Такая машина идеальна для решения криптографических задач, она способна достаточно быстро взламывать военные серверы и компьютерные сети, вскрывать защищенные каналы связи, лишая армию управления, – не говоря уже о проникновении в банковские сети и прочие гражданские компьютерные системы. Обладание соответствующими технологиями – вопрос выживания государства.
СМИ о нас
| 20.01.25 | 20.01.2025 Царьград. В России придумали новый способ производства радиофармпрепаратов |
Исследователи Томского государственного университета (ТГУ) в сотрудничестве с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева (ФИАН) сделали значительный шаг вперёд в области медицинской физики, разработав универсальную технологию получения изотопов.
Эта инновация не только упрощает процесс, но и делает его более экономически эффективным, что особенно важно в контексте современных требований к медицинским услугам.
Центральным элементом новой технологии стал протонный ускоритель "Прометеус", созданный для лечения онкологических заболеваний. Использование этого устройства для производства изотопа молибдена-99 открывает новые горизонты в ядерной медицине. Молибден-99 является основным исходным материалом для получения технеция-99m, который широко используется в диагностике благодаря своим уникальным свойствам.
Процесс получения изотопов включает в себя генерирование нейтронов при прохождении пучка протонов через металлическую мишень. Затем происходит облучение пластинки из природного молибдена, что позволяет эффективно получать необходимые изотопы. Это не только упрощает процесс, но и значительно снижает затраты на транспортировку, что в свою очередь делает протонную онкотерапию более доступной для пациентов.
По словам Владимира Иванченко, ведущего научного сотрудника ТГУ, компьютерное моделирование подтвердило высокую эффективность предложенного метода. Исследования показали, что максимальная производительность достигается при толщине мишени в 1 мм, что позволяет существенно снизить расход материалов и повысить общую эффективность процесса.
Одним из главных преимуществ новой технологии является возможность совмещения производства изотопов с терапевтическими функциями ускорителя. Это значит, что медицинские центры могут получать необходимые изотопы непосредственно на месте, что значительно снижает логистические расходы и повышает доступность высокотехнологичной медицины для пациентов.
https://nn.tsargrad.tv/news/v-rossii-pridumali-novyj-sposob-proizvodstva-radiofarmpreparatov_1132801
| 20.01.25 | 20.01.2025 Новости Челнов. В России предложен новый недорогой способ производства радиофармпрепаратов |
Исследователи Томского государственного университета (ТГУ) совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева (ФИАН) разработали универсальную технологию получения изотопов, которая может применяться непосредственно в медицинских центрах. Это снижает затраты на транспортировку и удешевляет протонную онкотерапию, сообщили в пресс-службе Минобрнауки РФ.
Ключевым элементом разработки стал протонный ускоритель «Прометеус», созданный для лечения онкологических заболеваний. Учёные предложили использовать его для производства изотопа молибдена-99, который необходим для получения технеция-99m – основного радионуклида в диагностике ядерной медицины.
В основе процесса лежит генерирование нейтронов при прохождении пучка протонов через металлическую мишень и последующее облучение пластинки из природного молибдена. Технология позволяет также производить другие изотопы, такие как лютеций-177 и рений-188, которые активно применяются в лечении рака.
По словам Владимира Иванченко, ведущего научного сотрудника ТГУ, компьютерное моделирование подтвердило высокую эффективность метода. Максимальная производительность достигается при толщине мишени в 1 мм, что позволяет снизить расход материалов.
Главное преимущество новой технологии – её универсальность. Производство изотопов можно совмещать с терапевтическими функциями ускорителя, что делает возможным их получение непосредственно в медцентрах, снижая логистические расходы и повышая доступность высокотехнологичной медицины.
О проекте
Работа выполнена в рамках проекта, финансируемого мегагрантом правительства России. В рамках пятилетнего исследования учёные решают задачи по моделированию процессов для экспериментов на адронном коллайдере NICA в Дубне. Кроме того, проект способствует развитию прикладных направлений, включая ядерную медицину. Исследование продлится до 2028 года, его бюджет составляет 500 млн рублей.
| 20.01.25 | 20.01.2025 Планета сегодня. Изотопы на месте: российские ученые удешевляют ядерную медицину |
Исследователи Томского государственного университета (ТГУ) совместно с учеными Физического института имени П. Н. Лебедева (ФИАН) разработали новую технологию производства изотопов для ядерной медицины. Уникальная методика позволяет синтезировать изотопы прямо в медицинских центрах, что значительно снижает расходы на их транспортировку и делает протонную терапию более доступной. Об этом пишет ТАСС.
Ключевую роль в технологии играет протонный ускоритель "Прометеус", расположенный на базе ФТЦ ФИАН в Протвино. Основное предназначение ускорителя - лечение онкологических заболеваний с использованием протонной терапии. Ученые предложили применять его также для производства молибдена-99 — изотопа, необходимого для получения технеция-99m, широко используемого в диагностике.
Технология основана на генерации нейтронов при взаимодействии протонов с металлической мишенью, после чего нейтроны облучают пластину из природного молибдена. Такой подход можно адаптировать для получения других медицинских изотопов, таких как лютеций-177 и рений-188, которые используются в онкотерапии.
Компьютерное моделирование, проведенное учеными, подтвердило высокую эффективность процесса. Например, установлено, что оптимальная толщина мишени в 1 мм позволяет достичь высокой производительности при минимальном расходе материалов. Это делает технологию универсальной и экономически выгодной.
Главное преимущество разработки в том, что она позволяет совмещать производство изотопов с терапевтической функцией ускорителя. Теперь изотопы можно получать непосредственно в лечебно-диагностических центрах, сокращая логистические издержки и расширяя доступ к передовым методам лечения.
| 20.01.25 | 20.01.2025 ТАСС. В России предложили новый недорогой способ производства радиофармпрепаратов |
ТОМСК, 20 января. /ТАСС/. Технологию получения изотопов для ядерной медицины смоделировали исследователи Томского государственного университета (ТГУ) и Физического института имени П. Н. Лебедева (ФИАН). Новая технология универсальна и позволяет получать изотопы непосредственно в центрах ядерной медицины, что снижает логистические издержки и позволяет удешевить протонную онкотерапию, сообщили ТАСС в пресс-службе Минобрнауки РФ.
"Ключевым элементом технологии выступает действующий на базе ФТЦ ФИАН им. П. Н. Лебедева РАН (Протвино) протонный ускоритель "Прометеус", основное назначение которого - протонная терапия онкологических заболеваний. Ученые предложили использовать ускоритель для производства изотопов молибдена-99, который в свою очередь служит для получения технеция-99m - основного диагностического радионуклида современной ядерной медицины", - говорится в сообщении.
В министерстве уточнили, что в основе предлагаемой технологии производства изотопов молибдена-99 - генерация нейтронов при прохождении протонного пучка через металлическую мишень и последующее облучение нейтронами пластинки из природного молибдена. Технология может быть использована не только для молибдена-99, но и для получения других важных изотопов, например, лютеция-177 и рения-188, которые активно используются в лечении онкологических заболеваний.
"Мы провели компьютерное моделирование этого процесса и показали, что при заданных характеристиках ускорителя "Прометеус" эффективность производства изотопов может быть очень высокой, особенно в отношении изотопа молибдена. Проведенное моделирование позволило определить ключевые параметры системы. Например, было установлено, что максимальная эффективность достигается при толщине мишени в 1 мм, это позволяет достигать высокой производительности при минимальном расходе материала", - приводятся в сообщении слова ведущего научного сотрудника лаборатории анализа данных физики высоких энергий ТГУ Владимира Иванченко.
Главное преимущество новой технологии - в ее универсальности: установка позволяет совмещать производство изотопов с основными функциями ускорителя, в частности, терапевтическим использованием. Это делает возможным получение необходимых изотопов непосредственно на площадках лечебно-диагностических центров ядерной медицины, снижая логистические издержки и делая высокотехнологичную медицину доступнее.
О проекте
Моделирование выполнено в рамках масштабного проекта, поддержанного мегагрантом правительства РФ. В рамках пятилетнего проекта междисциплинарная группа ученых решает несколько задач. Основная заключается в моделировании детекторов и физических процессов для экспериментов на российском адронном суперколлайдере NICA, построенном в Дубне. Наряду с этим проект поможет развивать несколько прикладных направлений, одним из которых является ядерная медицина. Проект продлится до конца 2028 года. Сумма финансирования составляет 500 млн рублей.
| 16.01.25 | 16.01.2025 Телеграм-канал РНФ. Ученые доказали теорию акустической турбулентности |
Ученые из Сколтеха, Института электрофизики УрО РАН и ФИАН впервые описали звуковую турбулентность, используя метод параллельных вычислений на видеокартах.
Это позволило проводить сложные вычисления на обычном персональном компьютере вместо использования дорогостоящего суперкомпьютера.
Турбулентность — это сложное хаотическое поведение жидкостей, газов или нелинейных волн в различных физических системах. Она возникает, например, на поверхности океана из-за ветра и течений, в оптике при рассеивании лазерного излучения через линзы или в звуковых волнах, распространяющихся в средах вроде жидкого сверхтекучего гелия.
Ход исследования
Разработано численное решение уравнения для описания звуковых волн в турбулентной среде.
Для расчетов использовались 4 видеокарты на одном ПК, которые распределяли задачи параллельно.
Проверена модель на примере звуковых волн в жидком сверхтекучем гелии при температуре около -270°C.
Основные результаты
Подтверждена теория волновой турбулентности, впервые предложенная советскими учеными в 1970-х.
Доказана возможность точного численного решения сложных уравнений на персональных компьютерах.
Результаты открывают новые перспективы для применения теории турбулентности в прогнозах погоды, астрофизике и ядерной энергетике.
Применение теории волновой турбулентности поможет точнее моделировать климатические изменения, процессы в атмосферах звезд и даже поведение океанических волн.
В дальнейшем ученые планируют изучать другие волновые системы, включая крупные океанические волны и магнитогидродинамические явления.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters
Подробнее — в статье Коммерсантъ
| 16.01.25 | 14.01.2025 ВКонтакте МСИ. Вышла в свет книга «К истории ФИАН. Часть I» |
Всем привет и с прошедшими вас!
В декабре вышла в свет первая часть книги-альбома «К истории ФИАН», которую мы подготовили к юбилею Института.
Цель данного уникального издания – дать краткое представление об истории Физического института им. П.Н. Лебедева. Отметим, часть помещенных в альбом материалов публикуется впервые.
В электронном виде книга уже доступна у нас на сайте
| 16.01.25 | 14.01.2025 Телеграм-канал МСИ. Вышла в свет книга «К истории ФИАН. Часть I» |
Всем привет и с прошедшими вас!
В декабре вышла в свет первая часть книги-альбома «К истории ФИАН», которую мы подготовили к юбилею Института.
Цель данного уникального издания – дать краткое представление об истории Физического института им. П.Н. Лебедева. Отметим, часть помещенных в альбом материалов публикуется впервые.
| 16.01.25 | 14.01.2025 РНФ. Ученые доказали теорию акустической турбулентности и просчитали распространение звуковых волн |
Исследователи впервые использовали метод параллельных вычислений на видеокартах, чтобы описать звуковую турбулентность. Такое моделирование может проводиться на обычном персональном компьютере, тогда как раньше для подобной процедуры требовался суперкомпьютер — огромный и дорогой кластер из вычислительных машин. Открытие поможет уточнить модели прогнозов погоды и позволит использовать теорию турбулентности в самых разных областях физики, например, в астрофизике для просчитывания траекторий и скорости распространения акустических колебаний во Вселенной. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Источник: Пресс-служба РНФ
Турбулентность — сложное хаотическое поведение жидкостей, газов или нелинейных волн в различных физических системах. Например, турбулентность может возникать на поверхности океана из-за ветра и дрейфовых течений. Известны случаи турбулентности лазерного излучения в оптике при рассеивании света через линзы. Также существует турбулентность звуковых волн: они распространяются хаотично в определенных средах, например, в жидком сверхтекучем гелии.
В семидесятых годах XX века советские ученые предположили, что при высоких амплитудах (отклонении от положения равновесия) звуковых волн возникает звуковая турбулентность. Сама по себе теория волновой турбулентности применима для множества других волновых систем, например, для магнитогидродинамических волн в ионосферах звезд и планет-гигантов и даже, возможно, для гравитационных волн в ранней Вселенной. При этом предсказать, как распространяются нелинейные (то есть движущиеся хаотично) звуковые и другие волны, ранее из-за большой вычислительной сложности было практически невозможно.
Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколково), Института электрофизики Уральского отделения РАН (Екатеринбург) и Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) впервые нашли численное решение для уравнения, описывающего распространение звуковых волн в турбулентности, и тем самым смогли доказать теорию советских ученых.
Для расчетов авторы использовали графические процессоры (видеокарты). Исследователи нашли решения для нескольких частей уравнения, математически описывающего распространение звуковых волн, параллельно на четырех разных видеокартах, установленных на одном компьютере. Получается, что вместо использования огромного и очень дорого суперкомпьютера — кластера из вычислительных машин, — который смог бы найти приблизительный ответ, ученые смогли провести расчеты на небольшом персональном компьютере и прийти к точному численному решению.
Плотность газа в режиме слабой турбулентности, когда амплитуды звуковых волн малы (слева), и в состоянии сильной турбулентности, при которой акустическая турбулентность представляет собой набор случайных ударных волн (справа). Источник: Евгений Кочурин
Авторы проверили свое решение, численно проследив распространение звуковых волн в нелинейной среде, похожей на жидкий сверхтекучий гелий, при температуре около -270°C. Этот газ был выбран потому, что в данных условиях он становится квантовой жидкостью. Такая жидкость обладает сверхтекучестью и сверхпроводимостью, благодаря чему ее можно использовать в сверхпроводниках. На сверхпроводниках сегодня работают квантовые компьютеры, поезда на магнитной подушке (в Китае и в Японии) и многие другие высокотехнологичные устройства. Кроме того, сверхтекучий гелий используется в ядерной энергетике.
Подтверждение теории турбулентности на примере звуковых волн — важное открытие, которое можно сравнить с таблицей Менделеева. Роль самой таблицы играет теория волновой турбулентности, а каждый тип турбулентности (звуковая, гравитационная, магнитногидродинамическая) соответствует элементу системы, свойства которого полностью описываются положением в таблице и очень точно предсказываются с помощью теории. Теорию турбулентности можно применить для любой волновой системы: например, численное решение уравнений для морских волн уже включено в глобальные метеорологические модели прогнозирования погоды и изменений климата. Поэтому с учетом теории турбулентности прогнозы погоды станут точнее.
«Разгадка природы турбулентности — это одна из важнейших нерешенных задач современной физики. Так, например, только с развитием теории турбулентности стало возможным с хорошей точностью предсказывать погоду. Мы планируем исследовать другие волновые системы, например, океанические волны большой амплитуды. Удивительно, но у звуковых волн и волн на поверхности океана много общего. Например, при больших амплитудах морские волны могут опрокидываться. Этот процесс во многом похож на формирование акустической ударной волны. При опрокидывании волн возникают большие плотности энергии или давления. Сейчас существует гипотеза, что подобные коллапсы различной природы приводят к появлению турбулентности», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Кочурин, кандидат физических наук, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной динамики Института электрофизики Уральского отделения РАН и научный сотрудник Лаборатории интегрируемых систем и турбулентности Центра перспективных исследований имени И. М. Кричевера Сколтеха.
| 16.01.25 | 13.01.2025 Коммерсант. Как звучат вихри |
Российские ученые доказали теорию акустической турбулентности
Исследователи впервые использовали метод параллельных вычислений на видеокартах, чтобы описать звуковую турбулентность. Такое моделирование может проводиться на обычном персональном компьютере, тогда как раньше для подобной процедуры требовался суперкомпьютер — огромный и дорогой кластер из вычислительных машин. Открытие поможет уточнить модели прогнозов погоды и позволит использовать теорию турбулентности в самых разных областях физики — например, в астрофизике для просчитывания траекторий и скорости распространения акустических колебаний во Вселенной. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.
Фото: Getty Images
Турбулентность — сложное хаотическое поведение жидкостей, газов или нелинейных волн в различных физических системах. Например, турбулентность может возникать на поверхности океана из-за ветра и дрейфовых течений. Известны случаи турбулентности лазерного излучения в оптике при рассеивании света через линзы. Также существует турбулентность звуковых волн: они распространяются хаотично в определенных средах — например, в жидком сверхтекучем гелии.
В 70-х годах XX века советские ученые предположили, что при высоких амплитудах (отклонении от положения равновесия) звуковых волн возникает звуковая турбулентность. Сама по себе теория волновой турбулентности применима для множества других волновых систем — например, для магнитогидродинамических волн в ионосферах звезд и планет-гигантов и даже, возможно, для гравитационных волн в ранней Вселенной. При этом предсказать, как распространяются нелинейные (то есть движущиеся хаотично) звуковые и другие волны, ранее из-за большой вычислительной сложности было практически невозможно.
Ученые из Сколковского института науки и технологий (Сколково), Института электрофизики Уральского отделения РАН (Екатеринбург) и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (Москва) впервые нашли численное решение для уравнения, описывающего распространение звуковых волн в турбулентности, и тем самым смогли доказать теорию советских ученых.
Для расчетов авторы использовали графические процессоры (видеокарты). Исследователи нашли решения для нескольких частей уравнения, математически описывающего распространение звуковых волн, параллельно на четырех разных видеокартах, установленных на одном компьютере. Получается, что вместо использования огромного и очень дорогого суперкомпьютера — кластера из вычислительных машин,— который смог бы найти приблизительный ответ, ученые смогли провести расчеты на небольшом персональном компьютере и прийти к точному численному решению.
Авторы проверили свое решение, численно проследив распространение звуковых волн в нелинейной среде, похожей на жидкий сверхтекучий гелий, при температуре около –270°C. Этот газ был выбран потому, что в данных условиях он становится квантовой жидкостью. Такая жидкость обладает сверхтекучестью и сверхпроводимостью, благодаря чему ее можно использовать в сверхпроводниках. На сверхпроводниках сегодня работают квантовые компьютеры, поезда на магнитной подушке (в Китае и в Японии) и многие другие высокотехнологичные устройства. Кроме того, сверхтекучий гелий используется в ядерной энергетике.
Плотность газа в режиме слабой турбулентности, когда амплитуды звуковых волн малы (слева), и в состоянии сильной турбулентности, при которой акустическая турбулентность представляет собой набор случайных ударных волн (справа)
Подтверждение теории турбулентности на примере звуковых волн — важное открытие, которое можно сравнить с таблицей Менделеева. Роль самой таблицы играет теория волновой турбулентности, а каждый тип турбулентности (звуковая, гравитационная, магнитогидродинамическая) соответствует элементу системы, свойства которого полностью описываются положением в таблице и очень точно предсказываются с помощью теории. Теорию турбулентности можно применить для любой волновой системы: например, численное решение уравнений для морских волн уже включено в глобальные метеорологические модели прогнозирования погоды и изменений климата. Поэтому с учетом теории турбулентности прогнозы погоды станут точнее.
«Разгадка природы турбулентности — это одна из важнейших нерешенных задач современной физики. Так, например, только с развитием теории турбулентности стало возможным с хорошей точностью предсказывать погоду. Мы планируем исследовать другие волновые системы — например, океанические волны большой амплитуды. Удивительно, но у звуковых волн и волн на поверхности океана много общего. Например, при больших амплитудах морские волны могут опрокидываться. Этот процесс во многом похож на формирование акустической ударной волны. При опрокидывании волн возникают большие плотности энергии или давления. Сейчас существует гипотеза, что подобные коллапсы различной природы приводят к появлению турбулентности»,— рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгений Кочурин, кандидат физических наук, старший научный сотрудник лаборатории нелинейной динамики Института электрофизики Уральского отделения РАН и научный сотрудник Лаборатории интегрируемых систем и турбулентности Центра перспективных исследований имени И. М. Кричевера Сколтеха.
Подготовлено при поддержке Российского научного фонда
Использованы материалы статьи.
| 21.01.24 | 18.01.2024 TechInsider. «Атомная бомба XXI века»: ученые объясняют технологию создания квантового компьютера |
Но квантовые компьютеры нужны не только для военных целей – они необходимы для решения задач в области квантовой химии, оптимизации финансового моделирования, обучения искусственного интеллекта. С помощью квантовых алгоритмов можно рассчитывать параметры сложных молекул, лекарств, новейших материалов – например, для авиастроения.
Если продолжить сравнение квантовой машины с атомной бомбой, то следует вспомнить, что при общем названии вариантов таких бомб было множество и они сильно различались между собой. Например, бомба, сброшенная на Хиросиму, была сделана по пушечной схеме из высокообогащенного урана, а сброшенная на Нагасаки – по имплозивной схеме с обжатием плутония сферической сходящейся ударной волной. Точно так же сейчас – при едином принципе работы – существует несколько концепций построения квантового компьютера. Главные технологии, на которых сосредоточены все усилия, – это ионные ловушки, нейтральные атомы, фотоны и сверхпроводящие кубиты. Никто точно не знает, какая из технологий в итоге «выстрелит», поэтому развивать приходится все. Пока мы, как и с отечественным атомным проектом, по некоторым направлениям отстаем от стран – лидеров квантовой гонки на три-пять лет, но уже постепенно нагоняем конкурентов.
Ближе всех к цели подошла группа Николая Колачевского из совместной лаборатории Физического института им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Российского квантового центра (РКЦ), занимающаяся квантовыми компьютерами на ионах. Мы поговорили о работе над этим проектом с заместителем руководителя научной группы Ильей Семериковым.
Выпускнику МФТИ Илье Семерикову всего 31 год, но он возглавляет одно из важнейших направлений квантовой физики и входит в первую десятку ученых, которые двигали отечественную науку в этом году.
Пара носков
В традиционных компьютерах единицей информации является бит, а в квантовых – кубит. В отличие от традиционного бита кубит в квантовом мире не обязан быть в одном состоянии: он может быть в любой комбинации из них – в квантовой механике это называется суперпозицией. Четыре классических бинарных бита имеют 24 конфигураций в одном из 16 состояний. А четыре кубита могут быть одновременно во всех 16 состояниях. Чтобы описать состояние системы из четырех кубит, нужно 16 чисел. И это количество возрастает экспоненциально с каждым новым кубитом. Так, для описания 20 кубитов уже понадобится хранить около миллиона значений одновременно, а для 300 потребуется больше чисел, чем атомов во Вселенной.
Еще одно странное свойство кубитов – запутанность: каждый запутанный кубит мгновенно реагирует на изменение состояния другого кубита, как бы далеко друг от друга они ни находились. Измерив один запутанный кубит, мы можем узнать состояние другого, связанного с ним. Чтобы объяснить это явление людям, незнакомым с квантовой физикой, обычно используют сравнение с носками. Представьте, что у вас есть пара квантово связанных носков, разнесенная по разным континентам. Тогда если на одном континенте кто-то наденет носок на правую ногу, то на другом континенте второй носок мгновенно окажется на левой.
Не кубитом единым
Квантовый компьютер Ильи Семерикова расположен в подвальном помещении ФИАН на Ленинском проспекте и напоминает нагромождение лазеров, линз и камер – в общем, классическую лабораторную установку из мира квантовой оптики. На черном фоне монитора выстроились в одну линию 10 светящихся белых точек – это и есть связанные ионы. Прогресс в области квантовых технологий ошеломляющий. Когда я договаривался с Ильей о встрече, у него был 16-кубитный квантовый компьютер, а когда доехал – уже 20-кубитный.
На мониторе работа квантового компьютера на ионах выглядит как цепочка из 10 висящих в вакууме светящихся точек. Но за этими точками стоят невероятно сложные технологии.
freepic
Когда речь заходит о квантовых вычислениях, люди прежде всего смотрят на число кубит, потому что это понятная метрика. Тут работает обратная связь: ученые понимают, что успешность их работы оценивают по количеству кубит, и начинают это количество увеличивать: в США так делают, чтобы понравиться инвесторам, в России – правительству, в Китае – партии. Но на самом деле важна комбинация параметров. Нельзя сказать, что число кубит – какая-то бессмыслица, нет, это действительно одна из главных характеристик. Но не менее значимо качество операций.
Квантовые вентили делятся на два вида: одно- и двухкубитные. Однокубитные операции «дешевые»: у них маленькая ошибка. Ошибки в вычислениях независимые, поэтому, если последовательно проводить несколько операций, они складываются. И можно посмотреть, сколько сотен операций удастся провести, прежде чем ошибка станет больше 50%.
Второй существенный параметр – достоверность двухкубитных операций на массиве.
Кудиты
Группа Колачевского работает с кудитными операциями. Кудиты – особые квантовые системы, которые могут одновременно находиться в более чем двух состояниях и выполнять, в частности, двухкубитные операции. По сути, кудит является усовершенствованной версией кубита. В чем их преимущество?
Кудитных универсальных процессоров в мире всего два: один построен в Инсбурге, второй – у Семерикова.
Годы работы
Квантовыми компьютерами Илья занимается всего четыре года, до этого он шесть лет работал с квантовыми сенсорами, а начинал свой путь в науку вообще с теоретической астрофизики, сидя этажом выше в том же институте.
Первые ионы в ловушке российские физики получили в конце 2020 года, за три года дотянувшись до уровня лучших научных групп по этому направлению. В качестве рабочего тела команда Семерикова использует ионы 171-го изотопа иттербия: у них одна из самых интересных квантовых структур уровней, которые охлаждаются при помощи лазера до минимально возможной температуры – порядка милликельвина. Для сравнения: самая низкая температура во Вселенной – 2,7 К, то есть ионы в квантовом компьютере в тысячу раз холоднее.
Время жизни ионов
Удерживаются охлажденные ионы в сверхнизком вакууме электромагнитными полями. «У нас один из лучших вакуумов во Вселенной», – смеется Илья. На экране компьютера светятся 10 ярких точек-ионов. «Это вчерашние, – говорит физик. – А так они у нас живут неделю. Потом один из них "цепляет" водород, и вместо чистого иттербия получается его гидрид, который мы разрушаем при помощи лазера. Иногда не получается. Тогда мы ловим новые ионы».
Ионы расположены в вакуумной камере на расстоянии порядка 5 микрон друг от друга. Цепочкаиз 10 ионов – уже 50 микрон, вполне макроскопическая величина. «Зарядка» компьютера ионами происходит при помощи небольшой трубочки, в которую забит металлический иттербий. Она разогревается до 250–300 °С, иттербий начинает испаряться, и в сторону ловушки летит нейтральный поток атомов.
Внутри ловушки они подсвечиваются лазером и происходит изотопно-селективный переход на промежуточный уровень. Вторым фотоном отрывается электрон, причем только от 171-го изотопа иттербия, который и захватывается ловушкой. Примерно через 10 секунд на экране появляется светящаяся точка. 100 секунд – и компьютер заряжен ионами. Этого хватает на неделю экспериментов. По словам Ильи Семерикова, если уйти в криогенику, то время жизни ионов станет практически неограниченным: они в ловушке могут жить годами.
Вот такая sCMOS-камера позволяет наблюдать за цепочкой светящихся ионов. ПАО "Туполев"
Ловушка
Первой трудной задачей было как раз создание ловушки. Ионы в ней удерживаются электромагнитным полем, и его важная характеристика – секулярная частота, частота колебаний ионов. В первой ловушке она составляла 1,5 МГц, в новой достигает 4,4 МГц. К тому же поле должно быть с низкими шумами, оно характеризуется темпами нагрева по числу фононов (квазичастица, квант энергии согласованного колебательного движения атомов) в секунду. Вот, например, в старом устройстве число темпа нагрева достигало 10 тыс. фононов в секунду, а в новом – всего 10, как у лучших ловушек в мире.
Уже музейный экземпляр – ионная ловушка, в которой был получен первый ионный кристалл в России еще в 2016 году. ПАО "Туполев"
Лазер
Вторая сложность – лазер, при помощи которого производятся одно- и двухкубитные операции. Берут обычный коммерческий лазер с шириной линии порядка нескольких мегагерц и при помощи специальных техник уменьшают ее до 1 Гц. Для этого команде Семерикова пришлось создать ультрастабильный оптический резонатор, который помещается в вакуумную камеру с температурой стабильности 10–6 градусов.
Еще одна задача – автоматическая калибровка. В российской установке сотни параметров, и все нужно контролировать. Несколько десятков уже удалось автоматизировать, остальные ждут своей очереди. После этого Илья хочет перейти от оптического набора кудитов к радиочастотному, что увеличит время когерентности и позволит делать больше операций. Например, у квантовых компьютеров на сверхпроводниках время когерентности составляет порядка 0,5 мс, а у компьютеров на ионах – 20 мс, что в 40 раз лучше. На радиочастотных кубитах можно будет довести время до часа. После этого Семериков собирается заняться повышением уровня достоверности операций.
Количество имеет значение
«А что дальше?» – спрашиваю я. «Увеличивать количество кубит. – У Ильи на все готов ответ. – Над этой задачеймы тоже работаем: конструируем планарные ловушки».
Дело в том, что произвольно увеличивать цепочку ионов нельзя: теряется связанность. После 30 ионов проводить двухкубитные квантовые операции практически невозможно. Если надо работать с большим числом, приходится переходить на планарные ловушки, в которых ионы располагаются над поверхностью специального чипа, – что-то вроде обычных компьютерных микросхем, но сделанных по совершенно иной технологии. Требуются относительно большие элементы микронного, а не нанометрового размера и очень толстые диэлектрики. Но нельзя прийтина фабрику и сказать: «Ребята, сделайте мне, пожалуйста, вот такое же, только с толщиной диэлектрика 10 микрон». Тем не менее нам удалось найти тех, кто умеет работать с подобными величинами, и не за границей, а в России. Первую партию сложных ловушек уже изготовили в столичном МИЭТе.
Дорогое удовольствие
Квантовый компьютер – штука недешевая. Мы ходим с Ильей вокруг установки, и я интересуюсь стоимостью компонентов. Например, за оптический стол, на котором все смонтировано, пришлось заплатить около 1,3 млн руб. Он должен быть очень стабильным, «развязан» от пола, внутри – сложная сотовая структура. И это далеко не самая дорогая часть. Измеритель длин волн, который для всего мира выпускает компания из новосибирского Академгородка, продается за 10 млн. Оптический резонатор, который ребята собирают сами, обычно стоит под 20 млн. За лазеры для считывания состояний атомов тоже просят 20 млн; раньше их покупали в Германии, а теперь в Китае.
«Китайские, как ни странно, лучше, – отмечает Илья. – Но и дороже».
То есть оборудование всего для одной установки обходится минимум в 300 млн руб., а таких установок нужно несколько. Отдельная гордость Ильи – локализация: весь его квантовый компьютер можно собрать из отечественных и китайских комплектующих, так что санкции нашим физикам нипочем.
Самая дорогая часть установки и гордость группы Колачевского – ультрастабильный оптический резонатор, который они делают сами. Про него даже не скажешь «ювелирная работа»: такая точность ювелирам и не снилась. ПАО "Туполев"
