Новости и статьи с тегом квантовая физика

Вселенная как пространство, образованное двумя непересекающимися сферами, вложенными друг в друга

Наталья Теряева — Sun, 06 Jan 2013 15:57:47 +0400

Искусство строгого логического рассуждения и возможность получать этим способом надежные выводы не должны оставаться привилегией Шерлока Холмса, этим умением должен овладеть каждый школьник, утверждал Владимир Арнольд. По его инициативе более двадцати лет для подготовки профессиональных математиков был организован Независимый московский университет, а при нем – французско-российская лаборатория Понселе, объединяющая в совместных научных исследованиях математиков, физиков и программистов обеих стран. Концепция деятельности лаборатории укладывается в сформулированную Арнольдом идеологию математического образования: умение составлять адекватные математические модели реальных ситуаций должно составлять неотъемлемую часть математического образования.

Летние школы «Современная математика», проводимые в Дубне ежегодно на протяжении уже двенадцати лет собирают около сотни умников и умниц из российских школ и вузов, причем не только столичных. Школы проходят под эгидой Отделения математики РАН, Математического института имени В.А.Стеклова и Московского центра непрерывного математического образования.

Четыре года подряд Лаборатория теоретической физики при поддержке посольства Италии в России и личном участии атташе по науке итальянского посольства в Москве, физика, авторитетного эксперта в теории супергравитации, профессора Туринского университета Пьетро Фре проводила представительные круглые столы, собирая для дискуссий лучших физиков южной и северной стран мечтателей и ученых.

Накануне 2013 года в Объединенном институте ядерных исследований собрались лучшие «чистые» математики уже четырех сторон – Франции, Италии, России и Объединенного института ядерных иследований – чтобы научиться говорить на одном языке с лучшими представителями мира математической физики и обменяться перспективными идеями адекватного описания нашего реального мира языком математических уравнений.

Когорту корифеев ученого собрания образовали академики РАН Андрей Славнов (МИАН им. Стеклова), Людвиг Фаддеев (МИАН им. Стеклова, СПб), Алексей Старобинский (ИТФ им. Ландау), член-корреспондент РАН Александр Белавин (ИТФ им. Ландау), профессора Борис Дубровин (SISSA, Триест, Италия), Владимир Казаков (ENS, Париж, Франция).

Как видно из этого списка, круглый стол в Дубне привлек интерес наших маститых соотечественников, осевших в лучших университетах мира. В числе их имен стоит назвать и профессора Болонского университета Александра Каменщика, специалиста по космологии и гравитации – предложенная им модель объясняет, почему наша Вселенная расширяется с ускорением.

Алексей Старобинский (один из авторов теории инфляции Вселенной, объяснившей многие загадки макромира) рассказал о возможных пространственных топологиях Вселенной, реализующихся в разных сценариях эволюции расширяющейся после Большого взрыва Вселенной

Молодых звезд математики и матфизики в беседе на 60 участников представляли Георгий Шарыгин (МГУ, ИТЭФ), Александр Буфетов (CNRS, Марсель, Франция), Лука Маркезе (Университет Париж XIII, Франция), Пьетро Грасси (Университет Восточного Пьемонта, Италия), Дарио Мартелли (King’s College, Лондон, Великобритания), Алессандро Томазиелло (Университет Милан-Бикокка, Италия).

Доклады участников круглого стола касались новых математических методов и подходов к описанию структуры макромира (Вселенной, черных дыр) и микромира (элементарных частиц). То есть обсуждавшиеся математические модели были связаны с их приложениями в космологии и астрофизике, в квантовой хромодинамике, в теории супергравитации и теории суперструн.

Например, Алексей Старобинский (один из авторов теории инфляции Вселенной, объяснившей многие загадки макромира) рассказал о возможных пространственных топологиях Вселенной, реализующихся в разных сценариях эволюции расширяющейся после Большого взрыва Вселенной. Мы уже привыкли представлять себе бесконечное пространство, где живем, в виде внутренности сферы. А оказывается, что Вселенная могла бы быть тором (бубликом) или пространством, образованным двумя непересекающимися сферами, вложенными друг в друга.

говорили о загадочных полях Янга-Миллса, которые описывают элементарные частицы глюоны, склеивающие кварки внутри ядер и не дающие им оттуда вырваться; о геометрии суперсимметричных решений в десятимерном пространстве, о теории чисел.

А еще говорили о загадочных полях Янга-Миллса, которые описывают элементарные частицы глюоны, склеивающие кварки внутри ядер и не дающие им оттуда вырваться. Говорили о геометрии суперсимметричных решений в десятимерном пространстве, о теории чисел.

Все это звучит очень красиво и очень-очень сложно. Высшая степень абстрагирования от реальности, чтобы (парадокс!) ее правильно и адекватно описать, и объединила чистых математиков с физиками-теоретиками в желании сократить языковую дистанцию между ними. Если бы они легче понимали друг друга, сформировали общую понятийную культуру, это могло бы помочь более глубокому осмыслению теории суперструн – чрезвычайно сложного инструмента, созданного на переднем крае нашего понимания для описания и предсказания свойств микро- и макромира. Именно это и было главной целью круглого стола!

В кулуарах круглого стола наши соотечественники из-за рубежа обсуждали, помимо чистой математики, и вопросы организации современной российской науки. Хвалили программу мегагрантов. Частично. В том смысле, что лаборатории даже провинциальных университетов уже удалось оснастить современным оборудованием. Проблема, однако, остается в том, что из-за низких зарплат, не позволяющих толковой молодежи обзавестись достойным жильем, работает на этом прекрасном оборудовании все то же поредевшее поколение ученых от пятидесяти и выше.

Как защитить информацию с помощью квантовых технологий

Tue, 01 Jan 2013 19:41:37 +0400

Алексей Акимов - руководитель группы Квантовые симуляторы и интегрированная фотоника «Российского квантового центра». Перед вами - краткое содержание его беседы с Дмитрием Ицковичем, Борисом Долгиным и Анатолием Кузичевым, состоявшейся в рамках программы «Наука 2.0» (совместного проекта портала «Полит.ру» и «Вести.FM»).

«Российский квантовый центр» - первое международное исследовательское учреждение нового типа в России. В него приглашаются не только российские, но и зарубежные учёные. Центр организован по принципам, принятым в лучших исследовательских лабораториях за рубежом, и будет заниматься как фундаментальными исследованиями, так и прикладными.

«Российский квантовый центр» – резидент фонда «Сколково», и получает грантовое финансирование от фонда. Помимо этого, квантовому центру очень важно собрать “эндаумент” - фонд частного капитала, состоящего из пожертвований бизнесменов и компаний. Это принципиальный вопрос, потому что для долгосрочных позиций (а исследования имеют тенденцию быть долгосрочными) нужна гарантия финансирования на больший срок, который невозможно обеспечить за счет грантов.

Исследования будут проводиться небольшими группами, возглавляемыми лидером. Состав группы - около 10 человек. Лидер группы определяет направление исследования этого центра, он получает хорошую зарплату и решает, на что расходовать выделяемые на науку деньги. Все лидеры групп находятся на одном уровне, нет вертикальной жёсткой структуры, часто принятой в России.

Выбор групп лидеров осуществляется на основании внешней экспертизы международным консультативным советом. Это лидеры в области квантовых технологий, которые с помощью своего опыта, по результатам открытого конкурса, выбирают тех людей, которые, с их точки зрения, наиболее перспективны для работы в России. В наш Международный консультативный совет Российского квантового центра входят в том числе лауреат Нобелевской премии по физике Вольфганг Кеттерле, профессора физики Гарвардского университета Михаил Лукин, Евгений Демлер и Джон Дойл, профессор физики и кибернетики Калифорнийского технологического института Алексей Китаев, профессор университета Пердью Влад Шалаев и другие.

При подборе лидеров групп акцент делается на молодых людей, находящихся еще в самом начале своей карьеры. У каждой группы будет свой прицел. Очерчены общие рамки исследования: квантовые информационные технологии, попытка использования свойств одиночных частиц - одиночных атомов, или одиночных электронов или фотонов - для более эффективной обработки информации.

Уже сегодня в рамках исследований квантовой обработки информации возникло много неожиданных, сторонних направлений, одно из которых - магнитометрия.

Магнитометрия - хорошо разработанная область. Магнитные поля всегда измеряли и будут измерять - во многих областях нашей жизни, они находят применение везде, от простого компаса до сложных приборов, осуществляющих томографию головного мозга. Есть много способов томографии головного мозга, но, исследуя частицы, которые интересны с точки зрения квантовой информации, можно, по-другому посмотрев на них, использовать её для того, чтобы измерять магнитные поля внутри клетки и на уровне одиночных молекул.

Ещё четыре года назад это казалось абсолютно нереальным, но сегодня люди пытаются измерять внутриклеточные магнитные поля, чтобы на совершенно новом уровне понять, как работает клетка. Сейчас мы понимаем это на уровне органоидов клетки, а сможем понимать - на уровне отдельных молекул, на молекулярном уровне. Сходным методом можно исследовать и работу головного мозга, чтобы понять, как он работает.

Как работает флешка

Квантовая оптика и квантовые технологии - это область физики, в которой необычные явления квантовой механики люди пытаются использовать для того, чтобы создать какие-то полезные устройства.

Самый древний пример, который появился на свет до того, как появилось слово «квантовая технология», - это флеш-память, устройство, в котором в транзисторе используется эффект туннелирования для записи информации. Туннелирование иначе называется "подбарьерное прохождение". Это свойство частицы проникать через стенку. Например, если у нас есть стенка, и нам надо перенести через нее кирпич, то мы просто поднимаем и переносим его. В жизни элементарных частиц всё, как в фильме «Матрица» - частицы умеют проходить сквозь стенку.

Флешку изобрела корпорация «Toshiba» в 1984 году. Это была первая ласточка. Устройства, микросхемы, которые способны к записи, существовали и до того. Но они были очень сложные, и без специальных программаторов не работали. Использовались очень высокие напряжения, ультрафиолетовый свет, использовалась идея перенести частицу через барьер, через верх.

Элемент флешки – это ключ, у которого есть дополнительный затвор, кусочек металла, который ни к чему не подключён, он висит в воздухе, но вставлен внутрь транзистора. При приложении небольшого напряжения можно на этот затвор занести электроны, создать заряд. При этом свойство транзистора, его проводимость, изменится. Он выключится и включится, просто из-за того, что заряд окажется на затворе.

Заряд может лежать очень долгое время, если не прикладывать никакого напряжения, а с помощью эффекта туннелирования при достаточно небольших напряжениях его можно вставить, считать или передать информацию. Получается устройство, которое достаточно легко использовать, нужно буквально пять вольт. Но для того, чтобы подбарьерное прохождение работало, нужны очень маленькие размеры барьера. В рамках современной технологии чем тоньше стенка, тем лучше, поэтому именно флеш-память оказывается первой в повышении разрешения микросхем. Это большая индустриальная выгода.

ЧМ по футболу в ЮАР и квантовые технологии.

Новые технологии иногда появляется в самых неожиданных местах. В ЮАР использовался канал квантовых линий связи, который был разработан местным университетом для наиболее важных данных, передаваемых с чемпионата. Организаторы не хотели, чтобы кто-то подслушивал, о чем говорят между собой судьи и различные люди, принимающие решения.
Был использован защищённый канал, основанный на квантовых технологиях. Эксперимент удался, канал работал. Правда не совсем ясно, насколько важна подобная информация, и стоит ли ее защищать таким образом.

Квантовые линии связи

В основном интерес к таким линиям связи проявляют банки или индустриальные компании, где важно предотвратить кражу информации и защитить ее. Как только кто-то пытается проникнуть, вы мгновенно об этом узнаёте. Но сегодня квантовые линии связи - хоть и уже коммерчески доступная, но лишь зачаточная технология. Сегодня они медленные и работают на коротких расстояниях.

В будущем применения квантовых технологий за пределами вычислительных машин будут существенно шире. Еще одна важная вещь, связанная с так называемыми квантовыеми симуляторами – устройствами, позволяющими моделировать сложные материалы, существующие в реальном мире, с помощью достаточно хорошо контролируемых масштабных квантовых систем. Обычно это холодные атомы просто в оптической решётке. Оказывается, что холодные атомы в оптической решётке похожи на электроны в твёрдом теле. Смысл в том, что вы можете крутить все ручки, используя модельную систему. Можно контролировать все потенциалы, все взаимодействия и смотреть за каждым атомом, который моделирует электрон, - получив тем самым максимально полное понимание о свойствах моделируемого материала и создавая новые материалы с заранее известными свойтвами .

Можно провести простую аналогию: настоящая модель нужна для при строительстве самолета: прежде чем строить огромную машину, делают ее уменьшенную модель и проверяют ее в аэродинамической трубе. Так и новых материал может быть сначала смоделирован в симуляторе и лишь затем синтезирован. А если что-то пошло не так - вовремя исправить. При этом можно спроектировать такую модель, аналога которой еще не было.

Медленный свет

Медленный свет – это импульсы света, распространяющиеся в среде с очень низкой по сравнению со световой скоростью – иногда даже со скоростью пешехода или вообще нулевой.

В любой среде, например в стекле или в воде, свет распространяется медленнее, чем в вакууме. С этим явлением связано преломление света. Если запустить импульс света в среду и что-то ещё дополнительно со средой сделать в духе квантовых технологий, то свет может распространяться ещё значительно медленнее, чем в стекле. Люди пытаются на этом делать линии задержки, что достаточно важно на практике.

Выяснилось, что для линии задержки часто оказываются интересны не те системы, которые впоследствии привели к каким-то прорывам в квантовой информатике, а потери.

Нужны системы, в которых задержка будет не такой большой, но зато существенно меньше потерь. Возможна система, в которой вы можете остановить импульс, чтобы он шёл со скоростью пешехода, но он при этом будет поглощаться средой быстрее, чем успевает по этой среде продвигаться. Впрочем, разработка квантовых технологий в линиях задержки - пока в стадии становления.