Physik komplexer Systeme
Zu diesem Wissenschaftsbereich bezog sich das Nobelpreiskomitee auf praktisch unzusammenhängende
„Wir stehen am Rande eines Abgrunds“, sagte kürzlichUN-Generalsekretär António Guterres. - Die Durchschnittstemperatur ist bereits 1,2 °C über der der vorindustriellen Zeit gestiegen. Dies liegt sehr nahe am kritischen Wert von 1,5 °C. Dieses Jahr wird entscheidend sein. Wenn wir [bei der Klimakontrolle und dem Übergang zu grünen Technologien] versagen, sind wir in großer Gefahr.“
In naher Zukunft können wir mit einem Anstieg der Mengen rechnenForschungsarbeiten auf dem Gebiet der Physik komplexer Systeme und der Klimaphysik. Die wichtigsten Entdeckungen in diesem Bereich wurden vor Jahrzehnten gemacht. Shukuro Manabe beispielsweise erstellte in den 60er Jahren ein Toolkit zur Modellierung des Klimasystems, zehn Jahre später verband Klaus Hasselman Wetter und Klima. Mit ihnen könnte der Preis von dem sowjetischen Physiker Andrei Monin geteilt werden, einem der Begründer der geophysikalischen Hydrodynamik, die der Forschung auf der ganzen Welt den Weg ebnete.
In Russland gibt es nur wenige Wissenschaftler, diebeschäftigen sich damit, komplexe Systeme klimatisch zu modellieren und gleichzeitig auf internationaler Ebene Anerkennung zu finden. Zum Beispiel die Arbeit von Evgeny Volodin vom Institute of Computational Mathematics. Marchuk RAS wurde vor einigen Jahren Teil des größeren IPCC-Modells (Zwischenstaatlicher Ausschuss für Klimaänderungen). In der wissenschaftlichen Gemeinschaft herrscht die Meinung, dass die russische Forschung inzwischen weit hinter den westlichen Studien zurückbleibt und es im Land einfach keine Spezialisten auf dem Niveau der Nobelpreisträger gibt. Die Gründe sind Unterfinanzierung und der Rückgang der Expertise.
Es gibt keine separate globale Institution in Russland,der sich mit der Physik komplexer Systeme beschäftigt. Aber es gibt regionale Initiativen – zum Beispiel das 2009 eröffnete Bildungs- und Wissenschaftszentrum „Physik komplexer Systeme“ in Kasan. Der Masterstudiengang wird nach dem Prinzip des Erfahrungsaustausches mit dem Institut für Probleme der Mechanik und modernen Werkstoffkunde ISMANS (Frankreich) durchgeführt.
Klimamodelle sind nur eines vonpraktischen Sphären, die die Früchte der Entdeckungen auf dem Gebiet der Physik komplexer Systeme erntet. So erhielt der dritte Nobelpreisträger Giorgio Parisi eine Auszeichnung für die Entdeckung mathematischer Gesetze, die in komplexen (chaotischen) Materialien auftreten und die es Wissenschaftlern ermöglichten, viele verschiedene Phänomene zu beschreiben - nicht nur in der Physik, sondern auch in Mathematik, Biologie, Neurowissenschaften, und maschinelles Lernen. Darüber hinaus war seine Arbeit sehr hilfreich bei der Entwicklung eines Quantencomputers.
Quantenphysik
Ein Quantencomputer ist einer der leistungsstärkstenangewandten Leistungen. Nach den optimistischsten Schätzungen werden sie in einigen Jahren in Russland erscheinen, und bisher gibt es nur Prototypen verschiedener Arten von Quantenprozessoren. Dazu gehört das erste einzigartige Fünf-Qubit-Schema für Quantencomputing, das im MIPT-Labor entwickelt wurde.
Auch eine 20-Ionen-Plattform erschien 2021,ein alternativer Ansatz zur Entwicklung eines Quantencomputers, "National Quantum Laboratory". Für Russland sind beide Ereignisse ein großer Durchbruch, aber dennoch eine deutliche Verzögerung in der Welt, wo bereits ein vollwertiger Quantencomputer mit 27 Qubits und eine 5000-Qubit-D-Wave-Maschine für begrenzte Berechnungen arbeitet.
"Laut Gartner-Prognosen werden Quanten für die Mehrheit bereits 2023 Realität sein und nicht wie bisher angenommen erst in 20 Jahren", stellt man festElena Zislin, Vice President, JPMorgan Chase's Technology Business Development.— In zwei Jahren werden bereits 20 % der Unternehmen weltweitZum Vergleich: Heute sind es nur noch 1%.".
Experimente zum Bau von Quantencomputern inRussland verlangt viel Geld. Bestimmte Forschungsbereiche werden jedoch oft von mehreren Instituten durchgeführt. Als Teil internationaler Gruppen waren russische Wissenschaftler an mehreren wichtigen Entdeckungen beteiligt. Zum Beispiel erfand eine Skoltech-Forschungsgruppe mit IBM Quantenschalter, eine Technologie, die den Energieverbrauch eines Quantencomputers drastisch reduziert. Theoretisch kann dadurch der Einsatz teurer Kühlsysteme vermieden werden, die den Betrieb des Geräts stark erschweren.
Ein anderer hat ungefähr die gleiche praktische Bedeutung.Entdeckungen - Mitarbeiter des Russischen Quantenzentrums mit Kollegen der Moskauer Staatsuniversität und der Kasaner Föderalen Universität. Zum ersten Mal in der Geschichte erhielten sie Quantenphänomene der Supraleitung und Suprafluidität bei Raumtemperatur. Davon träumen seit Jahrzehnten Forscher auf der ganzen Welt.
Es gibt auch viele Entdeckungen indie Zusammensetzungen internationaler Gruppen. Zum Beispiel Wissenschaftler des Instituts für Festkörperphysik. Osipyan und Skoltech schlugen zusammen mit Kollegen aus Princeton (USA) und dem Walter Schottky Institute (Deutschland) eine originelle Methode zum Nachweis komplexer Quantenzustände vor - Majorana-Moden. Wissenschaftler versuchen seit langem, diese Teilchen nachzuweisen, aber es ist äußerst schwierig: Sie haben keine Ladung und keinen Spin. Der potenzielle Nutzen der Entdeckung liegt in der Nutzung einzigartiger Eigenschaften bei der Entwicklung eines Quantencomputers einer neuen Generation (die Rechengeschwindigkeit ist höher, der Einfluss von Umwelteinflüssen geringer).
Im Oktober 2021 eröffnete das MIPT eine Forschungseinheit, in der der wissenschaftliche BetreuerAndre Geim ist ein berühmter Physiker und Absolvent des Moskauer Instituts für Physik und Technologie, der zusammen mit Konstantin Novoselov den Nobelpreis für die Entdeckung von Graphen erhielt.Das Labor wird sich mit Mesophysik beschäftigen, d.h. mit der Manifestation quantenmechanischer Phänomene auf makroskopischen Skalen.Entdeckungen auf diesem Gebiet können für die Entwicklung der Mikroelektronik von großer praktischer Bedeutung sein.
Physik der Materialien
Beteiligung an russischen wissenschaftlichen ProjektenNobelpreisträger ist ein wichtiger strategischer Schritt, um einen Anziehungspunkt für den wissenschaftlichen Nachwuchs zu schaffen, in dem sich das intellektuelle Potenzial des Landes konzentriert. Dies ist, was MIPT jetzt tut. Einer der meistzitierten Physiker unserer Zeit, Professor an der University of Manchester, der Nobelpreisträger Konstantin Novoselov leitete die Abteilung Phystech, die sich auf Experimente mit zweidimensionalen intelligenten Materialien konzentrierte. Dies ist ein sehr vielversprechender Bereich mit großem Wirkungspotenzial für die Mikroelektronik und Technologie. Es wird erwartet, dass solche Materialien als Grundlage für neuromorphe Computer verwendet werden können.
Auch in Russland im Bereich Nanomaterialien tätigKurtschatow-Institut. Kürzlich haben Physiker eine grundlegend neue Klasse dünner Materie synthetisiert - magnetische Submonolayer-Filme. Sie sind ein Atom dick, aber sehr entladen. Dies sind die dünnsten künstlichen Magnete, die jemals in einem Labor hergestellt wurden. Diese Entdeckung könnte mit einem Impuls für die Entwicklung der Spintronik verbunden sein (ein System, das Spin als Informationsträger im Quantencomputing verwendet). Bei der Forschungsarbeit arbeiteten Physiker des Kurchatov-Instituts mit dem Europäischen Zentrum für Synchrotronforschung zusammen, wo es eine einzigartige Beschleunigeranlage gibt, die es ermöglicht, die Eigenschaften von Nanomaterialien zu untersuchen. Damit sind wir ganz nah dran, über den Stand der Beschleunigerphysik in Russland zu sprechen.
Kern- und Beschleunigerphysik
Anfang 2021 startete Russland zweiMega-Anlagen: der weltweit leistungsstärkste Hochfluss-Forschungsneutronenreaktor PIK und der thermonukleare Reaktor T-15MD (auch bekannt als Tokamak). Mit ihrer Hilfe wollen russische Wissenschaftler Entdeckungen machen, die es ermöglichen, Technologien für die Zweikomponenten-Atomkraft zu entwickeln. Am Kurchatov-Institut werden sie auch als "naturähnlich" bezeichnet, dh in sich geschlossen und natürlich in den Ressourcenkreislauf der Umwelt eingebaut.
Auch Wissenschaftler des Kurchatov-Instituts arbeiten anSchaffung von Kernkraftwerken mit geringer Leistung auf Basis thermoelektrischer Materialien, die praktisch nicht gewartet werden müssen. Der Prototyp der Anlage, die man als kompakte Atombatterie bezeichnen kann, ist seit mehreren Jahrzehnten in Betrieb. Vielleicht sind es russische Physiker, die den Weg für die Entwicklung von Technologien ebnen, die das menschliche Leben auf anderen Planeten sichern können.
Trotz der Präsenz mehrerer Installationen im LandWeltklasse, neue Beschleuniger und Reaktoren werden seltener gebaut, als das sowjetische Erbe versagt. Das ist ein ernstes Problem – schließlich entstehen die meisten Entdeckungen in der Teilchen- und Kernphysik bei Experimenten an solchen Anlagen.
„In den letzten 30 Jahren ist ein Trend zuReduzierung des Arbeitsanteils in Forschungszentren der Russischen Föderation. Dies ist auf das Fehlen einer modernen experimentellen Basis im Land zurückzuführen. Vor dem Hintergrund des allgemein, würde ich sagen, depressiven Zustands der Grundlagenforschung im Land hat sich der Aufbau großer wissenschaftlicher Beschleunigeranlagen verlangsamt. Dies hat dazu geführt, dass die Entwicklung heimischer Beschleunigertechnologien in einigen wichtigen Bereichen wie der Nuklearmedizin, den Materialwissenschaften, der Halbleiterindustrie, die mittlerweile von ausländischen Zulieferern abhängig sind, deutlich verzögert ist", so der Wissenschaftler Boris Sharkov sagte kürzlich auf einer Sitzung der Russischen Akademie der Wissenschaften.
Die positive Seite der Situation ist, dass das Niveaudie experimentelle Basis kann erhöht werden, und zwar in den kommenden Jahren. Im Jahr 2022 wird der NICA-Collider in Dubna fertiggestellt und gestartet. In Sarov entsteht das Nationale Zentrum für Physik und Mathematik, wo ein weiterer Collider, die Super c-tau Factory, erscheinen wird. Vielleicht untersuchen russische Wissenschaftler mit ihrer Hilfe Prozesse und Phänomene, die über das "Standardmodell" hinausgehen. Aber sie können ihnen voraus sein: In der Welt werden täglich Experimente an Beschleunigeranlagen durchgeführt, und Wissenschaftler sind ganz nah dran an Entdeckungen, die den Grundstein für die „neue Physik“ legen werden.
In der Zwischenzeit müssen russische theoretische PhysikerCERN buchstäblich zu überreden, Experimente durchzuführen. Dazu müssen Sie sie vom potenziellen Nutzen der Entdeckung überzeugen. Dies gelingt nun Dmitry Karlovets, der mathematisch die Erhaltung des ungewöhnlichen Zustands der "Verdrehung" und der Eigenschaften der Welle in Teilchen bei hohen Geschwindigkeiten bewies. Bisher untersuchten Forscher diese Quanteneigenschaften nur bei moderaten Energien. Ob sich hier ein praktischer Nutzen ergibt, ist eine große Frage, aber nicht alle bahnbrechenden Experimente in der Geschichte der Physik haben es sich zum Ziel gesetzt. Erkenntnis war schon immer das Wichtigste.
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