המחשב הקוונטי, הכוח הגרעיני והמתנגש שלנו: לאילו פריצות דרך לצפות בפיזיקה הרוסית

פיזיקה של מערכות מורכבות

ועדת נובל כללה בתחום זה של מדע כמעט ללא קשר

מייצג את המחקר של שלושה זוכי פרס נוכחיים (על שינויי אקלים והתנהגות כאוס). אתגרים מודרניים הופכים את הפיזיקה של מערכות מורכבות לרלוונטיות ומעשיות ביותר.

"אנחנו על סף תהום", אמר לאחרונהמזכ"ל האו"ם אנטוניו גוטרס. - הטמפרטורה הממוצעת כבר עלתה ב-1.2 מעלות צלזיוס מעל זו של התקופה הטרום-תעשייתית. זה קרוב מאוד לקריאה הקריטית של 1.5 מעלות צלזיוס. השנה הזו תהיה מכרעת. אם ניכשל [בבקרת האקלים והמעבר לטכנולוגיות ירוקות], נהיה בסכנה גדולה".

בעתיד הקרוב, אנו יכולים לצפות לעלייה בהיקפיםעבודת מחקר בתחום הפיזיקה של מערכות מורכבות ופיזיקה של האקלים. התגליות העיקריות בתחום זה התגלו לפני עשרות שנים. לדוגמה, בשנות ה-60, Shukuro Manabe יצר ערכת כלים ליצירת מודלים של מערכת האקלים, עשר שנים מאוחר יותר, קלאוס האסלמן קישר בין מזג אוויר לאקלים. הפיזיקאי הסובייטי אנדריי מונין, ממייסדי ההידרודינמיקה הגיאופיזית, שסללה את הדרך למחקר ברחבי העולם, יכול היה לחלוק עמם את הפרס.

עכשיו ברוסיה יש מעט מדענים אשרעוסקים במודלים של מערכות מורכבות מבחינת אקלים ובמקביל זוכים להכרה ברמה הבינלאומית. לדוגמה, עבודתו של יבגני וולודין מהמכון למתמטיקה חישובית. Marchuk RAS הפך לחלק מהמודל הגדול יותר של IPCC (פאנל בין-ממשלתי לשינויי אקלים) לפני מספר שנים. בקהילה המדעית יש דעה שכעת המחקר הרוסי מפגר הרבה מאחורי יצירות מערביות, ופשוט אין מומחים ברמה של חתני פרס נובל במדינה. הסיבות הן חוסר מימון וירידה במומחיות.

אין מוסד גלובלי נפרד ברוסיה,העוסק בפיזיקה של מערכות מורכבות. אבל יש יוזמות אזוריות - למשל, המרכז החינוכי והמדעי "פיזיקה של מערכות מורכבות", שנפתח ב-2009 בקאזאן. תכנית המאסטר מיושמת על פי עקרון חילופי ניסיון עם המכון לבעיות מכניקה ומדעי החומרים המודרניים ISMANS (צרפת).

דגמי אקלים הם רק אחד מהםתחומים מעשיים, אשר קוצר את פירות הגילויים בתחום הפיזיקה של מערכות מורכבות. כך, זוכה פרס נובל השלישי ג'ורג'יו פריזי קיבל פרס על גילוי חוקים מתמטיים המתעוררים בחומרים מורכבים (כאוטיים), שאפשרו למדענים לתאר תופעות רבות ושונות - לא רק בפיזיקה, אלא גם במתמטיקה, ביולוגיה, מדעי המוח, ולמידת מכונה. בנוסף, עבודתו עזרה מאוד ביצירת מחשב קוונטי.

הפיזיקה הקוונטית

מחשב קוונטי הוא אחד החזקים ביותרהישגים יישומיים. לפי ההערכות האופטימיות ביותר, הם יופיעו ברוסיה בעוד כמה שנים, ועד כה יש רק אבות טיפוס של סוגים שונים של מעבדים קוונטיים. אלה כוללים את ערכת חמישה קיוביטים הייחודית הראשונה עבור מחשוב קוונטי, שנוצרה במעבדת MIPT.

פלטפורמת 20 יונים הופיעה גם בשנת 2021,גישה חלופית ליצירת מחשב קוונטי, "National Quantum Laboratory". עבור רוסיה, שני האירועים הם פריצת דרך גדולה, אבל בכל זאת מדובר בפיגור משמעותי בעולם, שבו כבר יש מחשב קוונטי מלא עם 27 קיוביטים ומכונת D-Wave של 5000 קיוביטים לחישובים מוגבלים עובד.

"לפי גרטנר, קוואנטים יהפכו למציאותעבור הרוב כבר ב-2023, ולא בעוד 20 שנה, כפי שחשבו בעבר", מציינת אלנה זיסלין, סגנית נשיא לפיתוח עסקי טכנולוגי של JPMorgan Chase. — בעוד שנתיים כבר יהיו ל-20% מהחברות בעולם פרויקטים בתחום המחשוב הקוונטי. לשם השוואה, היום זה רק 1%"..

ניסויים לבניית מחשבים קוונטייםרוסיה דורשת הרבה כסף. אבל תחומי מחקר מסוימים מבוצעים לרוב על ידי מספר מכונים. כחלק מקבוצות בינלאומיות, למדענים רוסים הייתה יד בכמה תגליות חשובות. לדוגמה, קבוצת מחקר של Skoltech עם IBM המציאה מתגים קוונטיים - טכנולוגיה שמפחיתה באופן דרמטי את צריכת האנרגיה של מחשב קוונטי. בתיאוריה הדבר יאפשר הימנעות משימוש במערכות קירור יקרות, אשר מסבכות מאוד את פעולת המכשיר.

לאחד אחר יש בערך אותה משמעות מעשית.תגליות - עובדי מרכז הקוונטים הרוסי עם עמיתים מאוניברסיטת מוסקבה ומהאוניברסיטה הפדרלית של קאזאן. לראשונה בהיסטוריה, הם השיגו תופעות קוונטיות של מוליכות-על ועל-נוזליות בטמפרטורת החדר. זה היה חלומם של חוקרים ברחבי העולם במשך עשרות שנים.

יש גם תגליות רבות שנעשו בהרכבים של קבוצות בינלאומיות. לדוגמה, מדענים מהמכון לפיזיקת מצב מוצק. Osipyan ו-Skoltech, יחד עם עמיתים מפרינסטון (ארה"ב) וממכון וולטר שוטקי (גרמניה), הציעו שיטה מקורית לזיהוי מצבים קוונטיים מורכבים - מצבי Majorana. מדענים ניסו לזהות את החלקיקים הללו במשך זמן רב, אבל זה קשה ביותר: אין להם מטען ואין להם ספין. היתרון הפוטנציאלי של הגילוי טמון בשימוש במאפיינים ייחודיים בעת יצירת מחשב קוונטי מדור חדש (מהירות החישוב גבוהה יותר, ההשפעה של הפרעות סביבתיות פחותה).

בית ספר מדעי חזק מתפתח היכן שישהֶמשֵׁכִיוּת. באוקטובר 2021 הופיעה יחידת מחקר ב-MIPT, שבה המנהל המדעי יהיה אנדריי גיים, פיזיקאי מפורסם ובוגר MIPT שקיבל את פרס נובל על גילוי הגרפן יחד עם קונסטנטין נובוסלוב. המעבדה תעסוק במזופיזיקה - או ביטוי של תופעות מכניות קוונטיות בסולמות מקרוסקופיים. תגליות בתחום זה יכולות להיות בעלות חשיבות מעשית רבה לפיתוח מיקרואלקטרוניקה.

פיזיקה של חומרים

מעורבות בפרויקטים מדעיים רוסייםחתני פרס נובל הם צעד אסטרטגי חשוב לקראת יצירת מרכז משיכה למדענים צעירים, שבו יתרכז הפוטנציאל האינטלקטואלי של המדינה. זה מה MIPT עושה עכשיו. אחד הפיזיקאים המצוטטים ביותר של זמננו, פרופסור באוניברסיטת מנצ'סטר, הנובליסט קונסטנטין נובוסלוב עמד בראש המחלקה לפיזטק, התמקד בניסויים בחומרים חכמים דו מימדיים. זהו אזור מבטיח מאוד עם אפקט פוטנציאלי גדול עבור מיקרואלקטרוניקה וטכנולוגיה. צפוי כי חומרים כאלה יכולים לשמש כבסיס למחשבים נוירומורפיים.

עוסק גם בננו-חומרים ברוסיהמכון קורצ'טוב. לאחרונה פיסיקאים סינתזו סוג חדש ביסודו של חומר דק - סרטים מגנטיים תת-חד-שכבתיים. הם בעובי אטום אחד, אבל מאוד פרוקים. אלו הם המגנטים המלאכותיים הדקים ביותר שנוצרו אי פעם במעבדה. גילוי זה עשוי להיות קשור לתנופה בפיתוח של ספינטרוניקה (מערכת המשתמשת בספין כנושא מידע במחשוב קוונטי). במהלך עבודת המחקר שלהם, פיסיקאים של מכון קורצ'טוב שיתפו פעולה עם המרכז האירופי לחקר סינכרוטרונים, שבו קיים מתקן מאיץ ייחודי המאפשר לחקור את תכונות הננו-חומר. זה מקרב אותנו מאוד לדבר על מצב פיזיקת המאיצים ברוסיה.

פיזיקת גרעין ומאיץ

בתחילת 2021, רוסיה השיקה שנייםמגה-צמחים: כור נויטרונים בשטף גבוה החזק בעולם PIK והכור התרמו-גרעיני T-15MD (הידוע גם בשם Tokamak). בעזרתה רוצים מדענים רוסים לחשוף תגליות שיאפשרו ליצור טכנולוגיות לכוח גרעיני דו-רכיבי. במכון קורצ'טוב הם נקראים גם "דמוי טבע", כלומר, סגורים על עצמם ומובנים באופן טבעי במחזור המשאבים של הסביבה.

כמו כן, מדענים ממכון Kurchatov עובדים עליצירת תחנות כוח גרעיניות בעלות הספק נמוך המבוססות על חומרים תרמו-אלקטריים, שלמעשה אין צורך לטפל בהם. אב הטיפוס של המתקן, שניתן לכנותו סוללה אטומית קומפקטית, פועל כבר כמה עשורים. אולי הפיזיקאים הרוסים הם אלה שסוללים את הדרך ליצירת טכנולוגיות שיכולות להבטיח חיי אדם על כוכבי לכת אחרים.

למרות נוכחותם של מספר מתקנים בארץמאיצים וכורים חדשים ברמה עולמית נבנים בתדירות נמוכה יותר מכפי שהמורשת הסובייטית נכשלת. זו בעיה רצינית - אחרי הכל, רוב התגליות בפיזיקה של חלקיקים ובפיזיקה גרעינית מתרחשות במהלך ניסויים במתקנים כאלה.

"במהלך 30 השנים האחרונות, הייתה מגמה לכיווןהפחתה בשיעור העבודה המבוצעת במרכזי מחקר של הפדרציה הרוסית. זאת בשל היעדר בסיס ניסויים מודרני בארץ. על רקע המצב הדיכאוני הכללי, הייתי אומר, של המדע היסודי בארץ, האטה יצירתם של מתקני מאיצים מדעיים גדולים. זה הוביל לעובדה שיש פיגור משמעותי בפיתוח טכנולוגיות מאיץ מקומיות במספר תחומים חשובים, כמו רפואה גרעינית, מדעי החומרים, תעשיית המוליכים למחצה, אשר תלויים כעת בספקים זרים", אמר האקדמאי בוריס. שרקוב במפגש האחרון של האקדמיה הרוסית למדעים.

הצד החיובי של המצב הוא שהרמהניתן להעלות את בסיס הניסויים, ובשנים הקרובות. בשנת 2022, תושלם מתנגש NICA וישוגר בדובנה. המרכז הלאומי לפיזיקה ומתמטיקה מוקם בסרוב, שם יופיע מתנגש נוסף, מפעל Super c-tau. אולי בעזרתה מדענים רוסים חוקרים תהליכים ותופעות החורגים מ"המודל הסטנדרטי". אבל הם יכולים להקדים אותם: בעולם מבוצעים מדי יום ניסויים במתקני מאיצים, ומדענים קרובים מאוד לתגליות שיניחו את הבסיס ל"פיזיקה החדשה".

בינתיים, פיזיקאים תיאורטיים רוסים חייביםממש לשכנע את CERN לבצע ניסויים. כדי לעשות זאת, עליך לשכנע אותם בתועלת הפוטנציאלית של התגלית. עכשיו זה מושג על ידי דמיטרי קרלובץ, שהוכיח מתמטית את שימור המצב הבלתי רגיל של "פיתול" ואת תכונות הגל בחלקיקים במהירויות גבוהות. בעבר, חוקרים חקרו את התכונות הקוונטיות הללו רק באנרגיות מתונות. אם יש כאן תועלת מעשית זו שאלה גדולה, אבל לא כל הניסויים פורצי הדרך בהיסטוריה של הפיזיקה הציבו זאת כמטרה. קוגניציה תמיד הייתה העיקר.

קרא עוד

האבל צילם את אותה גלקסיה פעילה בהפרש של 20 שנה

אסטרונומים סיפרו היכן וכיצד נוצרים זהב ופלטינה ביקום

שמעו את קולות מאדים שהוקלטו במשימת ההתמדה