حاسوبنا الكمومي والطاقة النووية والمصادم: ما الاختراقات المتوقعة في الفيزياء الروسية

فيزياء الأنظمة المعقدة

إلى هذا المجال من العلوم ، أشارت لجنة نوبل إلى غير ذي صلة تقريبا

بحث أجراه ثلاثة فائزين حاليين (حول تغير المناخ وسلوك الفوضى).التحديات الحديثة تعطي فيزياء النظم المعقدة معنى عمليا ووثيق الصلة للغاية.

"نحن على حافة الهاوية" ، قالها مؤخرًاالأمين العام للأمم المتحدة أنطونيو غوتيريش. - لقد ارتفع متوسط ​​درجة الحرارة بالفعل بمقدار 1.2 درجة مئوية عما كان عليه في عصر ما قبل الصناعة. هذا قريب جدًا من القراءة الحرجة لـ 1.5 درجة مئوية. هذا العام سيكون حاسما. إذا فشلنا [في التحكم في المناخ والتحول إلى التقنيات الخضراء] ، فسنكون في خطر كبير ".

في المستقبل القريب ، يمكننا أن نتوقع زيادة في الأحجامالعمل البحثي في ​​مجال فيزياء النظم المعقدة وفيزياء المناخ. تم الاكتشافات الرئيسية في هذا المجال منذ عقود. على سبيل المثال ، في الستينيات ، أنشأ Shukuro Manabe مجموعة أدوات لنمذجة النظام المناخي ، وبعد عشر سنوات ، ربط كلاوس هاسلمان الطقس والمناخ. يمكن تقاسم الجائزة معهم من قبل الفيزيائي السوفيتي أندريه مونين ، أحد مؤسسي الديناميكا المائية الجيوفيزيائية ، التي مهدت الطريق للبحث في جميع أنحاء العالم.

الآن في روسيا هناك عدد قليل من العلماء الذينتشارك في نمذجة النظم المعقدة من حيث المناخ وفي نفس الوقت الحصول على اعتراف دولي. على سبيل المثال ، عمل Evgeny Volodin من معهد الرياضيات الحسابية. أصبح Marchuk RAS جزءًا من نموذج IPCC (الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ) منذ عدة سنوات. في المجتمع العلمي ، هناك رأي مفاده أن الأبحاث الروسية الآن متخلفة كثيرًا عن الأعمال الغربية ، ولا يوجد ببساطة متخصصين على مستوى الحائزين على جائزة نوبل في البلاد. الأسباب هي نقص التمويل وتدهور الخبرة.

لا توجد مؤسسة عالمية منفصلة في روسيا ،الذي يتعامل مع فيزياء الأنظمة المعقدة. ولكن هناك مبادرات إقليمية - على سبيل المثال ، المركز التعليمي والعلمي "فيزياء الأنظمة المعقدة" ، الذي افتتح في عام 2009 في قازان. يتم تنفيذ برنامج الماجستير وفقًا لمبدأ تبادل الخبرات مع معهد مشاكل الميكانيكا وعلوم المواد الحديثة ISMANS (فرنسا).

نماذج المناخ ليست سوى واحدة منالمجالات العملية التي تجني ثمار الاكتشافات في مجال فيزياء الأنظمة المعقدة. لذلك ، حصل جورجيو باريزي الحائز على جائزة نوبل الثالثة على جائزة لاكتشاف الأنماط الرياضية التي تنشأ في المواد المعقدة (الفوضوية) ، والتي سمحت للعلماء بوصف العديد من الظواهر المختلفة - ليس فقط في الفيزياء ، ولكن أيضًا في الرياضيات ، وعلم الأحياء ، وعلم الأعصاب ، والتعلم الآلي. بالإضافة إلى ذلك ، كان عمله مفيدًا جدًا في إنشاء كمبيوتر كمي.

فيزياء الكم

يعد الكمبيوتر الكمومي من أقوى أجهزة الكمبيوترالإنجازات التطبيقية. وفقًا لأكثر التقديرات تفاؤلاً ، ستظهر في روسيا في غضون سنوات قليلة ، وحتى الآن لا يوجد سوى نماذج أولية لأنواع مختلفة من المعالجات الكمومية. وتشمل هذه أول مخطط فريد من خمسة كيوبت للحوسبة الكمومية ، تم إنشاؤه في مختبر MIPT.

ظهرت منصة 20-ion أيضًا في عام 2021 ،نهج بديل لبناء الكمبيوتر الكمي ، مختبر الكم الوطني. بالنسبة لروسيا ، يعد كلا الحدثين إنجازًا كبيرًا ، ولكن مع ذلك ، يعد هذا تأخيرًا كبيرًا في العالم ، حيث يوجد بالفعل جهاز كمبيوتر كمي كامل مع 27 كيوبت وآلة D-Wave سعة 5000 كيلوبت للحوسبة المحدودة.

"وفقا لتوقعات Gartner ، ستصبح الكميات حقيقة واقعة بالنسبة للغالبية في وقت مبكر من عام 2023 ، وليس في غضون 20 عاما ، كما كان يعتقد سابقا" ، يلاحظإيلينا زيسلين ، نائب الرئيس ، تطوير الأعمال التكنولوجية في JPMorgan Chase.- في غضون عامين ، ستكون 20٪ من شركات العالم بالفعلوعلى سبيل المقارنة، تبلغ النسبة اليوم 1٪ فقط"..

تجارب لبناء حواسيب كمومية فيروسيا تطالب بالكثير من المال. لكن غالبًا ما يتم تنفيذ مجالات بحثية معينة من قبل عدة معاهد. كجزء من الفرق الدولية ، كان للعلماء الروس يد في العديد من الاكتشافات المهمة. على سبيل المثال ، اخترعت مجموعة بحثية تابعة لشركة Skoltech مع شركة IBM المفاتيح الكمومية ، وهي تقنية تضاعف استهلاك الطاقة للكمبيوتر الكمومي. من الناحية النظرية ، سيسمح هذا بتجنب استخدام أنظمة التبريد باهظة الثمن ، مما يعقد بشكل كبير تشغيل الجهاز.

شخص آخر له نفس المعنى العملي.الاكتشافات - موظفو مركز الكم الروسي مع زملائهم من جامعة موسكو الحكومية وجامعة كازان الفيدرالية. لأول مرة في التاريخ ، حصلوا على ظواهر كمية للموصلية الفائقة والميوعة الفائقة في درجة حرارة الغرفة. كان هذا حلم الباحثين في جميع أنحاء العالم منذ عقود.

هناك أيضًا العديد من الاكتشافات التي تم إجراؤها فيمؤلفات المجموعات الدولية. على سبيل المثال ، علماء من معهد فيزياء الحالة الصلبة. اقترح Osipyan و Skoltech ، جنبًا إلى جنب مع زملائهم من Princeton (الولايات المتحدة الأمريكية) ومعهد Walter Schottky (ألمانيا) ، طريقة أصلية للكشف عن الحالات الكمومية المعقدة - أوضاع ماجورانا. يحاول العلماء اكتشاف هذه الجسيمات لفترة طويلة ، لكن الأمر صعب للغاية: ليس لديهم شحنة ولا تدور. تكمن الفائدة المحتملة للاكتشاف في استخدام الخصائص الفريدة عند إنشاء كمبيوتر كمي لجيل جديد (سرعة الحساب أعلى ، وتأثير التداخل البيئي أقل).

في أكتوبر 2021 ، افتتحت MIPT وحدة بحثية حيث سيكون المشرف العلميأندريه جيم هو فيزيائي مشهور وخريج معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا ، وحصل على جائزة نوبل لاكتشاف الجرافين مع كونستانتين نوفوسيلوف.سيتعامل المختبر مع الفيزياء المتوسطة ، أو مظهر الظواهر الميكانيكية الكمومية على المقاييس العيانية.يمكن أن تكون الاكتشافات في هذا المجال ذات أهمية عملية كبيرة لتطوير الإلكترونيات الدقيقة.

فيزياء المواد

المشاركة في المشاريع العلمية الروسيةيعتبر الحائزون على جائزة نوبل خطوة إستراتيجية مهمة نحو إنشاء مركز جذب للعلماء الشباب ، حيث ستتركز الإمكانات الفكرية للبلد. هذا ما تفعله MIPT الآن. كان كونستانتين نوفوسيلوف أحد علماء الفيزياء الأكثر استشهدًا في عصرنا ، وهو أستاذ في جامعة مانشستر ، ترأس قسم Phystech ، وركز على التجارب باستخدام المواد الذكية ثنائية الأبعاد. هذا مجال واعد للغاية وله تأثير كبير محتمل على الإلكترونيات الدقيقة والتكنولوجيا. من المتوقع أن هذه المواد يمكن استخدامها كأساس لأجهزة الكمبيوتر العصبية.

تعمل أيضًا في مجال المواد النانوية في روسيامعهد كورتشاتوف. لقد صنع الفيزيائيون مؤخرًا فئة جديدة أساسًا من المادة الرقيقة - الأغشية المغناطيسية ذات الطبقة الفرعية. إنها ذرة واحدة سميكة ، لكنها مفرغة جدا. هذه هي أنحف مغناطيس اصطناعي تم إنشاؤه في المختبر. قد يترافق هذا الاكتشاف مع قوة دافعة في تطوير الإلكترونيات السينية (نظام يستخدم السبين كحامل للمعلومات في الحوسبة الكمومية). في سياق عملهم البحثي ، تعاون علماء الفيزياء في معهد كورشاتوف مع المركز الأوروبي لأبحاث السنكروترون ، حيث يوجد مرفق معجل فريد يجعل من الممكن دراسة خصائص المواد النانوية. هذا يجعلنا قريبين جدًا من الحديث عن حالة فيزياء المسرعات في روسيا.

الفيزياء النووية والمسرعات

في بداية عام 2021 ، أطلقت روسيا اثنينالنباتات العملاقة: أقوى مفاعل نيوتروني للأبحاث عالي التدفق في العالم PIK والمفاعل النووي الحراري T-15MD (المعروف أيضًا باسم Tokamak). بمساعدتها ، يريد العلماء الروس إجراء اكتشافات تجعل من الممكن إنشاء تقنيات للطاقة النووية المكونة من عنصرين. في معهد كورتشاتوف ، يطلق عليهم أيضًا اسم "شبيهة بالطبيعة" ، أي مغلقين على أنفسهم ومدمجين بشكل طبيعي في تداول موارد البيئة.

أيضًا ، يعمل علماء من معهد كورتشاتوفإنشاء محطات طاقة نووية منخفضة الطاقة تعتمد على المواد الكهروحرارية ، والتي لا تحتاج عمليًا إلى الصيانة. النموذج الأولي للمنشأة ، والذي يمكن أن يسمى بطارية ذرية مدمجة ، كان قيد التشغيل منذ عدة عقود. ربما يكون الفيزيائيون الروس هم من يمهدون الطريق لإنشاء تقنيات يمكنها ضمان حياة الإنسان على الكواكب الأخرى.

على الرغم من وجود عدة منشآت في البلاديتم بناء مسرعات ومفاعلات جديدة ذات مستوى عالمي أقل تكرارًا مما فشل الإرث السوفيتي. هذه مشكلة خطيرة - فمعظم الاكتشافات في فيزياء الجسيمات والفيزياء النووية تحدث أثناء التجارب في مثل هذه المنشآت.

"على مدار الثلاثين عامًا الماضية ، كان هناك اتجاه نحوتخفيض حصة العمل المنجز في مراكز البحوث في الاتحاد الروسي. ويرجع ذلك إلى عدم وجود قاعدة تجريبية حديثة في الدولة. على خلفية الحالة العامة ، أود أن أقول ، الحالة الاكتئابية للعلوم الأساسية في البلاد ، تباطأ إنشاء منشآت المسرعات العلمية الكبيرة. أدى ذلك إلى حقيقة أنه كان هناك تأخر كبير في تطوير تقنيات المعجل المحلية في عدد من المجالات المهمة ، مثل الطب النووي وعلوم المواد وصناعة أشباه الموصلات ، والتي تعتمد الآن على الموردين الأجانب ، "الأكاديمي بوريس شاركوف قال في اجتماع عقد مؤخرا لأكاديمية العلوم الروسية.

الجانب الإيجابي للوضع هو أن المستوىيمكن رفع القاعدة التجريبية ، وفي السنوات القادمة. في عام 2022 ، سيتم الانتهاء من مصادم NICA وإطلاقه في دوبنا. يتم إنشاء المركز الوطني للفيزياء والرياضيات في ساروف ، حيث سيظهر مصادم آخر ، Super c-tau Factory. ربما بمساعدة العلماء الروس يدرسون العمليات والظواهر التي تتجاوز "النموذج القياسي". لكن يمكنهم أن يتفوقوا عليهم: في العالم ، تُجرى التجارب يوميًا في منشآت المعجل ، والعلماء قريبون جدًا من الاكتشافات التي ستضع الأساس لـ "الفيزياء الجديدة".

في غضون ذلك ، يتعين على علماء الفيزياء النظرية الروس القيام بذلكإقناع المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN) حرفياً بإجراء التجارب. للقيام بذلك ، تحتاج إلى إقناعهم بالفائدة المحتملة للاكتشاف. الآن تحقق ذلك بواسطة ديمتري كارلوفيتس ، الذي أثبت رياضيًا الحفاظ على حالة غير عادية من "الالتواء" وخصائص الموجة في الجسيمات بسرعات عالية. في السابق ، درس الباحثون فقط هذه الخصائص الكمومية عند طاقات معتدلة. ما إذا كان هناك أي فائدة عملية هنا هو سؤال كبير ، ولكن ليس كل التجارب الخارقة في تاريخ الفيزياء حددتها كهدف لها. لطالما كان الإدراك هو الشيء الرئيسي.

قراءة المزيد

التقط هابل صورة لنفس المجرة النشطة بفارق 20 سنة

أخبر علماء الفلك أين وكيف يتشكل الذهب والبلاتين في الكون

استمع إلى أصوات المريخ التي سجلتها مهمة المثابرة