คอมพิวเตอร์ควอนตัม พลังงานนิวเคลียร์ และเครื่องชนกัน: ความก้าวหน้าครั้งสำคัญที่คาดหวังในฟิสิกส์ของรัสเซีย

ฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อน

คณะกรรมการโนเบลรวมอยู่ในสาขาวิทยาศาสตร์นี้แทบไม่เกี่ยวข้องกัน

เป็นตัวแทนของงานวิจัยของผู้ได้รับรางวัลสามคนในปัจจุบัน (ด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศและพฤติกรรมความสับสนวุ่นวาย) ความท้าทายสมัยใหม่ทำให้ฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อนมีความเกี่ยวข้องและใช้งานได้จริงอย่างยิ่ง

“เราอยู่บนขอบเหว” กล่าวเมื่อไม่นานนี้นายอันโตนิโอ กูเตอร์เรส เลขาธิการสหประชาชาติ - อุณหภูมิเฉลี่ยสูงขึ้น 1.2 ° C เหนือกว่ายุคก่อนอุตสาหกรรมแล้ว ซึ่งใกล้เคียงกับการอ่านค่าวิกฤตที่ 1.5 ° C มาก ปีนี้จะเด็ดขาด ถ้าเราล้มเหลว [ในการควบคุมสภาพอากาศและการเปลี่ยนผ่านสู่เทคโนโลยีสีเขียว] เราจะตกอยู่ในอันตรายอย่างยิ่ง "

ในอนาคตอันใกล้นี้ คาดว่าปริมาณจะเพิ่มขึ้นงานวิจัยในสาขาฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อนและฟิสิกส์ของสภาพอากาศ การค้นพบหลักในพื้นที่นี้เกิดขึ้นเมื่อหลายสิบปีก่อน ตัวอย่างเช่น ในทศวรรษที่ 60 ชุคุโระ มานาเบะได้สร้างชุดเครื่องมือสำหรับสร้างแบบจำลองระบบสภาพอากาศ สิบปีต่อมา Klaus Hasselman เชื่อมโยงสภาพอากาศและสภาพอากาศ รางวัลนี้สามารถแบ่งปันกับพวกเขาได้โดย Andrei Monin นักฟิสิกส์ชาวโซเวียต หนึ่งในผู้ก่อตั้งอุทกพลศาสตร์ธรณีฟิสิกส์ ซึ่งปูทางไปสู่การวิจัยทั่วโลก

ตอนนี้ในรัสเซียมีนักวิทยาศาสตร์ไม่กี่คนที่มีส่วนร่วมในการสร้างแบบจำลองระบบที่ซับซ้อนในแง่ของสภาพอากาศและในขณะเดียวกันก็ได้รับการยอมรับในระดับสากล ตัวอย่างเช่น ผลงานของ Evgeny Volodin จากสถาบันคณิตศาสตร์คอมพิวเตอร์ Marchuk RAS กลายเป็นส่วนหนึ่งของแบบจำลอง IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) ที่ใหญ่กว่าเมื่อหลายปีก่อน ในแวดวงวิทยาศาสตร์ มีความเห็นว่าขณะนี้งานวิจัยของรัสเซียล้าหลังผลงานของตะวันตกมาก และไม่มีผู้เชี่ยวชาญในระดับผู้ได้รับรางวัลโนเบลในประเทศ เหตุผลคือเงินทุนไม่เพียงพอและความเชี่ยวชาญลดลง

ไม่มีสถาบันระดับโลกที่แยกจากกันในรัสเซียที่เกี่ยวข้องกับฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อน แต่มีความคิดริเริ่มระดับภูมิภาคเช่นศูนย์การศึกษาและวิทยาศาสตร์ "ฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อน" เปิดในปี 2552 ในคาซาน โปรแกรมปริญญาโทดำเนินการตามหลักการแลกเปลี่ยนประสบการณ์กับสถาบันปัญหากลศาสตร์และวัสดุศาสตร์สมัยใหม่ ISMANS (ฝรั่งเศส)

แบบจำลองสภาพภูมิอากาศเป็นเพียงหนึ่งในทรงกลมที่ใช้งานได้จริงซึ่งเก็บเกี่ยวผลของการค้นพบในด้านฟิสิกส์ของระบบที่ซับซ้อน ดังนั้น ผู้ได้รับรางวัลโนเบลคนที่สาม จอร์โจ ปารีซี ได้รับรางวัลสำหรับการค้นพบรูปแบบทางคณิตศาสตร์ที่เกิดขึ้นในวัสดุที่ซับซ้อน (วุ่นวาย) ซึ่งทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถอธิบายปรากฏการณ์ต่างๆ มากมาย ไม่เพียงแต่ในฟิสิกส์ แต่ยังรวมถึงในคณิตศาสตร์ ชีววิทยา ประสาทวิทยาศาสตร์ และการเรียนรู้ของเครื่อง นอกจากนี้ งานของเขายังมีประโยชน์อย่างมากในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม

ฟิสิกส์ควอนตัม

คอมพิวเตอร์ควอนตัมเป็นหนึ่งในคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังที่สุดความสำเร็จที่นำไปใช้ ตามการประมาณการในแง่ดีที่สุดพวกเขาจะปรากฏในรัสเซียในอีกไม่กี่ปีข้างหน้าและจนถึงขณะนี้มีเพียงต้นแบบของโปรเซสเซอร์ควอนตัมประเภทต่าง ๆ เท่านั้น ซึ่งรวมถึงรูปแบบห้าคบิตที่ไม่ซ้ำกันเป็นครั้งแรกสำหรับการคำนวณควอนตัมซึ่งสร้างขึ้นที่ห้องปฏิบัติการ MIPT

แพลตฟอร์ม 20 ไอออนก็ปรากฏขึ้นในปี 2564แนวทางทางเลือกในการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม National Quantum Laboratory สำหรับรัสเซีย เหตุการณ์ทั้งสองถือเป็นความก้าวหน้าครั้งใหญ่ แต่ถึงกระนั้น นี่เป็นความล่าช้าที่สำคัญในโลก ที่ซึ่งมีคอมพิวเตอร์ควอนตัมที่เต็มเปี่ยมอยู่แล้วซึ่งมี 27 คิวบิต และเครื่อง D-Wave 5,000 คิวบิตสำหรับการประมวลผลแบบจำกัดกำลังทำงานอยู่

“จากข้อมูลของ Gartner ปริมาณจะกลายเป็นความจริงสำหรับคนส่วนใหญ่แล้วในปี 2023 และไม่ใช่ภายใน 20 ปีอย่างที่คิดไว้ก่อนหน้านี้” Elena Zislin รองประธานฝ่ายพัฒนาธุรกิจเทคโนโลยีของ JPMorgan Chase กล่าว — ในอีกสองปี บริษัท 20% ในโลกจะมีโครงการด้านคอมพิวเตอร์ควอนตัมอยู่แล้ว ถ้าเทียบกันวันนี้มันแค่ 1% เท่านั้น”.

การทดลองสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมในรัสเซียเรียกร้องเงินเป็นจำนวนมาก แต่บางพื้นที่ของการวิจัยมักจะดำเนินการโดยสถาบันหลายแห่ง ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของทีมนานาชาติ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียได้มีส่วนร่วมในการค้นพบที่สำคัญหลายประการ ตัวอย่างเช่น กลุ่มวิจัยของ Skoltech กับ IBM ได้คิดค้นสวิตช์ควอนตัม ซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่เพิ่มการใช้พลังงานของคอมพิวเตอร์ควอนตัม ตามทฤษฎีแล้ว วิธีนี้จะช่วยให้หลีกเลี่ยงการใช้ระบบทำความเย็นที่มีราคาแพง ซึ่งจะทำให้การทำงานของอุปกรณ์ซับซ้อนขึ้นอย่างมาก

อีกคนหนึ่งมีความหมายในทางปฏิบัติเหมือนกันการค้นพบ - พนักงานของ Russian Quantum Center กับเพื่อนร่วมงานจาก Moscow State University และ Kazan Federal University เป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่พวกเขาได้รับปรากฏการณ์ควอนตัมของตัวนำยิ่งยวดและของเหลวยิ่งยวดที่อุณหภูมิห้อง นี่เป็นความฝันของนักวิจัยทั่วโลกมานานหลายทศวรรษ

นอกจากนี้ยังมีการค้นพบมากมายในองค์ประกอบของกลุ่มนานาชาติ ตัวอย่างเช่น นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน Solid State Physics Osipyan และ Skoltech ร่วมกับเพื่อนร่วมงานจาก Princeton (USA) และ Walter Schottky Institute (เยอรมนี) ได้เสนอวิธีการดั้งเดิมในการตรวจจับสถานะควอนตัมที่ซับซ้อน - โหมด Majorana นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามตรวจจับอนุภาคเหล่านี้มาเป็นเวลานานแล้ว แต่มันยากมาก: ไม่มีประจุและไม่มีการหมุน ประโยชน์ที่เป็นไปได้ของการค้นพบนี้อยู่ที่การใช้คุณสมบัติเฉพาะเมื่อสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัมของคนรุ่นใหม่ (ความเร็วในการคำนวณสูงขึ้น ผลกระทบจากการรบกวนจากสิ่งแวดล้อมน้อยลง)

โรงเรียนวิทยาศาสตร์ที่แข็งแกร่งพัฒนาไปทุกที่ความต่อเนื่อง ในเดือนตุลาคม 2021 หน่วยวิจัยปรากฏตัวที่ MIPT โดยผู้อำนวยการด้านวิทยาศาสตร์คือ Andrei Geim นักฟิสิกส์ชื่อดังและบัณฑิตจาก MIPT ซึ่งได้รับรางวัลโนเบลจากการค้นพบกราฟีนร่วมกับ Konstantin Novoselov ห้องปฏิบัติการจะจัดการกับมีโซฟิสิกส์หรือการปรากฏของปรากฏการณ์ทางกลควอนตัมในระดับมหภาค การค้นพบในพื้นที่นี้อาจมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาไมโครอิเล็กทรอนิกส์

ฟิสิกส์ของวัสดุ

การมีส่วนร่วมในโครงการวิทยาศาสตร์ของรัสเซียผู้ได้รับรางวัลโนเบลเป็นขั้นตอนเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญในการสร้างศูนย์ดึงดูดสำหรับนักวิทยาศาสตร์รุ่นใหม่ ที่ซึ่งศักยภาพทางปัญญาของประเทศจะกระจุกตัวอยู่ นี่คือสิ่งที่ MIPT กำลังทำอยู่ในขณะนี้ นักฟิสิกส์ที่อ้างถึงมากที่สุดคนหนึ่งในสมัยของเรา ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ คอนสแตนติน โนโวเซลอฟ ผู้เป็นหัวหน้าภาควิชา Phystech มุ่งเน้นไปที่การทดลองด้วยวัสดุอัจฉริยะแบบสองมิติ นี่เป็นพื้นที่ที่มีแนวโน้มว่าจะมีผลกระทบอย่างมากต่อไมโครอิเล็กทรอนิกส์และเทคโนโลยี คาดว่าวัสดุดังกล่าวสามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับคอมพิวเตอร์ neuromorphic

ยังมีส่วนร่วมในวัสดุนาโนในรัสเซียสถาบัน Kurchatov เมื่อเร็ว ๆ นี้นักฟิสิกส์ได้สังเคราะห์ชั้นใหม่ของสสารบาง - ฟิล์มแม่เหล็ก submonolayer พวกมันมีความหนาเพียงอะตอมเดียว แต่มีการปล่อยออกมาก เหล่านี้เป็นแม่เหล็กประดิษฐ์ที่บางที่สุดที่เคยสร้างในห้องปฏิบัติการ การค้นพบนี้อาจเกี่ยวข้องกับแรงผลักดันในการพัฒนาสปินทรอนิกส์ (ระบบที่ใช้สปินเป็นตัวพาข้อมูลในการคำนวณควอนตัม) ในกระบวนการวิจัย นักฟิสิกส์ของสถาบัน Kurchatov ได้ร่วมมือกับ European Center for Synchrotron Research ซึ่งมีเครื่องเร่งอนุภาคที่มีลักษณะเฉพาะที่ช่วยให้สามารถศึกษาคุณสมบัติของวัสดุนาโนได้ สิ่งนี้ทำให้เราใกล้ชิดกับการพูดคุยเกี่ยวกับสถานะของฟิสิกส์เร่งความเร็วในรัสเซีย

ฟิสิกส์นิวเคลียร์และการเร่งความเร็ว

เมื่อต้นปี 2564 รัสเซียเปิดตัวสองการติดตั้งขนาดใหญ่: เครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนสำหรับการวิจัยฟลักซ์สูงที่ทรงพลังที่สุดในโลก และเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชัน T-15MD (หรือที่รู้จักในชื่อ Tokamak) ด้วยความช่วยเหลือ นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียต้องการค้นพบที่จะทำให้สามารถสร้างเทคโนโลยีสำหรับพลังงานนิวเคลียร์แบบสององค์ประกอบได้ ที่สถาบัน Kurchatov พวกเขายังถูกเรียกว่า "เหมือนธรรมชาติ" นั่นคือปิดตัวเองและสร้างขึ้นตามธรรมชาติในการหมุนเวียนทรัพยากรของสิ่งแวดล้อม

นอกจากนี้ นักวิทยาศาสตร์จากสถาบัน Kurchatov ก็กำลังทำงานเกี่ยวกับการสร้างโรงไฟฟ้านิวเคลียร์พลังงานต่ำโดยใช้วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกซึ่งแทบไม่ต้องมีการบำรุงรักษา ต้นแบบของโรงงานแห่งนี้ซึ่งเรียกได้ว่าเป็นแบตเตอรี่อะตอมมิกขนาดกะทัดรัดได้ดำเนินการมาเป็นเวลาหลายทศวรรษแล้ว บางทีอาจเป็นนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียที่กำลังปูทางสำหรับการสร้างเทคโนโลยีที่สามารถรับประกันชีวิตมนุษย์บนดาวเคราะห์ดวงอื่นได้

แม้จะมีการติดตั้งหลายแห่งในประเทศเครื่องเร่งความเร็วและเครื่องปฏิกรณ์ระดับโลกถูกสร้างขึ้นน้อยกว่าที่มรดกของสหภาพโซเวียตล้มเหลว นี่เป็นปัญหาร้ายแรง การค้นพบส่วนใหญ่ในฟิสิกส์อนุภาคและฟิสิกส์นิวเคลียร์เกิดขึ้นระหว่างการทดลองกับสิ่งอำนวยความสะดวกดังกล่าว

“ตลอด 30 ปีที่ผ่านมา มีแนวโน้มสู่ลดส่วนแบ่งของงานที่ทำในศูนย์วิจัยของสหพันธรัฐรัสเซีย เนื่องจากขาดฐานการทดลองที่ทันสมัยในประเทศ เมื่อเทียบกับภูมิหลังของนายพล ฉันจะบอกว่า สภาวะตกต่ำของวิทยาศาสตร์พื้นฐานในประเทศ การสร้างเครื่องเร่งความเร็วทางวิทยาศาสตร์ขนาดใหญ่ได้ชะลอตัวลง สิ่งนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่ามีความล่าช้าอย่างมากในการพัฒนาเทคโนโลยีตัวเร่งความเร็วในประเทศในด้านที่สำคัญหลายประการเช่นเวชศาสตร์นิวเคลียร์วัสดุศาสตร์อุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งตอนนี้ขึ้นอยู่กับซัพพลายเออร์ต่างประเทศ "นักวิชาการบอริสชาร์คอฟกล่าว ในการประชุมล่าสุดของ Russian Academy of Sciences

ด้านบวกของสถานการณ์คือระดับสามารถยกระดับฐานการทดลองได้และในปีต่อๆ ไป ในปี 2022 เครื่องชนกันของ NICA จะแล้วเสร็จและเปิดตัวในเมือง Dubna ศูนย์ฟิสิกส์และคณิตศาสตร์แห่งชาติกำลังถูกจัดตั้งขึ้นใน Sarov ซึ่งจะมีโรงงาน Super c-tau ที่ชนกันอีกแห่งปรากฏขึ้น บางทีด้วยความช่วยเหลือที่นักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียศึกษากระบวนการและปรากฏการณ์ที่นอกเหนือไปจาก "แบบจำลองมาตรฐาน" แต่พวกเขาสามารถก้าวไปข้างหน้าได้: ในโลกนี้ มีการทดลองติดตั้งเครื่องเร่งความเร็วทุกวัน และนักวิทยาศาสตร์ก็ใกล้ชิดกับการค้นพบที่จะวางรากฐานสำหรับ "ฟิสิกส์ใหม่"

ในระหว่างนี้ นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวรัสเซียต้องชักชวน CERN ให้ทำการทดลองอย่างแท้จริง ในการทำเช่นนี้ คุณต้องโน้มน้าวพวกเขาถึงประโยชน์ที่เป็นไปได้ของการค้นพบนี้ ตอนนี้สิ่งนี้ทำได้โดย Dmitry Karlovets ซึ่งพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ว่าสามารถรักษาสถานะ "บิด" ที่ผิดปกติและคุณสมบัติของคลื่นในอนุภาคด้วยความเร็วสูง ก่อนหน้านี้ นักวิจัยศึกษาคุณสมบัติของควอนตัมเหล่านี้ที่พลังงานปานกลางเท่านั้น ไม่ว่าจะมีประโยชน์ในทางปฏิบัติใด ๆ ในที่นี้หรือไม่เป็นคำถามใหญ่ แต่ไม่ใช่การทดลองที่ก้าวหน้าทั้งหมดในประวัติศาสตร์ของฟิสิกส์ที่ตั้งไว้เป็นเป้าหมายของพวกเขา ความรู้ความเข้าใจเป็นสิ่งสำคัญเสมอมา

อ่านเพิ่มเติม

ฮับเบิลถ่ายภาพดาราจักรแอคทีฟเดียวกันที่ห่างกัน 20 ปี

นักดาราศาสตร์บอกว่าทองคำและทองคำขาวก่อตัวขึ้นในจักรวาลที่ไหนและอย่างไร

ฟังเสียงของดาวอังคารที่บันทึกโดยภารกิจความเพียร