СМИ о нас

Cистема из лазеров, зеркал и оптических модуляторов для охлаждения ионов квантового компьютера.
/ Дмитрий Писаренко / АиФ

Когда лет через десять учёные представят миру эффективное средство от рака или новый материал для аккумуляторов, который позволит заряжать смартфоны не каждый день, а раз в пару недель, эти вещества не откроют случайно в лаборатории и не найдут в недрах земли. Их спроектируют (ну, скажем, за пару дней) на квантовом компьютере, который переберёт миллиарды вариантов молекул, сравнит их друг с другом и предложит самую перспективную.

На постсоветском пространстве квантовые компьютеры создают в нескольких научных центрах. В одном из них, Физическом институте РАН (ФИАН) представили самый мощный из таких вычислителей.

Бит принимает только два значения – 0 и 1, кубит – любое значение между 0 и 1 на поверхности этой сферы. 

От битов к кубитам

В лаборатории «Оптика сложных квантовых систем» он занимает всю центральную часть отведённой ему комнаты. Сходу и не подумаешь, что это вычислительная машина будущего. Громоздкий стол со стеллажами. Множество приборов, мониторов, датчиков, узлов и модулей. Паутина проводов... Выглядит не очень футуристично, но для учёных главное — практичность.

«Вот в этой железной коробке находится вакуумная камера с ионной ловушкой, это сердце квантового компьютера, — показывает на блестящий серебристый куб старший научный сотрудник ФИАН Илья Заливако. — Там в условиях глубокого вакуума подвешены ионы иттербия 171 — это квантовый регистр. А чтобы охлаждать ионы, мы используем систему из лазеров, зеркал и оптических модуляторов, — Илья приподнимает крышку широкого чёрного ящика, — и благодаря этому проводим квантовые вычисления».

Цепочка ионов на мониторе выглядит словно жемчужное ожерелье в тёмной пустоте. Всего этих ионов 35, и при воздействии на один из них начнёт колебаться вся цепочка, а система будет работать как компьютер на 70 кубитах.

Но что такое этот кубит, о котором слышала уже, наверное, каждая домохозяйка? Так называют наименьшую единицу информации в квантовых вычислениях. Если классический процессор оперирует битами — нулями и единицами (трудно поверить, но фотографии в вашем смартфоне или музыка в MP3-плеере — это последовательность нулей и единиц), то базовый элемент квантового компьютера выглядит иначе. Он может быть и нулём, и единицей одновременно с определённой вероятностью.

Представить себе такое архисложно. Кубит подобен монетке, которая подброшена и вращается в воздухе: она ещё не «орёл» и не «решка», но она и то и другое — оба состояния сразу. Аналогия не совсем точная, но наиболее понятная.

Именно это свойство кубита даёт квантовому компьютеру грандиозную вычислительную мощность. Причём с увеличением единиц информации она растёт по экспоненте. Если создать устройство на 300 кубитах, они смогут занимать больше состояний, чем насчитывается атомов в известной нам Вселенной!

Кстати, квантовый вычислитель объёмом 300 кубитов — вполне реальная цель. При этом максимальное количество кубитов, которое сейчас достигнуто в ионных компьютерах (квантовые вычисления производят не только на ионах, но и на сверхпроводниках, атомах, фотонах и пр.), составляет 98. Такая вычислительная машина работает в США.

Избавит города от пробок

В истории цивилизации было не так много изобретений, способных кардинально повлиять (а где-то и переписать правила) сразу на десятки областей знания и человеческой деятельности. Квантовый компьютер — как раз одно из таких изобретений. И претендент на то, чтобы улучшить наш мир, а то и ...спасти его. От рака, например, или других тяжёлых недугов современности — болезней Альцгеймера и Паркинсона.

Квантовые вычисления обещают революцию в фармакологии, химии, материаловедении, безопасности данных и оптимизации сложных систем.

«Моделирование новых молекул, материалов с предсказанными свойствами — это одна из задач, которые смогут решать квантовые компьютеры, — продолжает академик Колачевский. — Скажем, для лекарственных препаратов очень важным вопросом является, существует ли такое соединение вообще и насколько оно устойчиво. Ответ на этот вопрос очень важен, поскольку экономит огромное количество ресурсов, чтобы учёные не пытались напрасно синтезировать то, чего быть не может.

Квантовые компьютеры позволят решать задачи оптимизации. К примеру, прокладывать наилучшие маршруты для тысяч транспортных средств, разводя потоки, минимизировать автомобильные пробки в городах, улучшать логистику и всевозможные расписания».

Отдельное направление — криптография и безопасность. Квантовые компьютеры позволят создавать каналы связи, которые принципиально невозможно взломать. А это уже может быть связано с вопросами национальной безопасности и обороноспособности страны.

Ну и куда без искусственного интеллекта...

«Сейчас человечество избаловано вычислениями и благами этих вычислений. Мы разговариваем с голосовым помощником по любому поводу, но надо понимать, что, когда ребёнок спрашивает у него, сколько будет два плюс два, это в конечном итоге стоит определённых денег, поскольку на работу искусственного интеллекта затрачивается электроэнергия», — объясняет Николай Колачевский.

Квантовые компьютеры будут помогать искусственному интеллекту решать наиболее сложные задачи, ускоряя машинное обучение и обрабатывая огромные массивы данных. И это не такое уж далёкое будущее.

В тему

В Институте физики Национальной академии наук (НАН) Беларуси есть несколько направлений работ, связанных с квантовыми компьютерами и квантовыми методами обработки информации. Об этом нам рассказал доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник центра «Квантовая оптика и квантовая информатика» Института физики НАН Беларуси Александр МИХАЛЫЧЕВ. 

Например, с 2010 года институт разрабатывает квантовые методы защиты информации, в частности квантовые генераторы случайных чисел. Эти устройства, используя квантовые свойства фотонов, создают истинно случайные биты (секретные ключи), которые важны для надежной защиты линий связи. При использовании квантовых линий связи они совместно защищают передаваемые данные даже от взлома с помощью квантовых компьютеров любой мощности.

Еще одно направление – моделирование квантовых алгоритмов на обычных компьютерах. Оно оценивает эффективность квантовых компьютеров для решения практических задач. Моделирование показало, что в будущем квантовые компьютеры смогут эффективно решать сложные математические задачи в промышленности, финансах, транспорте и других сферах, а также предсказывать свойства новых веществ, что имеет важное значение, например, для медицины.

https://aif.by/social/science/kubit_za_kubitom_kvantovye_kompyutery_pomogut_nayti_lekarstva_ot_raka

Фотография научных сотрудников коллектива.
Источник: Егор Паркевич / ФИАН.

Исследователи изучили ключевые процессы, происходящие при электрическом взрыве тонких металлических катодов (отрицательно заряженных электродов) во время импульсного разряда в вакууме. Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на механизмы разрушения электродов при высоких плотностях тока и помогают понять, как контролировать режимы работы взрывоэмиссионных катодов — важнейших элементов для импульсной электротехники и вакуумной электроники высоких мощностей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review E.

Взрывоэмиссионные катоды — это устройства для генерации электронов. Испускание заряженных частиц происходит с поверхности металла в результате взрывного разрушения его микроскопических областей и перехода вещества в плотную плазму. Этот процесс позволяет генерировать мощные потоки электронов. Благодаря этому взрывоэмиссионные катоды находят применение в широком спектре научных и промышленных задач. Они активно используются в мощных импульсных устройствах: сильноточных ускорителях электронов, импульсных источниках рентгеновского излучения высокой интенсивности, системах накачки газовых лазеров, а также в установках для модификации поверхности материалов и электронно-лучевой сварки.

Несмотря на широкое практическое использование взрывоэмиссионных катодов, многие аспекты их работы остаются недостаточно изученными. Фазовые превращения материала, динамика формирования плазмы и механизмы шунтирования тока (переключение тока с разрушающегося проводника на формирующуюся вокруг него плазму) и продукты взрыва остаются во многом неясны в силу экстремальной скоротечности этих явлений (единицы–десятки наносекунд) и их реализации в микронном масштабе.

Ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) провели эксперименты с острийными катодами, сделанными из медной проволоки диаметром около 10 микрометров и длиной порядка 1 миллиметра, на которые подавался высоковольтный импульс. Напротив такого катода разместили плоский цилиндрический анод (заземленный электрод) так, чтобы зазор между вершиной катодного острия и поверхностью анода составлял 100–200 микрометров.

Образованный таким образом диод (систему «острийный катод — плоский анод») авторы поместили в вакуумную камеру. При подаче высоковольтного импульса наблюдался резкий рост тока через диод до порядка тысячи ампер за десятки наносекунд и взрывное разрушение материала катода.

Исследователи также обнаружили сильную неоднородность взрыва острийного катода — при полностью взорванном основании его привершинная часть оставалась не разрушенной во время разряда. Процесс разрушения сопровождался формированием локальных зон продольного уплотнения продуктов взрыва и появлением выбросов плотной плазмы. При этом между взорванным основанием и неповрежденной вершиной эмиттера возникала переходная зона, где вещество находилось в некотором промежуточном состоянии.

Неоднородная картина взрыва острийного катода вдоль его длины отражает сложную конкуренцию между процессами нагрева его материала протекающим током высокой плотности и шунтирования — переключения тока с острийного катода на плазму, формирующуюся возле его поверхности и вблизи продуктов взрыва.

При электрическом взрыве острийных катодов, сделанных из вольфрамовой проволочки диаметром 8 микрометров, распределение продуктов взрыва оказалось относительно однородным вдоль их длины — исчезли области продольного уплотнения взорванного вещества, а скорость поперечного расширения продуктов взрыва была на порядок меньше, чем в случае взрыва медных катодов.

Выявленные различия в картинах взрыва острийных катодов, изготовленных из металлов с различными электрофизическими и теплофизическими свойствами, связаны с особенностями развития процессов шунтирования тока от их поверхности. У вольфрамовых эмиттеров плазменная оболочка формируется на более ранней стадии, что ограничивает дальнейший нагрев материала и приводит к меньшей степени расширения продуктов взрыва. Это обусловлено тем, что протекающий ток переключается на сформированную плазму рядом с поверхностью вольфрамого катода раньше, чем в случае меди.

«Понимание механизмов генерации плазмы и факторов, определяющих интенсивность этого процесса, позволяет перейти к целенаправленному формированию катодов с заданными характеристиками разрушения и плазмообразования. Полученные результаты закладывают научную основу для разработки взрывоэмиссионных катодов нового типа с повышенной устойчивостью к разрушению под действием тока высокой плотности. Ключевым условием для этого выступает возможность управлять процессами генерации плазмы и перераспределения тока. Как показано в исследовании, варьируя такие параметры как материал эмиттера, его геометрию, микроструктуру поверхности и функциональные покрытия, можно влиять на зону первичного разогрева и динамику взрывного разрушения», — поясняет один из авторов работы, Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИАН.

Авторы отмечают, что глубокое понимание процессов генерации плазмы и шунтирования тока может способствовать разработке новых взрывоэмиссионных катодов, в которых будет возможно задавать требуемые характеристики разрушения и плазмообразования. Это важно для повышения их эрозионной стойкости при пропускании большого количества импульсов тока. В свою очередь, такие катоды актуальны для развития новых компактных источников пучков высокоэнергетических частиц и рентгеновского излучения.

https://inscience.news/ru/article/russian-science/fiziki-raskryli-processy-vzryvnogo-razrusheniya

Исследователи изучили ключевые процессы, происходящие при электрическом взрыве тонких металлических катодов (отрицательно заряженных электродов) во время импульсного разряда в вакууме. Полученные данные позволяют по-новому взглянуть на механизмы разрушения электродов при высоких плотностях тока и помогают понять, как контролировать режимы работы взрывоэмиссионных катодов — важнейших элементов для импульсной электротехники и вакуумной электроники высоких мощностей. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале Physical Review E.

Фотография научных сотрудников коллектива.
Источник: Егор Паркевич / ФИАН

Взрывоэмиссионные катоды — это устройства для генерации электронов. Испускание заряженных частиц происходит с поверхности металла в результате взрывного разрушения его микроскопических областей и перехода вещества в плотную плазму. Этот процесс позволяет генерировать мощные потоки электронов. Благодаря этому взрывоэмиссионные катоды находят применение в широком спектре научных и промышленных задач. Они активно используются в мощных импульсных устройствах: сильноточных ускорителях электронов, импульсных источниках рентгеновского излучения высокой интенсивности, системах накачки газовых лазеров, а также в установках для модификации поверхности материалов и электронно-лучевой сварки. 

Несмотря на широкое практическое использование взрывоэмиссионных катодов, многие аспекты их работы остаются недостаточно изученными. Фазовые превращения материала, динамика формирования плазмы и механизмы шунтирования тока (переключение тока с разрушающегося проводника на формирующуюся вокруг него плазму) и продукты взрыва остаются во многом неясны в силу экстремальной скоротечности этих явлений (единицы–десятки наносекунд) и их реализации в микронном масштабе.

Ученые из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (Москва) провели эксперименты с острийными катодами, сделанными из медной проволоки диаметром около 10 микрометров и длиной порядка 1 миллиметра, на которые подавался высоковольтный импульс. Напротив такого катода разместили плоский цилиндрический анод (заземленный электрод) так, чтобы зазор между вершиной катодного острия и поверхностью анода составлял 100–200 микрометров.

Лазерные теневые изображения (кадры 1–8) диодов с острийным катодом (медная проволока диаметром 10 мкм и длиной около 1 мм) в вакууме. Изображения показывают состояние катода до разряда и через определенное время после резкого возрастания тока, протекающего через систему. Источник: Егор Паркевич / ФИАН

Образованный таким образом диод (систему «острийный катод — плоский анод») авторы поместили в вакуумную камеру. При подаче высоковольтного импульса наблюдался резкий рост тока через диод до порядка тысячи ампер за десятки наносекунд и взрывное разрушение материала катода. 

Исследователи также обнаружили сильную неоднородность взрыва острийного катода — при полностью взорванном основании его привершинная часть оставалась не разрушенной во время разряда. Процесс разрушения сопровождался формированием локальных зон продольного уплотнения продуктов взрыва и появлением выбросов плотной плазмы. При этом между взорванным основанием и неповрежденной вершиной эмиттера возникала переходная зона, где вещество находилось в некотором промежуточном состоянии. 

Лазерные теневые изображения диода с острийным катодом. Катод из вольфрамовой проволоки диаметром 8 мкм. Также представлены осциллограммы тока и напряжения. Источник: Егор Паркевич / ФИАН

Неоднородная картина взрыва острийного катода вдоль его длины отражает сложную конкуренцию между процессами нагрева его материала протекающим током высокой плотности и шунтирования — переключения тока с острийного катода на плазму, формирующуюся возле его поверхности и вблизи продуктов взрыва. 

При электрическом взрыве острийных катодов, сделанных из вольфрамовой проволочки диаметром 8 микрометров, распределение продуктов взрыва оказалось относительно однородным вдоль их длины — исчезли области продольного уплотнения взорванного вещества, а скорость поперечного расширения продуктов взрыва была на порядок меньше, чем в случае взрыва медных катодов.

Выявленные различия в картинах взрыва острийных катодов, изготовленных из металлов с различными электрофизическими и теплофизическими свойствами, связаны с особенностями развития процессов шунтирования тока от их поверхности. У вольфрамовых эмиттеров плазменная оболочка формируется на более ранней стадии, что ограничивает дальнейший нагрев материала и приводит к меньшей степени расширения продуктов взрыва. Это обусловлено тем, что протекающий ток переключается на сформированную плазму рядом с поверхностью вольфрамого катода раньше, чем в случае меди. 

«Понимание механизмов генерации плазмы и факторов, определяющих интенсивность этого процесса, позволяет перейти к целенаправленному формированию катодов с заданными характеристиками разрушения и плазмообразования. Полученные результаты закладывают научную основу для разработки взрывоэмиссионных катодов нового типа с повышенной устойчивостью к разрушению под действием тока высокой плотности. Ключевым условием для этого выступает возможность управлять процессами генерации плазмы и перераспределения тока. Как показано в исследовании, варьируя такие параметры как материал эмиттера, его геометрию, микроструктуру поверхности и функциональные покрытия, можно влиять на зону первичного разогрева и динамику взрывного разрушения», — поясняет один из авторов работы, Егор Паркевич, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ФИАН. 

Авторы отмечают, что глубокое понимание процессов генерации плазмы и шунтирования тока может способствовать разработке новых взрывоэмиссионных катодов, в которых будет возможно задавать требуемые характеристики разрушения и плазмообразования. Это важно для повышения их эрозионной стойкости при пропускании большого количества импульсов тока. В свою очередь, такие катоды актуальны для развития новых компактных источников пучков высокоэнергетических частиц и рентгеновского излучения.

https://rscf.ru/news/release/fiziki-raskryli-protsessy-vzryvnogo-razrusheniya-tonkikh-metallicheskikh-katodov-vo-vremya-impulsnog/

Российские космонавты Сергей Кудь-Сверчков и Сергей Микаев установили на внешней поверхности Международной космической станции научный прибор «Солнце-Терагерц», разработанный в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

Директор ФИАН академик РАН Николай Колачевский поблагодарил космонавтов и отметил их профессионализм: 

«Мы признательны нашим космонавтам за их труд и компетентность. Выход в открытый космос был и остается очень ответственной и сложной операцией. Подготовкой к ней занимается много специалистов на протяжении длительного времени. Также проектирование, создание и ввод в эксплуатацию научной аппаратуры потребовали многолетней работы наших ученых».

«Солнце-Терагерц» – уникальная научная аппаратура, которая позволит регистрировать электромагнитное излучение Солнца в терагерцовом диапазоне для исследования процессов ускорения и взаимодействия заряженных частиц в солнечной атмосфере. Терагерцовый диапазон солнечного излучения, т.е. участок электромагнитного излучения между микроволнами и инфракрасным светом, до сих пор почти не использовался для подобных исследований. Выбранный для исследования диапазон частот находится между радио- и видимыми диапазонами и практически полностью поглощается земной атмосферой. Поэтому наблюдать его с поверхности Земли невозможно.

По словам руководителя проекта, заведующего Лабораторией физики Солнца и космических лучей ФИАН Владимира Махмутова, уже через несколько дней начнется сбор первоначальных данных.

«В течение ближайших 2-3 недель должна завершиться необходимая проверка аппаратуры и программного комплекса обработки экспериментальных данных в космических условиях. После этого мы сможем приступить к анализу данных поступающих с прибора», – рассказал Владимир Махмутов.

Эксперимент «Солнце-Терагерц» Физического института им. П.Н. Лебедева РАН рассчитан на три года, период 2026-2029 гг. Новые данные помогут ученым точнее прогнозировать солнечную активность и космическую погоду, сообщили в пресс-службе ФИАН.

https://наука.рф/news/unikalnyy-pribor-solntse-teragerts-ustanovili-na-mks/

В ходе запланированной внекорабельной деятельности космонавты Сергей Кудь-Сверчков и Сергей Микаев установили на внешней поверхности служебного модуля российского сегмента Международной космической станции прибор «Солнце-Терагерц», созданный сотрудниками Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук.

«Солнце-Терагерц» — уникальная научная аппаратура, которая позволит регистрировать электромагнитное излучение Солнца в терагерцовом диапазоне для исследования процессов ускорения и взаимодействия заряженных частиц в солнечной атмосфере.

Выбранный для исследования диапазон частот находится между радио- и видимым диапазонами и практически полностью поглощается земной атмосферой, поэтому наблюдать его с поверхности Земли невозможно.

Заведующий лабораторией физики Солнца и космических лучей ФИАН Владимир Махмутов рассказал:

«В течение ближайших двух-трёх недель должна завершиться необходимая проверка аппаратуры и программного комплекса обработки экспериментальных данных в космических условиях. После этого мы сможем приступить к анализу данных, поступающих с прибора».

Эксперимент рассчитан на три года — на период 2026–2029 гг. Новые данные помогут учёным точнее прогнозировать солнечную активность и космическую погоду.

https://t.me/rasofficial/16642

В ходе запланированной внекорабельной деятельности космонавты Сергей Кудь-Сверчков и Сергей Микаев установили на внешней поверхности служебного модуля российского сегмента Международной космической станции прибор «Солнце-Терагерц», созданный сотрудниками Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук.

«Солнце-Терагерц» — уникальная научная аппаратура, которая позволит регистрировать электромагнитное излучение Солнца в терагерцовом диапазоне для исследования процессов ускорения и взаимодействия заряженных частиц в солнечной атмосфере.

Выбранный для исследования диапазон частот находится между радио- и видимым диапазонами и практически полностью поглощается земной атмосферой, поэтому наблюдать его с поверхности Земли невозможно.

Заведующий лабораторией физики Солнца и космических лучей ФИАН Владимир Махмутов рассказал:

«В течение ближайших двух-трёх недель должна завершиться необходимая проверка аппаратуры и программного комплекса обработки экспериментальных данных в космических условиях. После этого мы сможем приступить к анализу данных, поступающих с прибора».

Эксперимент рассчитан на три года — на период 2026–2029 гг. Новые данные помогут учёным точнее прогнозировать солнечную активность и космическую погоду.

https://max.ru/rasofficial/AZ54tGFdKWk

Космонавты Сергей Кудь-Сверчков и Сергей Микаев установили на российском сегменте Международной космической станции прибор «Солнце-Терагерц», регистрирующий электромагнитное излучение Солнца в терагерцовом диапазоне.

Как объяснили разработчики прибора из Физического института РАН, этот диапазон солнечного излучения до сих пор почти не использовался для подобных исследований, поскольку он практически полностью поглощается земной атмосферой.

Исследование рассчитано на три года и должно помочь учёным точнее прогнозировать солнечную активность и космическую погоду.

https://vk.com/sciencerf?w=wall-215364149_35383

Космонавты Сергей Кудь-Сверчков и Сергей Микаев установили на российском сегменте Международной космической станции прибор «Солнце-Терагерц», регистрирующий электромагнитное излучение Солнца в терагерцовом диапазоне.

Как объяснили разработчики прибора из Физического института РАН, этот диапазон солнечного излучения до сих пор почти не использовался для подобных исследований, поскольку он практически полностью поглощается земной атмосферой.

Исследование рассчитано на три года и должно помочь учёным точнее прогнозировать солнечную активность и космическую погоду.

https://max.ru/nauka/AZ5y_fbCVRY

Космонавты Сергей Кудь-Сверчков и Сергей Микаев установили на российском сегменте Международной космической станции прибор «Солнце-Терагерц», регистрирующий электромагнитное излучение Солнца в терагерцовом диапазоне.

Как объяснили разработчики прибора из Физического института РАН, этот диапазон солнечного излучения до сих пор почти не использовался для подобных исследований, поскольку он практически полностью поглощается земной атмосферой.

Исследование рассчитано на три года и должно помочь учёным точнее прогнозировать солнечную активность и космическую погоду.

https://t.me/npnauka/11867

То, что атмосфера Земли скрывает от ученых, теперь увидят с МКС: российский прибор «Солнце-Терагерц» начал путь к новым данным о солнечных вспышках.

© https://edu.sputnix.ru/

Большинство приборов, изучающих Солнце, находятся вне земной поверхности. Бори МКС — идеальное место размещения. С одной стороны наблюдениям не мешает атмосфера, с другой — всегда есть кому выйти и починить. Источник: https://edu.sputnix.ru/

Эксперимент рассчитан на три года — с 2026 по 2029-й. На фоне разговоров о скором прекращении работ на МКС и своде ее с орбиты такие сроки выглядят обнадеживающе.

Внешний вид восьмиканального солнечного терагерцового интерферометра разработки ФИАН имени Лебедева.
Источник: https://www.lebedev.ru/

https://hi-tech.mail.ru/news/148628-na-vneshnej-obshivke-mks-ustanovili-pribor-solnce-teragerc-rasschitannyj-na-tri-goda-sluzhby/