СМИ о нас

Сделать фотографию звёздного неба и увидеть наночастицы — чем займутся участники смены РАН в «Артеке»

Стали известны подробности о дополнительной общеразвивающей программе «300 лет РАН: фундаментальный взгляд на окружающий мир», которая пройдёт в рамках тематического партнёрства Российской академии наук и Международного детского центра «Артек».

Конкурсный отбор заявок на участие в научной смене РАН продлится до 15 апреля включительно.

В ходе обучения участники смены узнают, как обращаться с телескопом, познакомятся с принципами его работы, а также смогут понаблюдать за объектами Солнечной системы и дальнего космоса, сделать фотографию звёздного неба. В рамках направления «Биомедицина» ребят познакомят со строением бактерий, проблемами антибиотикорезистентности, а в области химии им расскажут, что такое хромофоры, фотодинамическая терапия и многое другое.

Большой блок будет посвящён физике — свойствам и применению наночастиц, оптическим методам исследования, и биоинформатике — анализу молекулярных данных, в том числе при помощи методов машинного обучения.

«К отличительным особенностям программы можно отнести уникальный курс лекций и практических занятий, разработанный специально профессорами Российской академии наук — учёными-популяризаторами, педагогами с опытом работы в Базовых школах РАН. Оригинальные вступительные задания по математике, физике, химии и биологии были составлены членами и профессорами РАН. Кроме того, в отборочном туре дополнительные баллы получат победители конкурсов, организованных при участии Российской академии наук, к примеру, викторины юных физиков ОФН РАН, конкурса им. Д.И. Менделеева, Всероссийского чемпионата сочинений „Своими словами“», — отметил один из авторов программы, руководитель Троицкого обособленного подразделения ФИАН, заведующий кафедрой МПГУ член-корреспондент РАН Андрей Наумов.

В завершении обучения участникам предстоит подготовить и защитить свой проект в формате устных докладов, а также принять участие в финальном эксперименте.

https://t.me/rasofficial/12063

Коллектив российских ученых из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провел детальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих развитие протяженных атмосферных разрядов, инициированных в лабораторных условиях. Впервые была составлена подробная хронологическая карта генерации различных видов излучений, включая высокочастотное (ВЧ-, ~10–100 МГц), сверхвысокочастотное (СВЧ-, ~1–6 ГГц), рентгеновское (фотоны с энергиями от 5 кэВ до 1 МэВ), а также оптические излучения в ближнем инфракрасном (700–1100 нм) и ближнем ультрафиолетовом (300–400 нм) диапазонах. Результаты исследований позволили лучше понять механизмы генерации излучений в протяженных высоковольтных разрядах, их временные корреляции, а также определить локальные источники излучений. Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследования были проведены при поддержке Российского научного фонда (грант № 23-19-00524).

Известно, что высоковольтные атмосферные разряды, например, молнии, сопровождаются излучением в широком спектре частот. Генерация того или иного вида электромагнитного излучения зависит от временной стадии эволюции разряда, параметров плазменных структур, прокладывающих путь развития разряда, параметров самой газоразрядной среды, в которой формируется разряд, и многих других факторов. Механизмы генерации некоторых видов излучений в атмосферных разрядах, связанных, например, с появлением высокоэнергетичных фотонов (с энергиями более единиц кэВ) или началом эмиссии широкополосного радиоизлучения, еще недостаточно изучены. Современные исследования показывают, что испускание разрядами радиоволн в диапазоне порядка 10–100 МГц может быть связано со вспышечным развитием стримерных корон, берущих начало от прогретых плазменных каналов — лидеров или же прорастающих от пространственных областей с повышенной ионизацией, называемых иногда изолированными структурами. Это плазменные образования, которые могут появляться на пути распространения результирующего канала разряда и развиваться независимо от него, оказывая при этом определенное влияние на его пространственную эволюцию и генерацию различных электромагнитных излучений. Однако физика быстропротекающих процессов в газоразрядной среде, определяющих генерацию сверхвысокочастотного радиоизлучения (в ГГц диапазоне частот) и высокоэнергетичных рентгеновских фотонов, до сих пор остается предметом активных научных дискуссий.

Ранее было установлено, что при инициировании лабораторных атмосферных разрядов при мегавольтных напряжениях удается зарегистрировать рентгеновские фотоны с энергиями в сотни кэВ. Эмиссия рентгеновского излучения может проявлять сложную пространственную структуру и анизотропию углового распределения, а сам «источник» генерации данного излучения способен распространяться в объеме разряда вдоль плазменных структур с ультравысокой скоростью порядка 1010 см/с. При этом первый источник часто возникает вдали от электродов, примерно в области середины разрядного промежутка. Кроме того, исследования выявили определенную корреляцию между появлением вспышек рентгеновского излучения и генерацией СВЧ-излучения в диапазоне 1–6 ГГц.

В рамках эксперимента ученые провели исследования на большой высоковольтной установке, способной генерировать электрические разряды длиной метрового масштаба при напряжениях в миллион вольт и токах порядка десятка килоампер. Разряд инициировался в выходном узле установки, который включал в себя два металлических электрода — отрицательно заряженный конический катод с иглой по центру и заземленный сетчатый анод, расположенных друг напротив друга на расстоянии 55 см. Когда на катод подавали высокое напряжение, в атмосферном воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии. Развитие разряда сопровождалось генерацией различных электромагнитных излучений. Для их регистрации вокруг установки исследователями был размещен целый комплекс приборов высокого временного и пространственного разрешения. В частности, использовались специальные сборки быстрых сцинтилляционных рентгеновских детекторов, фотоэлектронных умножителей, чувствительных к излучению в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, система из сверхширокополосных антенн для регистрации радиоизлучений. Дополнительно фиксировалась эволюция разряда с помощью наносекундной фотосъёмки плазменных структур и измерялись ток и напряжения разряда. Благодаря полученным многочисленным экспериментальным данным исследователями была создана универсальная хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами (рисунок 1).

В ходе экспериментов ученые выяснили, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде протяженной стримерной короны — слабоионизованной плазмы, формируемой первичными стримерами, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Данной стадии развития разряда присуще интенсивное излучение в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивное в области ближнего инфракрасного диапазона (рисунок 2). Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного радиоизлучения в МГц диапазоне частот (рисунок 3).

Ситуация кардинально меняется, когда с поверхности анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. Показано, что в этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучений. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения. Частотно-временные характеристики радиоизлучений, зарегистрированных в ходе эксперимента, наглядно демонстрируют динамические спектрограммы на рисунках 4 и 5.

С использованием различных комбинаций сборок рентгеновских детекторов и наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда исследователям удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка через десятки наносекунд после первых актов взаимодействий встречных стримеров с прикатодной зоной (рисунок 6). Самые первые вспышки рентгеновского излучения при этом наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют около 500 А и 1 МВ.

Результаты измерений эмиссий рентгеновского излучения в периферийной области разрядного промежутка (с учетом данных, ранее полученных в работе ) показали, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. Генерация фотонов с энергией в сотни кэВ (но, не выше 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и околоанодной областей разряда, тогда как примерно в середине разрядного промежутка (вдали от обоих электродов) наблюдаются преимущественно низкоэнергетические фотоны. В совокупности же в разряде регистрируются фотоны с энергиями вплоть до 1 МэВ (рисунок 7).

«Результаты наших исследований могут помочь в построении согласованных моделей механизмов генерации рентгеновских излучений в протяженных высоковольтных разрядах, инициированных в лабораторных условиях, и грозовых разрядах в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ, — Благодаря полученным экспериментальным данным нам удалось установить динамику процессов в газоразрядной среде и связанных с ними электромагнитных излучений, предшествующих появлению первых вспышек рентгеновского излучения. Например, было установлено, что перед началом эмиссии рентгеновского излучения плазменная система в разрядном промежутке испускает мощную вспышку в диапазоне ближнего ИК, которая фактически служит временным репером для отслеживания моментов появления первых вспышек высокоэнергетичных фотонов».

«Измерения различных излучений и результаты наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда показали, что резкие изменения в характере генерации различных электромагнитных излучений связаны с некоторыми особенностями процессов плазмообразования, возникающих, начиная с момента замыкания всего разрядного промежутка первыми результирующими плазменными каналами, которые, однако, не обладают высокой степенью ионизации. Данное наблюдение указывает на принципиально сложный характер коллективных процессов в плазменной среде, способных вызывать генерацию различных типов излучений. Мы полагаем, что проведенные исследования будут полезны для развития новых методов диагностики электрических явлений и разрядов в земной атмосфере» — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Отдела физики высоких плотностей энергии Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

«Одним из достижений проведенной работы является созданная хронологическая карта, которая детально описывает ключевые временные корреляции между различными типами электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне. В рамках идеи масштабирования газоразрядных процессов в земной атмосфере данная карта может быть полезна для последующих поисковых, теоретических и экспериментальных исследований, нацеленных раскрыть физику локальных источников и ключевых механизмов генерации сверхширокополосного радиоизлучения и высокоэнергетичных фотонов во время грозовых явлений и лабораторных атмосферных разрядов» — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

Результаты исследований могут помочь расширить современное представление о механизмах формирования протяженных разрядов и связанных с ними электромагнитных явлений, важных для понимания закономерностей формирования натурных молниевых разрядов и разработки новых методов их диагностики. Полученные в работе результаты могут быть использованы при совершенствовании систем грозопеленгации, молниезащиты и подавления мощных электромагнитных помех, в разработке аэрокосмической техники и в технологиях управления плазмой, в импульсных электрофизических системах и устройствах, используемых в современной энергетике.

В дальнейшем ученые планируют исследовать пространственные характеристики источников рентгеновского излучения с еще большей точностью, а также разработать модели, объясняющие механизмы генерации радиоизлучений в ГГц-диапазоне частот.

Рисунок 1. Хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами. На верхней панели показаны типичные осциллограммы тока и напряжения разряда. На средней панели показана хронология развития разряда — результаты наносекундной фотосъёмки. На нижней панели показана временная карта всех зарегистрированных электромагнитных излучений. Наклонные штриховые линии характеризуют временные интервалы, когда амплитуды соответствующих сигналов излучения достигают максимальных значений. Отдельно отмечены временные интервалы, когда рентгеновские вспышки наблюдаются чаще всего. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 2. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) и оптическим излучением в диапазонах длин волн ближнего УФ (300–400 нм) и ИК (700–1100 нм) вместе с формами напряжения, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 3. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), ВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 10–100 МГц) и рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) вместе с формами тока и напряжения разряда, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 4. Спектрограммы сигналов ВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–600 МГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 5. Спектрограммы сигналов СВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–6 ГГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 6. Пространственно-временная локализация зон генерации рентгеновского излучения в течение временных интервалов наносекундной съемки плазменных структур разряда. Задержка между кадрами камеры составляет 5 нс. Параметр Exp: обозначает время экспозиции кадра. Источник: Journal of Applied Physics.

Рисунок 7. Временная картина появления рентгеновских вспышек в трех сериях измерений по 250 событий с использованием свинцовых фильтров различной толщины (3 мм, Eν 170 кэВ; 10 мм, Eν 300 кэВ и 50 мм,Eν 870 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics.

Научная статья: E. V. Parkevich, K. V. Shpakov,I. S. Baidin, A. A. Rodionov,A. I. Khirianova, Ya.K. Bolotov, V. A. Ryabov. Temporal map of electromagnetic emissions produced by laboratory atmospheric discharges. J. Appl. Phys. 136, 173301 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0231084 .

https://zanauku.mipt.ru/2025/04/04/uchenye-prodvinulis-v-izuchenii-vremennyh-korrelyatsij-mezhdu-razlichnymi-vidami-elektromagnitnyh-izluchenij-sozdavaemyh-molnievymi-razryadami-v-atmosfernom-vozduhe/

Вы что-нибудь слышали о квантовой революции? А, между тем, она триумфально шагает по планете, до неузнаваемости меняя облик нашей цивилизации. О том, что такое квантовые технологии и в каком виде они приходят в жизнь обычного человека, в программе «Время науки» на Радио “Комсомольская правда” говорили радиожурналист Мария Баченина, академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) и их гость Николай Николаевич Колачевский, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, директор Физического института имени П. Н. Лебедева РАН.

Научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ) Александр Сергеев и директор Физического института имени П.Н. Лебедева РАН Николай Колачевский (слева направо) в редакции "Комсомольской правды".

Мария Баченина:

- Меня восхищает это название - квантовая революция. Это звучит так гордо! А что это такое?

Николай Колачевский:

- Квантовая революция - это те изменения, которые привели к существенной трансформации нашего уклада жизни. Они настолько глубоко вошли в повседневный быт, что мы не очень это осознаем, но, например, вся коммуникация по интернету осуществляется с помощью лазерных источников. Новая химия и новые материалы, лекарства, магнитные диски, управление квадрокоптерами - все это чисто квантовые истории.

Александр Сергеев:

- Действительно, мы воспринимаем квантовые явления, как что-то относящееся к микромиру. Но поскольку это все сейчас появляется в нашем макромире, появился термин – квантовая макрофизика. Это означает, что внутри лежат квантовые эффекты, но мы их просто используем в быту.

Мария Баченина:

- О, как интересно! А правда ли, что первая квантовая революция, которая определила развитие физики в XX веке, стала предпосылкой для появления ядерного оружия? Ну ладно не только ядерка: транзисторы, лазеры, мобильная телефония, связь, интернет...

Николай Колачевский:

- Все, что вы перечислили, действительно, результат чрезвычайно бурных достижений физики в период середины ХХ века. Мы до сих пор не знаем, исчерпали ли мы эти возможности до конца, или нам надо делать следующие шаги.

https://www.kp.ru/daily/27682.5/5070796/ 

Коллектив ученых из ФИАН РАН и МФТИ провел детальное исследование электромагнитных излучений, сопровождающих развитие протяженных атмосферных разрядов, инициированных в лабораторных условиях. Впервые составлена подробная хронологическая карта генерации различных видов излучений, включая высокочастотное, сверхвысокочастотное, рентгеновское, а также оптические излучения в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах. Результаты исследований позволили лучше понять механизмы генерации излучений в протяженных высоковольтных разрядах, их временные корреляции, а также определить локальные источники излучений.

Новые эксперименты раскрыли механизмы излучения при атмосферных разрядах / © U.S. Air Force, ru.wikipedia.org

Работа опубликована в Journal of Applied Physics. Исследования проведены при поддержке Российского научного фонда.

Известно, что высоковольтные атмосферные разряды, например молнии, сопровождаются излучением в широком спектре частот. Генерация того или иного вида электромагнитного излучения зависит от временной стадии эволюции разряда, параметров плазменных структур, прокладывающих путь развития разряда, параметров самой газоразрядной среды, в которой формируется разряд и многих других факторов. Механизмы генерации некоторых видов излучений в атмосферных разрядах, связанных, например, с появлением высокоэнергетичных фотонов (с энергиями более единиц кэВ) или началом эмиссии широкополосного радиоизлучения, еще недостаточно изучены.

Современные исследования показывают, что испускание разрядами радиоволн в диапазоне порядка 10–100 МГц может быть связано со вспышечным развитием стримерных корон, берущих начало от прогретых плазменных каналов – лидеров или же прорастающих от пространственных областей с повышенной ионизацией, называемых иногда изолированными структурами. Это плазменные образования, которые могут появляться на пути распространения результирующего канала разряда и развиваться независимо от него, оказывая при этом определенное влияние на его пространственную эволюцию и генерацию различных электромагнитных излучений. Однако физика быстропротекающих процессов в газоразрядной среде, определяющих генерацию сверхвысокочастотного радиоизлучения (в ГГц диапазоне частот) и высокоэнергетичных рентгеновских фотонов, до сих пор остается предметом активных научных дискуссий.

Ранее было установлено, что при инициировании лабораторных атмосферных разрядов при мегавольтных напряжениях удается зарегистрировать рентгеновские фотоны с энергиями в сотни кэВ. Эмиссия рентгеновского излучения может проявлять сложную пространственную структуру и анизотропию углового распределения, а сам «источник» генерации данного излучения способен распространяться в объеме разряда вдоль плазменных структур с ультравысокой скоростью, порядка 10¹⁰ см/сек. При этом первый источник часто возникает вдали от электродов, примерно в области середины разрядного промежутка. Кроме того, исследования выявили определенную корреляцию между появлением вспышек рентгеновского излучения и генерацией СВЧ-излучения в диапазоне 1–6 ГГц.

В рамках эксперимента ученые провели исследования на большой высоковольтной установке, способной генерировать электрические разряды длиной метрового масштаба при напряжениях в миллион вольт и токах порядка десятка килоампер. Разряд инициировался в выходном узле установки, который включал в себя два металлических электрода — отрицательно заряженный конический катод с иглой по центру и заземленный сетчатый анод, расположенных друг напротив друга на расстоянии 55 см. Когда на катод подавали высокое напряжение, в атмосферном воздухе в промежутке между электродами возникал электрический разряд, похожий на разряд реальной молнии.

Развитие разряда сопровождалось генерацией различных электромагнитных излучений. Для их регистрации вокруг установки исследователями был размещен целый комплекс приборов высокого временного и пространственного разрешения. В частности, использовались специальные сборки быстрых сцинтилляционных рентгеновских детекторов, фотоэлектронных умножителей, чувствительных к излучению в ближнем инфракрасном и ближнем ультрафиолетовом диапазонах, система из сверхширокополосных антенн для регистрации радиоизлучений. Дополнительно фиксировалась эволюция разряда с помощью наносекундной фотосъемки плазменных структур, и измерялись ток и напряжения разряда. Благодаря полученным многочисленным экспериментальным данным исследователями была создана универсальная хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами (Рис. 1).

Рисунок 1. Хронологическая карта временных корреляций различных типов электромагнитных излучений, создаваемых протяженными лабораторными атмосферными разрядами. На верхней панели показаны типичные осциллограммы тока и напряжения разряда. На средней панели показана хронология развития разряда – результаты наносекундной фотосъемки. На нижней панели показана временная карта всех зарегистрированных электромагнитных излучений. Наклонные штриховые линии характеризуют временные интервалы, когда амплитуды соответствующих сигналов излучения достигают максимальных значений. Отдельно отмечены временные интервалы, когда рентгеновские вспышки наблюдаются чаще всего / © Journal of Applied Physics

В ходе экспериментов ученые выяснили, что в самые первые моменты существования разряд развивается в виде протяженной стримерной короны — слабоионизованной плазмы, формируемой первичными стримерами, распространяющимися от катода навстречу заземленному аноду. Данной стадии развития разряда присуще интенсивное излучение в диапазоне ближнего ультрафиолета и менее интенсивное в области ближнего инфракрасного диапазона (Рис. 2). Примерно на этой же стадии развития разряда наблюдается генерация маломощного высокочастотного радиоизлучения в МГц диапазоне частот (Рис. 3).

Рисунок 2. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) и оптическим излучением в диапазонах длин волн ближнего УФ (300–400 нм) и ИК (700–1100 нм) вместе с формами напряжения, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке / © Journal of Applied Physics

Рисунок 3. Временные корреляции между СВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 1–6 ГГц), ВЧ-излучением (в диапазоне частот порядка 10–100 МГц) и рентгеновским излучением (при характерной отсечке энергии фотонов Eν≈5 кэВ) вместе с формами тока и напряжения разряда, зарегистрированными в одиночных выстрелах на установке / © Journal of Applied Physics

Ситуация кардинально меняется, когда с поверхности анода стартуют встречные стримеры. Распространяясь с колоссальной скоростью — порядка десятка тысяч километров в секунду — эти стримеры за десятки наносекунд пересекают весь разрядный промежуток и формируют сложную разветвленную структуру плазменных каналов между противоположными электродами. Показано, что в этот момент резко повышается мощность как высокочастотного (МГц), так и сверхвысокочастотного (ГГц) радиоизлучений. Данный процесс, в свою очередь, сопровождается короткой по времени вспышкой ближнего инфракрасного излучения, а также появлением жесткого рентгеновского излучения. Частотно-временные характеристики радиоизлучений, зарегистрированных в ходе эксперимента, наглядно демонстрируют динамические спектрограммы на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Спектрограммы сигналов ВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–600 МГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени / © Journal of Applied Physics

С использованием различных комбинаций сборок рентгеновских детекторов и наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда исследователям удалось показать, что генерация рентгеновского излучения может начинаться практически синхронно вдоль всего разрядного промежутка, через десятки наносекунд после первых актов взаимодействий встречных стримеров с прикатодной зоной (Рис. 6). Самые первые вспышки рентгеновского излучения при этом наблюдаются в стадии развития разряда, когда в промежутке уже сформирована сложная сеть многочисленных плазменных каналов, а предпробойный ток и напряжение разряда составляют около 500 А и 1 МВ.

Рисунок 5. Спектрограммы сигналов СВЧ-излучения, иллюстрирующие эволюцию спектра излучения в диапазоне частот 0–6 ГГц. Карта интенсивности характеризует значения средней мгновенной мощности Pf(t) рассматриваемого сигнала излучения во временной и частотной области (t, f). На вставках показаны характерные профили вспышек Pf, построенные в зависимости от частоты f для конкретного момента времени / © Journal of Applied Physics

Результаты измерений эмиссий рентгеновского излучения в периферийной области разрядного промежутка (с учетом данных, ранее полученных в работе показали, что на протяжении всей длины разрядного промежутка преобладает эмиссия фотонов с энергиями от 5 до 17 кэВ. Генерация фотонов с энергией в сотни кэВ (но не выше 300 кэВ) характерна для катодной, прикатодной, анодной и околоанодной областей разряда, тогда как примерно в середине разрядного промежутка (вдали от обоих электродов) наблюдаются преимущественно низкоэнергетические фотоны. В совокупности же в разряде регистрируются фотоны с энергиями вплоть до 1 МэВ (Рис. 7).

«Результаты наших исследований могут помочь в построении согласованных моделей механизмов генерации рентгеновских излучений в протяженных высоковольтных разрядах, инициированных в лабораторных условиях, и грозовых разрядах в атмосфере Земли, — отметил Ярослав Болотов, ассистент Физтех-кластера академической и научной карьеры МФТИ,  — Благодаря полученным экспериментальным данным нам удалось установить динамику процессов в газоразрядной среде и связанных с ними электромагнитных излучений, предшествующих появлению первых вспышек рентгеновского излучения. Например, было установлено, что перед началом эмиссии рентгеновского излучения плазменная система в разрядном промежутке испускает мощную вспышку в диапазоне ближнего ИК, которая фактически служит временным репером для отслеживания моментов появления первых вспышек высокоэнергетичных фотонов».

«Измерения различных излучений и результаты наносекундной визуализации динамики развития плазменных структур разряда показали, что резкие изменения в характере генерации различных электромагнитных излучений связаны с некоторыми особенностями процессов плазмообразования, возникающих, начиная с момента замыкания всего разрядного промежутка первыми результирующими плазменными каналами, которые, однако, не обладают высокой степенью ионизации. Данное наблюдение указывает на принципиально сложный характер коллективных процессов в плазменной среде, способных вызывать генерацию различных типов излучений. Мы полагаем, что проведенные исследования будут полезны для развития новых методов диагностики электрических явлений и разрядов в земной атмосфере» — рассказал Александр Огинов, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Отдела физики высоких плотностей энергии Физического института имени П.Н. Лебедева.

Рисунок 6. Пространственно-временная локализация зон генерации рентгеновского излучения в течение временных интервалов наносекундной съемки плазменных структур разряда. Задержка между кадрами камеры составляет 5 нс. Параметр Exp: обозначает время экспозиции кадра / © Journal of Applied Physics

«Одним из достижений проведенной работы является созданная хронологическая карта, которая детально описывает ключевые временные корреляции между различными типами электромагнитных излучений в широком спектральном диапазоне. В рамках идеи масштабирования газоразрядных процессов в земной атмосфере данная карта может быть полезна для последующих поисковых теоретических и экспериментальных исследований, нацеленных раскрыть физику локальных источников и ключевых механизмов генерации сверхширокополосного радиоизлучения и высокоэнергетичных фотонов во время грозовых явлений и лабораторных атмосферных разрядов» — рассказал Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, исполняющий обязанности заведующего Лаборатории лазерной диагностики плазменных структур Физического института имени П.Н. Лебедева.

Рисунок 7. Временная картина появления рентгеновских вспышек в трех сериях измерений по 250 событий с использованием свинцовых фильтров различной толщины (3 мм–Eν 170 кэВ, 10 мм–Eν 300 кэВ и 50 мм–Eν 870 кэВ). Источник: Journal of Applied Physics

Результаты исследований могут помочь расширить современное представление о механизмах формирования протяженных разрядов и связанных с ними электромагнитных явлений, важных для понимания закономерностей формирования натурных молниевых разрядов и разработки новых методов их диагностики. Полученные в работе результаты могут быть использованы при совершенствовании систем грозопеленгации, молниезащиты и подавления мощных электромагнитных помех, в разработке аэрокосмической техники и в технологиях управления плазмой в импульсных электрофизических системах и устройствах, используемых в современной энергетике.

В дальнейшем ученые планируют исследовать пространственные характеристики источников рентгеновского излучения с еще большей точностью, а также разработать модели, объясняющие механизмы генерации радиоизлучений в ГГц-диапазоне частот.

https://naked-science.ru/article/column/vremennye-svyazi-v-izluch

В результате реализации дорожной карты по квантовым вычислениям под эгидой Госкорпорации «Росатом», мы пришли в концу 24-го года, занимая уверенную позицию в мире
Фото: Shutterstock.

В конце 2024 года российские ученые создали 50-кубитный ионный квантовый компьютер (кубит - квантовый бит, основная единица информации в квантовых вычислениях). Это настоящий научный прорыв, учитывая, что еще совсем недавно в области квантовых вычислений у России не было особых достижений. О том, как удалось добиться такого успеха, мы поговорили с директором Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) членом-корреспондентом РАН Николаем Колачевским, сотрудники которого принимали участие в разработке чудо-машины.

МЕСТО НА ПЬЕДЕСТАЛЕ

- Николай Николаевич, правда ли, что нам удалось отыграть отставание от лидеров квантовой гонки, которое, по некоторым оценкам, было порядка 20 лет?

- Давайте вернемся в 2020 год, когда под руководством Росатома стартовала дорожная карта “Квантовые вычисления”, и посмотрим, что было у нас и у мировых лидеров. Только считать фору будем не в годах, а в технологиях. За рубежом весьма успешные работы велись по сверхпроводящим платформам (квантовые компьютеры разрабатываются на 4 платформах: сверхпроводящей, атомной, ионной и фотонной - Ред). За этими исследованиями стояли такие гиганты как Google и IBM - то есть дело было поднято на серьёзный уровень. И по ионной платформе работали две очень сильные группы. Это австрийская команда Райнера Блатта - родоначальники ионных квантовых вычислений. У них уже был 20-кубитник с неплохими характеристиками, и образцы внелабораторных систем в “коробочном” исполнении, которые можно было уже выводить на рынок. Вторая группа — это американцы из команды Кристофера Монро, последователи лучших квантовых традиций Нобелевского лауреата Дэйва Уайнленда. Они тоже к этому моменту демонстрировали квантовый компьютер мощностью в десятки кубит.

- А что было у нас?

- На всю Российскую Федерацию, был проект Фонда перспективных исследований, который, по-моему, завершился демонстрацией двух кубитов на сверхпроводниках. Я бы сказал, что это был успешный проект, потому что Россия стартовала вообще с нуля. В результате реализации дорожной карты по квантовым вычислениям под эгидой Госкорпорации «Росатом», мы пришли в концу 24-го года, занимая уверенную позицию в мире.

Да, по сверхпроводящей платформе пока нам до лидеров все-таки далеко. Мир уже ушел в сотни кубитов. Хотя надо сказать, что кубиты, как выясняется, не главное свойство квантовых компьютеров, важно качество операций и возможность коррекции ошибок. А в ионной платформе мы заняли вполне достойное место, напрямую конкурируя по характеристикам с той самой группой Райнера Блатта. Это обнадеживает, потому что мы за короткое время смогли выйти, скажем так, во второй эшелон квантовых лидеров. Да, это второе место, мы его делим с группой других стран, но это место на пьедестале почета.

- До первого места нам еще далеко?

- Американцы уже перешли на чип-системы, на манипулирование отдельными цепочками из ионов. Их процессор H2 - это практически шедевр микрофабрикации, совмещенный с квантовыми технологиями. Чтобы нам достичь такой технологии в ближайшие 5 лет надо очень-очень сильно напрягаться, подключать лучшие технологические площадки в России. Иными словами, отрыв существует и есть опасение, что в какой-то момент он может оказаться невосполнимым. Как это уже произошло в период развития классической микроэлектроники. Но пока я, скорее оптимист, чем пессимист.

Россия совершила прорыв в гонке квантовых компьютеров
Фото: Shutterstock.

ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ СМАРТФОН - ЭТО НЕСБЫТОЧНАЯ МЕЧТА?

- А в классической микроэлектронике мы это отставание сможем отыграть?

- Я вам, что называется, не скажу за всю Одессу. Наверное, будет правильно разделять микроэлектронику на два больших семейства. Первое - это процессоры с топологией порядка 60-120 нанометров, которые покрывают большинство прикладных задач. Здесь я настроен скорее позитивно.

А есть чипы существенно меньшей топологии: 30 нанометров, 12 нанометров и даже порядка 5и нанометров - это просто другая область микроэлектроники, она используется для смартфонов, суперкомпьютеров, для организации мощных вычислений. И мне кажется, что в ближайшие годы нам просто не надо на этом зацикливаться. Дело в том, что подобные задачи нужно решать под глобальные рынки. Если создавать чрезвычайно дорогостоящую фабрику, например, для производства 10-нанометровых процессоров, тогда надо производить их сотнями тысяч и более. И кто-то должен их покупать, чтобы фабрика функционировала. Иначе весь этот проект с экономической точки зрения становится фантастически убыточным. Кажется, что стране не надо сегодня в эту тематику кидаться с головой и тратить гигантские ресурсы. Причем может оказаться, что возникнет какое-нибудь “бутылочное горлышко”, например, сложности с созданием фоторезиста или синтеза одного из сотен сверхчистых материалов. В 80-е годы уже был прецедент с программой “Звездных войн”, когда мы ввязались в гонку технологий и переоценили свои возможности. Кончилось все это весьма плохо.

- Значит, создание отечественного смартфона — это несбыточная мечта?

- Полностью суверенный отечественный смартфон в обозримой перспективе - да, скорее всего, это утопия. Причем, не только для нашей - практически для любой страны. Мы же должны понимать, что если разобрать смартфон на детали: процессор, камера, оптика, экран, конденсаторы, источники питания, многослойная печать плат и так далее, то мы увидим, что все это делается в разных частях планеты. Можно по-разному объяснять, чем был вызван развал во время Перестройки, но сейчас у нас в микроэлектронике не так много чего есть в части разнообразия серийных продуктов, начиная от резисторов и кончая интегральными схемами. Нам надо многое восстанавливать, причем на современном уровне. Если мы изготавливаем хороший процессор, его надо много чем обвязывать. Возможно, это несколько больно осознавать, но без отечественного смартфона, как ни странно, можно прожить. А если посмотреть шире - на оборонные задачи, поддержание энергонезависимости, судоходство, кораблестроение, самолётостроение, навигация… Там эти сверхскоростные стандарты не очень-то нужны. И здесь мы качественные решения обеспечиваем и сможем обеспечить в дальнейшем. Сейчас в России интенсивно идет освоение топологии 90 нм, создание аппаратуры изготовления микросхем, источников излучения, литографов, синтез новых материалов.

КИТАЙСКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕХВАТА НАУЧНЫХ ЗНАНИЙ

- Мы же не первые отстаём от лидеров. Почему Китай сумел воспользоваться западными технологиями и сам стал лидером, а у нас как-то не очень получается?

- Китайцам можно поставить памятник за их систему перехвата научных знаний и технологий. Они высаживали большие десанты в ведущих научных центрах Америки и Европы. Китайские студенты массово осваивали передовое знание, а потом большая часть этого десанта вернулась на родину и была интегрирована в китайскую науку, причем на очень хорошие позиции с возможностью воплощать приобретенные знания и навыки. Мы тоже стараемся двигаться в этом направлении, но у нас нет ни китайской массовости, ни китайской настойчивости и последовательности. В массовости мы проигрываем по объективным причинам, у нас людские ресурсы ограничены. А с настойчивостью и последовательностью… Китайцы умеют сохранять такое традиционное вековое спокойствие и нацеленность на результат. Они не гении, далеко не везде всех опережают, но сумели создать несколько мощных прорывных центров и поступательно двигаются вперед, создавая все более и более сложные системы. Нам в этом смысле сложнее, у нас если проект через 5 лет не дал каких-то блестящих результатов, то велик риск, что мы пустим его под нож и побежим куда-то дальше в другом направлении. А потом с удивлением оглядываемся: мы много чего начинали, но до ума толком не довели. Затем эта “брошенная” технология всплывает где-то за рубежом, и мы тратим огромные ресурсы, чтобы приземлить у себя собственную же разработку.

ЗАЧЕМ УЧЕНЫЕ ИЗОБРЕТАЮТ ВЕЛОСИПЕД?

- У нас в последнее время развиваются реверсивные технологии, когда мы на фоне санкций заново переоткрываем для себя, то что уже изобрели на Западе. Например, в МФТИ создают электрический ракетный двигатель для малых спутников на основе разработки 80-х годов. Тогда проект законсервировали из-за отсутствия нужных технологий, а потом его реализовали за границей. Говорят, когда ты повторяешь кого-то - ты отстаёшь. Нынешняя ситуация, когда мы в той или иной области заново изобретаем велосипед - это шаг вперед или все-таки топтание на месте?

- Конечно, этот шаг вперед! У нас почему-то популярны такие разговоры: а зачем эти промежуточные шаги? Давайте сразу прыгнем в дамки, срежем угол и обойдем всех на повороте. Да, иногда так получается. Кстати, квантовые вычисления это одна из таких попыток перепрыгнуть сразу через 5 полей. Но вообще-то, “конь так не ходит”. Пока ты не освоил большинство промежуточных шагов, не понял, как оно работает - очень маловероятно, что ты сразу получишь блестящий результат. Конечно, иногда я вижу печаль в глазах у сотрудников Института, которым приходится от высоких передовых идей переходить к практическим приложениям.

- Это затормаживает полет научной мысли?

- В какой-то степени, да. Но, с другой стороны, вспоминаю академика Виталия Лазаревича Гинзбурга, которому прикладные задачи оборонного характера не помешали получить Сталинские, Ленинские и Нобелевскую премии за фундаментальные достижения в науке. Вернее, мешали, но не принципиально. Поэтому в реверсе технологий я большой угрозы для науки не вижу. Мы же стараемся реверсировать вещи, которых у нас в стране просто нет.

Скорее, существует угроза другого характера. Сейчас многие обсуждают, что если вдруг снимут санкции и мы вернемся обратно, скажем, в 2013-й год, то это один из самых плохих сценариев. Потому что в обеспечение технологического суверенитета страной уже вложены существенные ресурсы, они распланированы до 2030 года и дальше. Да, есть какие-то реверсные истории, но мы много развиваем своих идей. Строятся заводы, отлаживаются технологические цепочки. Если все это сейчас на полдороге бросить и опять начать массово покупать китайское, японское, американское, европейское, то это будет очень неэффективная трата ресурсов, которые уже вложены за последние несколько лет. Тогда в плане развития суверенитета, человеческого и технологического капитала, мы больше потеряем, чем приобретем. И именно здесь очень востребована настойчивость, последовательность и выдержка, как в науке, так и в государственной политике.

https://www.kp.ru/daily/27679/5069044/

Yoshio Tsunoda/AFLO/Global Look Press

Ученые из Физического института имени Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра использовали алгоритмы машинного обучения при работе на квантовом компьютере. О прорыве исследователей сообщил ТАСС со ссылкой на отдел по связям с общественностью ФИАН.

Россияне использовали небольшой квантовый процессор и загрузили изображения с написанными от руки цифрами – нулем или единицей. Проанализировав данные, компьютер научился безошибочно различать цифры.

Ученые подчеркнули, что пока новая технология подходит для решения небольших задач, однако объединение ИИ и мощи квантовых компьютеров имеет большой потенциал. Такие алгоритмы позволят анализировать ДНК, моделировать сложные химические процессы и даже прогнозировать изменения на финансовых рынках.

Ранее ученые из РФ вместе с зарубежными коллегами опровергли доказательство существования «новой физики».

https://otr-online.ru/news/rossiiskie-uchenye-odnimi-iz-pervyh-primenili-ii-na-kvantovom-kompyutere-280818.html

Исследователи из Физического института имени Лебедева РАН и Российского квантового центра одними из первых в мире продемонстрировали решение прикладных задач на квантовом компьютере с применением алгоритмов машинного обучения. Ученые использовали процессор на основе ионов иттербия (Yb+) и разделили с его помощью написанные от руки изображения нуля и единицы, а также математических объектов — графов.

Подобные эксперименты проводили и ранее, но предложенный подход отличается своей оригинальностью. В частности, ученые сравнили различные способы кодирования данных в квантовые состояния и определили наиболее эффективный вариант.

В процессе работы исследователи экспериментировали с квантовыми цепями (один из способов реализации алгоритмов, который уменьшает количество шумных операций), что помогло улучшить качество вычислений. Алгоритм «обучался» на маленьком наборе данных, где каждое изображение уже имело правильный ответ (нуль или единица). В результате квантовый компьютер правильно определил все цифры как на обучающих, так и на тестовых картинках. Таким образом было показано, что даже небольшие квантовые процессоры уже могут решать простые, но практически значимые задачи, такие как классификация изображений. Это большой шаг к будущему, где квантовые процессоры будут выполнять более сложные вычисления.

В будущем технология найдет применение в создании систем искусственного интеллекта, где квантовые вычисления будут дополнять классические методы, ускоряя обучение нейросетей и повышая точность обработки данных.

Источник: ФИАН

https://t.me/vremyavperedrus/5893

Эксперимент физиков показал, что квантовые процессоры могут эффективно решать задачи классификации, используя адаптированные алгоритмы машинного обучения. Рассказываем, что делали отечественные ученые и к каким выводам они пришли.

Компактные квантовые процессоры могут эффективно решать задачи классификации, используя адаптированные алгоритмы машинного обучения.
Источник: наука.рф

Квантовый компьютер будущего в представлении нейросети.
Источник: Kandinsky 3.1

https://hi-tech.mail.ru/news/127958-rossijskie-uchenye-zapustili-mashinnoe-obuchenie-na-kvantovom-kompyutere/

Одно из первых в мире решений прикладных задач с помощью квантового компьютера продемонстрировали ученые Физического института имени П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра (РКЦ). В ходе эксперимента они использовали процессор на основе ионов иттербия (Yb+) и разделили с его помощью написанные от руки изображения нуля и единицы, а также математических объектов — графов, сообщила пресс-лужба ФИАН.

Для достижения цели были задействованы алгоритмы машинного обучения, реализованные на квантовом процессоре.

«Такие технологии активно развивают во всех ведущих странах. На данный момент важный вызов — это тестирование методов квантовых вычислений на различных прикладных задачах. В частности, один из главных результат нашей работы — применение этих алгоритмов в сочетании с технологией машинного обучения», — рассказал один из участников исследования, научный руководитель группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ Алексей Федоров.

По его словам, подобные эксперименты проводили и ранее, но предложенный российскими специалистами подход отличается своей оригинальностью. В частности, ученые сравнили различные способы кодирования данных в квантовые состояния и определили наиболее эффективный вариант.

В работе ученые использовали метод SVM (support vector machine) — это популярный для задач классификации метод машинного обучения. Он помогает разделять данные на классы посредством проведенной между ними наиболее оптимальным образом нелинейной границы. «Ядерную часть» алгоритма (сравнение данных) выполняли на квантовом процессоре. Это позволило эффективно обрабатывать даже сложные изображения.

«Для перевода ионов в квантовое состояние мы создавали суперпозиции и проводили операции запутывания кубитов. Квантовые состояния отдельных ионов изменялись с помощью лазеров и детекторов излучения. По завершении вычислений измерялось состояние иона, и на основе этих данных интерпретировались результаты работы алгоритмов машинного обучения», — описал процесс квантовых вычислений Алексей Федоров.

В процессе работы ученые экспериментировали с квантовыми цепями (один из способов реализации алгоритмов, который уменьшает количество шумных операций), что помогло улучшить качество вычислений. Алгоритм «обучался» на маленьком наборе данных, где каждое изображение уже имело правильный ответ (нуль или единица). В результате квантовый компьютер правильно определил все цифры как на обучающих, так и на тестовых картинках, то есть справился с задачей без ошибок.

Ученые показали, что даже небольшие квантовые процессоры уже могут решать простые, но практически значимые задачи, такие как классификация изображений. Это большой шаг к будущему, где квантовые процессоры будут выполнять более сложные вычисления. По словам директора ФИАН Николая Колачевского, в дальнейшем по мере развития подобная технология квантовой классификации сможет применяться для множества практических задач. Например, в медицине ее можно использовать для автоматического анализа рентгеновских снимков и данных МРТ и КТ, что поможет оперативно диагностировать заболевания.

«В области генетики и биоинформатики квантовые алгоритмы смогут проверять последовательности ДНК, выявляя мутации и предсказывая их влияние на организм. Вместе с тем химия получит инструмент для поиска новых молекулярных структур и моделирования каталитических процессов. В то же время в финансовой сфере квантовые алгоритмы смогут находить сложные закономерности в рыночных данных, улучшая прогнозирование и снижая риски», — пояснил Николай Колачевский.

В будущем данная технология найдет применение в создании систем искусственного интеллекта, где квантовые вычисления будут дополнять классические методы, ускоряя обучение нейросетей и повышая точность обработки данных.

Результаты научной работы опубликованы в Physical Review A.

https://наука.рф/news/rossiyskie-fiziki-zapustili-mashinnoe-obuchenie-na-kvantovom-kompyutere-/

Создание квантовых компьютеров, способных работать не на лабораторном столе, а в реальной жизни – ключевая задача, над которой бьются физики и инженеры всего мира.
Фото: Shutterstock.

Создание квантовых компьютеров, способных работать не на лабораторном столе, а в реальной жизни – ключевая задача, над которой бьются физики и инженеры всего мира. В Физическом институте Академии Наук им. Лебедева ученым впервые удалось скрестить квантовый компьютер и машинное обучение. Это открывает дверь в принципиально новую эпоху: эпоху ИИ на квантовых компьютерах. Статья опубликована в международном журнале Physical Review.

О ЧЕМ РЕЧЬ

В обычном компьютере всю работу выполняют электроны, которые движутся по проводам, а также пересекают барьеры в полупроводниковых элементах. Скорость движения электронов далека от скорости света, к тому же плотная упаковка микросхем в современных компьютерах приближает применение электронов к физическому пределу, после которого электрон уже перестанет работать, поскольку микросхемы станут для него слишком «мелкими», и он перестанет их замечать.

Концепция квантового компьютера проста и красива: а что, если вместо электронов использовать фотоны, то есть кванты света? Они перемещаются с максимально допустимой во Вселенной скоростью, скоростью света, и это в перспективе обещает создание машин с потрясающей производительностью.

К сожалению, не все так просто. Велики технические сложности. Так, «вычислительные ячейки» (кубиты) эффективно работают при температурах около абсолютного нуля, что превращает квантовый компьютер в энергоемкую махину. Не преодолены пока и некоторые фундаментальные ограничения: похоже, квантовые компьютеры успешно справляются с очень сложными задачами, где нужна почти человеческая «интуиция», но пасуют перед простыми математическими расчетами.

Тем временем мир захватила ИИ-лихорадка, и в ее основе, помимо алгоритмов – кремниевые чипы. Если квантовый компьютер сможет показать, что и он в состоянии быть объектом машинного обучения, это без преувеличений откроет новую эру. И вот – потрясающий результат российских физиков.

ОТЛИЧАТЬ ЦИФРУ ОТ ЦИФРЫ

Исследователи из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) и Российского квантового центра (РКЦ) одни из первых в мире продемонстрировали решение прикладных задач на квантовом компьютере. Для своих экспериментом они использовали процессор на основе ионов иттербия (Yb+). Суть опыта заключалась в том, что квантовый компьютер научили различать написанные от руки цифры, нуль и единицу, а также математические объекты – графы. Эта задача является классической, и именно на ней натаскивают алгоритмы распознавания образов. Для достижения цели были задействованы алгоритмы машинного обучения, реализованные на квантовом процессоре.

- Такие технологии активно развивают во всех ведущих странах. На данный момент важный вызов – это тестирование методов квантовых вычислений на различных прикладных задачах. В частности, один из главных результат нашей работы – применение этих алгоритмов в сочетании с технологией машинного обучения, – говорит научный руководитель группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ Алексей Федоров.

Нельзя сказать, что никто не пытался сделать этого ранее. Но результат был так себе – именно поэтому мы не слышим на каждом углу про машинное обучение квантовых компьютеров. Россияне применили новый, оригинальный подход. Так, они задействовали метод SVM (support vector machine). Его суть заключается в том, что машина учится устанавливать как бы границу между образами: вот это одна цифра, вот это другая. Именно так работает наш мозг, что позволяет нам узнавать цифру и букву, написанную пусть строго, пусть дизайнерски, и даже читать почерк врачей. «Ядерную часть» алгоритма (сравнение данных) выполняли на квантовом процессоре. Это позволило эффективно обрабатывать даже сложные изображения.

ЖУТКОЕ ДАЛЬНОДЕЙСТВИЕ В ДЕЛЕ

- Для перевода ионов (рабочий материал кубита – КП) в квантовое состояние мы создавали суперпозиции и проводили операции запутывания кубитов. Квантовые состояния отдельных ионов изменялись с помощью лазеров и детекторов излучения. По завершении вычислений измерялось состояние иона, и на основе этих данных интерпретировались результаты работы алгоритмов машинного обучения, – говорит Алексей Федоров.

Запутанность – особое состояние, теоретически открытое еще на заре квантовой механики и названное Эйнштейном «жутким действием на расстоянии». С помощью специальных манипуляций две квантовые системы «запутываются», после чего, даже если их разделить физически (на любое расстояние, хоть в далекую галактику один послать, а другой дома оставить) – состояние одного будет однозначно определять состояние другого. Часто в шутку приводят пример с… носками. Если, прилетев в отпуск, вы обнаружите, что забыли один носок, и тот, что у вас в чемодане – левый, значит, дома остался правый.

Ученые экспериментировали с квантовыми цепями (один из способов реализации алгоритмов, который уменьшает количество шумных операций), что помогло улучшить качество вычислений.

Алгоритм «обучался» на маленьком наборе данных, где каждое изображение уже имело правильный ответ (нуль или единица). В результате квантовый компьютер правильно определил все цифры как на обучающих, так и на тестовых картинках, то есть справился с задачей без ошибок.

Итак, впервые удалось продемонстрировать, что даже небольшие квантовые процессоры уже могут решать простые, но практически значимые задачи, такие, как классификация изображений. Это открывает квантовым компьютерам целый пласт практических применений, где потребуется их скорость и способность разгадывать нетривиальные задачи. Скажем, ИИ уже активно применяют для рассматривания снимков КТ и МРТ ми ранней диагностики, но процент «брака» (то, что называется «галлюцинацией») у кремниевых чипов очень высок. Квантовый компьютер определенно справится лучше.

- В области генетики и биоинформатики квантовые алгоритмы смогут проверять последовательности ДНК, выявляя мутации и предсказывая их влияние на организм. Вместе с тем химия получит инструмент для поиска новых молекулярных структур и моделирования каталитических процессов. В то же время в финансовой сфере квантовые алгоритмы смогут находить сложные закономерности в рыночных данных, улучшая прогнозирование и снижая риски, – говорит директор ФИАН Николай Колачевский.

В будущем технология найдет применение в создании систем искусственного интеллекта, где квантовые вычисления будут дополнять классические методы, ускоряя обучение нейросетей и повышая точность обработки данных, поясняют в ФИАН.

https://www.kp.ru/daily/27706.5/5094969/