С 5 по 12 октября проходит одно из крупнейших событий научного мира — 119-я Нобелевская неделя. Открылась она объявлением лауреатов премии по медицине и физиологии, 6 октября будут названы лауреаты по физике, 7 октября — по химии, 8-го — по литературе, 9 октября станет известна фамилия обладателя Нобелевской премии мира. Российским ученым не раз присуждали высшие награды в научной сфере, а для их поддержки правительство реализует национальный проект "Наука", одна из задач которого к 2024 году войти в топ-5 ведущих научных стран мира.
И, признаться, нашим ученым есть чем удивить мир. Например, в "Коньке-горбунке" престарелый царь опробовал на себе смертельный способ омоложения: купание в кипящем молоке. Похожий способ "омоложения с нагреванием" придумали физики Московского физико-технического института Андрей Лебедев и Валерий Винокур, но не для капризных царей, а для квантовых систем. Рассказом об их удивительном открытии портал "Будущее России. Национальные проекты" открывает новую рубрику "Наследники Кулибина" об уникальных разработках и неординарных исследователях.
Швейцарское фондю, встречи в США и мировая известность
Свой типичный рабочий день 40-летний ведущий научный сотрудник лаборатории физики квантовых информационных технологий МФТИ Андрей Лебедев называет непредсказуемым. Около 12 лет он работал в Швейцарской высшей технической школе Цюриха — альма-матер Альберта Эйнштейна, Вильгельма Рентгена и еще двух десятков нобелевских лауреатов.
Суровые Альпы покорили сердце ученого: скалолазание и горные лыжи стали его хобби. А вот к чему Андрей Лебедев так и не смог привыкнуть, так это к специфическому запаху сырного фондю и бытовой расчетливости швейцарцев, и когда представилась возможность заняться интересными проектами, с радостью вернулся на родину. Сейчас ученый преподает в МФТИ и сотрудничает с госкорпорацией "Росатом".
Валерий Винокур тоже долгое время находится вдали от родной Москвы, но связей с российскими коллегами и друзьями не теряет. В 1990 году ученый переехал в американский Чикаго, где вскоре создал и возглавил Институт теоретической физики Отделения материаловедения Аргоннской национальной лаборатории.
"Мы с Андреем придерживаемся принципа, что наука не знает границ", — подчеркивает Валерий Винокур.
Дружба, близкие профессиональные интересы и встречи двух ученых в Америке вылились в несколько статей по теме обращения времени в квантовой системе. Одна из них вышла в прошлом году в журнале Scientific Reports, вторая — в июле 2020 года в журнале Communications Physics. Эта тема наделала много шума: об итогах первого исследования написали даже в The New York Times. Что же такое открыли физики?
К черту подробности, вы сможете сделать меня снова молодой?
В избитых сюжетах о путешествиях во времени само время представлено как четвертое измерение, в котором герои с помощью хитроумных машин перемещаются от динозавров к гуманоидам будущего и обратно, объяснил Андрей Лебедев.
После этого понятного тезиса ученый начал произносить совершенно крамольные вещи:
"Вот вы сейчас сидите в своем офисном кресле и попиваете кофе, а если вас взять, разогнать до околосветовой скорости, то время для вас будет идти медленно, а вокруг вас — быстро, и когда вы затормозитесь, вы очутитесь через тысячи лет от отправной точки, а ваш кофе даже не успеет остыть! Правда, в прошлое таким образом не улетишь".
Второе определение времени — не геометрическое, как четвертого измерения, а термодинамическое. "Так, ваше ощущение времени совпадает с разрушением любого физического объекта. Продукты портятся, камни рассыпаются, не успеешь покрасить стены — они уже облупились! В обратную сторону в жизни ничего не происходит, а мы в нашей работе нашли способ повернуть вспять эту хаотизацию", — продолжил Лебедев.
Авторы исследования доказали, что если взять произвольный объект микромира, совершить над ним некоторые "магические" действия при помощи квантового компьютера, то можно уменьшить степень хаотизации и вернуть объект к первоначальному состоянию.
"Вы уже допили свой кофе? Нет? Отлично! Вот мы берем ваш кофе, кладем туда кусочек сахара и убираем стакан в непроницаемую пустую коробку. Через пять минут сахар растворится. Наша "магическая" процедура позволяет растворенный кубик сахара восстановить в первоначальном состоянии", — описал процесс Андрей Лебедев.
Люди, в общем-то, тоже ветшают.
"Ощущают термодинамическую стрелу времени", — описал процесс ученый.
"Я выступал с отчетом по работе в (Аргоннской. — Прим. ред.) национальной лаборатории, и одна присутствующая дама, видный физик и член комитета, перед которым я выступал, пошутила: "Ладно, Валерий Маркович, с электронами понятно, а вот меня снова молодой вы меня сделать сможете?" На что я ответил, что, конечно, смогу при надлежащем финансировании. Это был забавный диалог", — смеется соавтор исследования Валерий Винокур.
К сожалению, омолаживать людей или какие-либо объекты вне микромира с помощью предложенного в исследовании алгоритма еще нельзя. Пока практическое применение этой теории другое, и завязано оно на использовании квантового компьютера.
Заря новой компьютерной эры
Квантовая механика как раздел физики появилась в 1920-е годы для описания того, как работает пространство в масштабах микромира. Через какое-то время эта теоретическая отрасль пришла к вполне практическим результатам: в 90-е годы обнаружилось, что квантовые системы можно использовать для вычисления — так родилась идея о квантовом компьютере. Андрей Лебедев считает это одним из важнейших открытий конца прошлого века, которое в XXI веке предопределит развитие нашего общества.
Сейчас все — и условная студентка Лена, и ученые NASA — пользуются компьютерами, работающими на полупроводниках. В свое время их открытие произвело настоящий фурор и, по сути, создало жизнь, какой мы ее знаем сейчас. А теперь представьте, что человечество разработало новую машину, вычислительная мощность которой в тысячу раз больше самого мощного обычного компьютера!
"Еще десять лет назад некоторые крупные ученые считали, что создание квантового компьютера невозможно, а сейчас этих компьютеров довольно много. На столе у каждой домохозяйки он пока не стоит, но крупнейшие компании сейчас ведут гонку, кто построит самый большой квантовый компьютер", — сказал Валерий Винокур.
Такие машины уже есть, например, у компаний IBM, Google, Microsoft. Лучшие ученые мира работают над эволюцией этих огромных установок. Создается квантовый компьютер, правда, пока меньшей мощности, чем у корпораций-гигантов, и в России.
Работа Андрея Лебедева и Валерия Винокура помимо безусловной теоретической ценности важна для практического применения новых квантовых компьютеров. Дело в том, что проверить правильность расчетов квантового компьютера на обычных компьютерах невозможно.
Например, чтобы проверить результаты 200-секундных расчетов квантового компьютера IBM потребуется работа всех существующих на планете компьютеров в течение 10 тыс. лет! Поэтому камертоном работы квантового компьютера может выступить только он сам. Но как?
"В нашей работе предложен алгоритм действий, как, имея в руках квантовую систему (например, квантовый компьютер), вернуть ее к первоначальной точке. Если процедура такого обращения прошла успешно, то можно с высокой степенью вероятности говорить, что произведенные машиной вычисления правильные. В первой работе, опубликованной в 2019 году, мы предложили процедуру, как это сделать, но для этого необходимо было иметь полную информацию о состоянии квантовой системы перед началом операции. На это требуется очень много компьютерной памяти, из-за чего этот алгоритм действий на практике почти невозможно реализовать. Тем не менее мы успешно проверили эту теорию в квантовом компьютере IBM на трех кубитах (минимальных квантовых объектах, входящих в состав квантового компьютера; в мощном квантовом компьютере IBM 52 кубита. — Прим. ред.). Во второй работе, опубликованной в этом году, уже нет необходимости знать квантовое состояние системы перед обращением. Это очень большой апгрейд!" — рассказал Лебедев.
Практическую реализацию этой теории очень сложно описать и осмыслить не физику. Вкратце она выглядит так: половину кубитов, находящихся в квантовом компьютере, нагревают, они хаотизируются, а затем происходит так называемая процедура частичного квантового переноса с ненагретыми кубитами, после чего они разъединяются. Эта процедура повторяется много раз. Через определенное время ученые проверяют систему и видят, что она вернулась к началу. Бинго!
Правильность алгоритма, описанного в первой статье, ученые успешно доказали на компьютере IBM, вторую статью ждет проверка боем в ближайшее время. Для этого не нужен очень мощный квантовый компьютер, достаточно четырехкубитного: два кубита будут нагревать, два — обращать. Проблема в том, что существующие квантовые компьютеры не оборудованы системой нагрева, поэтому для проверки теории придется проектировать такую систему дополнительно.
"Работы по созданию квантового компьютера ведутся в России: в МФТИ, НИТУ "МИСиС", МГТУ им. Баумана, Росатоме. Разработка темы и инвестиции начались пять-шесть лет назад. Кубиты в Физтехе уже есть, но пока нет необходимых квантовых чипов, где кубиты объединены в единую схему. Я думаю, с их появлением мы сможем еще раз успешно доказать свою теорию", — поделился ожиданиями Андрей Лебедев.
Комментарии
"Мы с Андреем придерживаемся принципа, что наука не знает границ", — подчеркивает Валерий Винокур.
На самом деле принцип другой. Где лучше, там и живешь. Иначе, ничего бы не мешало заниматься наукой находясь в России. Ведь наука не имеет границ. Тем более, если ты теоретик.
Такова судьба российских евреев ...
в России к сожалению ученый может полжизни так и остаться теоретиком без материальной базы. Сейчас наверное стало получше, но многие состарились, так и не дождавшись. Или уехали, там где с материальной базой проблем нет.
Сейчас и "там" плавно хужеет с материальной базой.
Если для государства приоритетнее яхты уважаемым людям, особняки и прочее, ну чтож, тогда всё по-справедливости.
Можно далеко не ходить.. кванты там или ещё что.. Конечно это замечательно, что российские физики не спят, а работают. Не то что некоторые.. Но в качестве простого замечания о высказанной мысли в статье, что всё стареет и не возвращается назад "в кусок сахара", можно предложить рассмотрение природного явления - возникновения снежинки. Перехода её в жидкое, парообразное состояние и обратно до снежинки. Ну или чтобы не мудрствовать сильно, то налить воды в формочку для создания льда к виски и поставить в морозильник. Вынуть ледышки, отогреть и повторить всё снова. Всё. Процессы туда и обратно во времени.
Заметьте.. не я про сахар начал.
для начала разберитсь, что такое термодинамический ансамбль, макроситсема, и микросистемы ...а потом уже будете своими откровенями о стреле фремени радовать
Если по теме: какие проблемы решаются с помощью квантовых компьютеров? Ок, мощность увеличили, но какое практическое значение? Есть кто из физтеха, пояснить на языке с понижением уровня сложности для обывателей ? )
Сложнейшая, даже невозможная задача. Надо знать лексикон митрофанушек. Может так случиться, что слово "проблема" или тем более (не приведи господи) слово "квантовый"..
Есть же кучер, зачем ещё географию учить..
Квантовые компьютеры идеально решают задачи нелинейных систем распила.
Нахождение корней дифф. уравнений. Разложение числа на простые множители. Да всё то же самое, что и у классического компьютера. Вы сам принцип работы КК (квантового компьютера) знаете?
Это аналоговый компьютер. Он создаёт квантовую интерференционную картину, на которой отображены сразу все найденные результаты. От вас требуется только увидеть эту картину.)
Данный комментарий представляет собой некоторую аппликацию культурной инкапсуляции по причине наличия жесткого противодействия диффузному проникновению разных культур друг в друга.
Ога )) Всего-то ))
Лично я согласен с автором сайта KnigaNEWS в том, что физика заехала не туда.
И не нужно мне начинать про то, что что-то подтверждается. И сломанные часы два раза в сутки показывают правильное время.
Есть гораздо более просые гидродинамические объяснения квантовых явлений, но физики их упорно игнорируют.
у нас свобода слова пусть пишет опусы о гидродинамке электронов в атоме водорода... афтар - графоман, походу балущмся созданием прсевдоосмысленных текстов с промощью моделей глубокого обучения
Ещё раз, хотелось бы обратить ваше внимание на то, что автор каждый свой тезис подтверждает ссылками на источники. Они приводятся в конце текста. И это источники вполне себе научные и даже входящие во всякие столь любимые нынче у нас глюкометры типа скопуса и прочего.
в третий раз пишу или вам или автору сайта или источникам на кои он ссылается вывести спеектр водорода
корни дифференциальных уравнений.... феерично... а вы случае таблицы дифференциальных уранений не составляете?
Я таблицы не составляю ) Всегда обходися Бронштейном-Семендяевым ) Но, так как я занимася теоретической теплотехникой, то гидродинамический подход мне интуитивно близок. И он ПОНЯТЕН. В нём есть физический смысл. Чего в работах современных жонглеров алгебрами не наблюдается. Если физический смысл нынче редуцировался до "заткнись и считай", то это лучше всего говорит о полной деградации физики ибо она всегда в первую очередь ставила во главу угла физический смысл, а уже потом матмодели.
ну о таблицах дифференциальных уравнений не к вамвовопрос был... а вам попрос попродуйте с помощью гиддродинамических уравнений обосновать простейшую квантовую систему (это сделал шредингер 95 лет назад) - построить структуру уровней атома водорода - естественно дискретную.. а что до физического до физического смысла - так это только набор предрасудков для объяснения окружающено сложеннный из набора догм(абстракий) доступных конкрентному наблюдатлю, а он у каждого свой...А что до понятности - пробуйте мне понятно пояснить как из непррывных ураавнений навье стокса возникают неонятные скачки плотности (ударные явления) в ожнородной среде...
пока самые большие успехи в реальных применениях - это расчеты небольшого коломчества двух и трехатомных молекул... насчет адиабатических квантовыз вычислений - нахождений мнмимумов модейлей изинга не силен - но насколко мне известно производительность сравнима с лучшими суперкомпами
Я в квантовых вычислениях не силён, но, как я понял из описаний на вышеуказанном сайте, как раз моделирование ансамблей из частиц получается сделать с помощью вибрирующего песочка и результаты весьма неплохо совпадают с практикой.
нуну ... рлрообуйте с помощбю вибрирующего песочка осчитать структуру уровней гидрида магния.