновляемые источники энергии, ядерное и ископаемое топливо с улавливанием углерода.Такие системы могут использовать несколько источников энергии, чтобы максимизировать ценность каждого, создавая более ценные продукты, поставляя в промышленность энергию с меньшими выбросами и лучше координируя спрос с производством энергии.

В качестве примера в статье описывается гипотетический, тесно связанный промышленный энергетический парк, который использует тепло и электричество от очень гибких передовых ядерных реакторов, малых ископаемых генераторов и технологий возобновляемых источников энергии для производства электричества и водорода путем электролиза.

«В этом сценарии, в зависимости от рыночных цен, электричество и / или тепло могут быть проданы в сеть, использованы на месте или сохранены для последующего распределения и использования», — сказал старший научный сотрудник NETL по стратегическому системному анализу и проектированию Дэвид Миллер. . «Кроме того, выходные потоки также могут быть использованы для производства водорода или других ценных химикатов и продуктов».

Гибридные системы «с множеством входов и выходов» могут обеспечить поставку чистой энергии для более крупной энергетической системы с нулевыми выбросами для поддержки секторов экономики, которые труднее декарбонизировать, таких как промышленность и транспорт.Авторы заключают, что реализация этой новой парадигмы потребует междисциплинарных исследований, разработок и демонстраций, обеспечиваемых межотраслевыми исследовательскими программами, с усилением сотрудничества между государственным и частным секторами, а также между производителями и пользователями энергии с целью ускорения инноваций. «Достижение агрессивных глобальных целей для энергосистем с низким и нулевым уровнем выбросов потребует всех ресурсов, имеющихся в нашем арсенале», — заявили они.

Повышение скорости NuScale увеличивает водородный потенциал

Отдельно NuScale Power из Портленда, штат Орегон, обновила свои оценки технической осуществимости и экономики производства водорода с использованием тепла и электроэнергии из модуля NuScale Power Module (NPM) после недавно объявленного увеличения мощности на 25% до 250 МВт (77 МВт) на модуль.Это обновление исследования 2014 года, проведенного совместно с INL.