صبح روز جمعه 14 جولای کنفرانس بین المللیدر مورد فناوری های کوانتومی میخائیل لوکین، یکی از بنیانگذاران مرکز کوانتومی روسیه و استاد دانشگاه هاروارد، در مورد ایجاد آن صحبت کرد. گروه علمیکامپیوتر کوانتومی 51 کیوبیتی کاملا قابل برنامه ریزی در نگاه اول، این نتیجه را می توان یک پیشرفت ناگهانی در این زمینه نامید - غول هایی مانند گوگل و IBM تنها به مرز 50 کیوبیت در یک کامپیوتر کوانتومی نزدیک می شوند. همین دیروز، در سرور preprint arXiv.org ظاهر شد توصیف همراه با جزئیاتآزمایش سرمقاله N+1تصمیم گرفتم بفهمم چه اتفاقی افتاده و از کامپیوتر کوانتومی جدید چه انتظاری دارم.

مختصری در مورد کامپیوترهای کوانتومی - جهانی و غیر جهانی

یک کامپیوتر 51 کیوبیتی چگونه است؟

بیایید به سیستم ایجاد شده توسط فیزیکدانان نگاه کنیم شغل جدید. نقش کیوبیت ها در آن توسط اتم های روبیدیم سرد که در یک تله نوری گرفته شده اند بازی می شود. تله خود آرایه ای از 101 موچین نوری (پرتوهای لیزر متمرکز) است. اتم به دلیل شیب به وسیله موچین در وضعیت تعادل قرار می گیرد میدان الکتریکی- به ناحیه ای با حداکثر قدرت میدان الکتریکی که در نقطه کانونی موچین قرار دارد جذب می شود. از آنجایی که تمام موچین ها در یک ردیف قرار گرفته اند، تمام اتم های کیوبیت کامپیوتر نیز در یک زنجیره قرار گرفته اند.

"صفر" برای هر یک از اتم های روبیدیم حالت پایه و تحریک نشده آن است. "One" یک ایالت Rydberg است که مخصوصاً آماده شده است. این یک حالت برانگیخته است که در آن الکترون بیرونی روبیدیم از هسته بسیار دور است (در اوربیتال 50، 100، 1000)، اما همچنان با آن مرتبط است. با توجه به شعاع بزرگ، اتم های ریدبرگ شروع به تعامل (دفع) می کنند مسافت های طولانیاز حد معمول این دافعه همان چیزی است که باعث می شود ردیفی از 51 اتم روبیدیم به زنجیره ای از ذرات با تعامل قوی تبدیل شود.

برای کنترل حالات کیوبیت ها از یک سیستم جداگانه لیزر استفاده می شود که می تواند آنها را به حالت ریدبرگ برانگیزد. اصلی ترین و مهم ترین ویژگی کامپیوتر جدید، امکان آدرس دهی مستقیم به هر یک از 51 کیوبیت است. همچنین مجموعه‌های پیچیده‌تری از اتم‌ها وجود دارند که در آنها حالت‌های کوانتومی درهم‌تنیده مشاهده می‌شود (ما اخیراً در مورد 16 میلیون اتم درهم تنیده شده توسط برهمکنش با یک فوتون صحبت کردیم)، و شبیه‌سازی‌های کوانتومی روی بیش از صد اتم سرد انجام شده است. اما در تمام این موارد، دانشمندان راهی برای کنترل دقیق سیستم نداشتند. به همین دلیل است که سیستم جدید یک کامپیوتر کوانتومی کاملاً قابل برنامه ریزی نامیده می شود.

هر محاسباتی در یک کامپیوتر کوانتومی به نوعی شبیه سازی یک سیستم کوانتومی واقعی است. بخش اصلی کار جدید به مدل سازی یک سیستم کوانتومی معروف - مدل Ising - اختصاص دارد. این یک زنجیره (در این مورد) از ذرات با اسپین های غیر صفر (لمان های مغناطیسی) را توصیف می کند که با همسایگان خود برهم کنش دارند. مدل Ising اغلب برای توصیف مغناطیس و انتقال مغناطیسی در جامدات استفاده می شود.

ساختار آزمایش به شرح زیر بود. ابتدا ذرات سرد شده و در موچین های نوری گرفته شدند. این یک فرآیند احتمالی است، بنابراین در ابتدا آرایه ذرات آشفته بود. سپس دنباله‌ای از اندازه‌گیری‌ها و تنظیمات برای ایجاد یک آرایه بدون نقص از بیش از 50 اتم سرد در حالت تحریک‌ناپذیر زمین استفاده شد. در مرحله بعد، موچین های نوری خاموش شدند و همزمان سیستم روشن شد و اتم ها را به حالت ریدبرگ برانگیخت. برای مدتی، سیستم تحت تأثیر نیروهای واندروالس تکامل یافت - اتم ها "مناسب ترین" موقعیت ها را برای آنها اشغال کردند، پس از آن موچین ها دوباره روشن شدند و نتیجه تکامل مورد مطالعه قرار گرفت.

بسته به اینکه اتم های سرد چقدر به پالس هیجان انگیز نزدیک بودند، فیزیکدانان نتایج تکاملی متفاوتی را مشاهده کردند. این به دلیل این واقعیت است که اتم های Rydberg قادر به سرکوب تحریک همسایگان به ایالات Rydberg (به دلیل دافعه قوی) هستند. دانشمندان سیستم‌هایی را مشاهده کرده‌اند که در آن‌ها، اتم‌ها، پس از تکامل، به‌گونه‌ای مرتب شده‌اند که بین هر جفت اتم Rydberg همسایه، به طور دقیق یک، دو یا سه اتم معمولی وجود دارد.

جالب توجه است که تشکیل ساختارهای بسیار منظم پس از تکامل آزاد با احتمال بسیار بالایی اتفاق افتاده است - حتی در مورد آرایه ای از 51 اتم سرد.

برای اینکه ببینند فرآیند تکامل چگونه اتفاق می‌افتد، دانشمندان موچین‌ها را روشن کردند و از سیستم در مقاطع مختلف زمانی «عکاسی» گرفتند. معلوم شد که در برخی موارد تکامل به حالت تعادل بسیار آهسته اتفاق می‌افتد: سیستم برای مدت طولانی بین چندین حالت در نوسان بود. این نتیجه را می توان با شبیه سازی های کلاسیک خام تأیید کرد، که شامل برهمکنش بین اتم های همسایه و همسایه بعدی در تجزیه و تحلیل است.

آیا این مفید است؟

این یکی از مواردی است که مدل سازی کوانتومی یک اثر واقعی جدید را پیش بینی می کند. شایان ذکر است که شبیه سازی دقیق یک سیستم 51 اتم سرد با استفاده از یک کامپیوتر کلاسیک غیرممکن است. برای توصیف همه حالت های ممکن آن، 2 51 بیت RAM (حدود یک پتابایت) مورد نیاز است. این اثر تنها با شبیه سازی های خشن در یک کامپیوتر کلاسیک تایید شد.

جالب است که دقیقاً وضعیت معکوس در محاسبات شیمیایی کوانتومی رخ می دهد - رایانه های کلاسیک فقط تخمین تقریبی از خواص را ارائه می دهند. سیستم های پیچیده، صرف منابع محاسباتی عظیم در این مورد. در عین حال، تجزیه و تحلیل مستقیم این سیستم های کوانتومی بدون شک نتیجه دقیقی به دست می دهد.

برای چه چیز دیگری مفید است؟

در پایان پیش چاپ، نویسندگان به طور سنتی فهرستی از زمینه هایی را ارائه می دهند که توسعه جدید ممکن است در آنها مفید باشد. می‌توانیم برخی از آنها را فهرست کنیم: ایجاد برهم‌نهی‌های متشکل از تعداد زیادی ذره، مطالعه حالت‌های توپولوژیکی در سیستم‌های اسپین. فیزیکدانان به طور خاص خاطرنشان می‌کنند که این الگوریتم برای حل مسائل بهینه‌سازی سیستم‌هایی که ابعاد آنها آشکارا از دسترس رایانه‌های معمولی فراتر می‌رود، مناسب است. این وظایف شامل مدل سازی می شود واکنش های شیمیاییو آموزش.

سیستم ایجاد شده توسط میخائیل لوکین و همکارانش اکنون به عنوان یک شبیه ساز کوانتومی کار می کند - سیستم های مشابه خود را شبیه سازی می کند. با این حال، شایان ذکر است که بر روی جفت منفرد اتم های Rydberg، فیزیکدانان قبلاً موفق به ایجاد دروازه های منطقی CNOT شده اند که برای ایجاد درهم تنیدگی استفاده می شود. بنابراین می توان گفت که برخی از الگوریتم های ساده را می توان در سیستم جدید پیاده سازی کرد (مثلاً الگوریتم Deutsch یا الگوریتم Shor برای اعداد بسیار کم). اما در این مرحله این الگوریتم ها کاربردی نخواهند داشت.

میخائیل لوکین (سمت چپ) و جان مارتینیس (راست) - سرپرست تیم توسعه یک کامپیوتر کوانتومی 49 کیوبیت در گوگل

مرکز کوانتومی روسیه

به یک معنا، دستگاه جدید در حال حاضر قادر به حل مشکلاتی است که برای رایانه های کلاسیک غیرقابل دسترس هستند - نمی توان آن را به طور دقیق توسط رایانه های معمولی شبیه سازی کرد. اما هنوز خیلی زود است که در مورد برتری کوانتومی مفید صحبت کنیم، که قبلاً در مسائل کاربردی مفید خواهد بود. بسیاری از دانشمندان خاطرنشان می کنند که اکنون رقابت برای برتری کوانتومی از نقطه نظر مسائل محاسباتی کاربردی چیز مفیدی به همراه ندارد.

شایان ذکر است که آزمایش‌ها با اتم‌ها در شبکه‌های نوری چندین سال پیش از مدل‌سازی دقیق توسط رایانه‌های کلاسیک فراتر رفته است. آنها از ده ها ذره به هم پیوسته استفاده می کنند. به عنوان مثال، با کمک آنها، پدیده های تعاونی کوانتومی مربوط به ابر سیالیت و ابررسانایی است. آیا این برتری کوانتومی است؟

ولادیمیر کورولف

میخائیل لوکین، فارغ التحصیل فیزیک، آزمایشی را انجام داد که جهان را شگفت زده کرد

M. Lukin در سال 1988 وارد انستیتوی فیزیک و فناوری مسکو در FFKE شد و تحت راهنمایی آکادمیک Yu. V. Gulyaev تحت آموزش اولیه در بخش الکترونیک حالت جامد قرار گرفت. او تحت هدایت V. I. Manko، A. F. Popkov، I. A. Ignatiev مشغول کار علمی بود. پس از سال چهارم به مدت 9 ماه به دانشگاه آلاباما (آمریکا) اعزام شد. پس از بازگشت دفاع کرد پایان نامهو زودتر از موعد مقرر در سال 1993 با درجه ممتاز از MIPT فارغ التحصیل شد. به توصیه پروفسور V.I. Manko برای همکاری با پروفسور M. Scully به دانشگاه تگزاس دعوت شد و در سال 1998 از پایان نامه خود دفاع کرد. در هر چرخه آثار علمیدر سال 1999 مدال انجمن نوری آمریکا را دریافت کرد.

لوکین ما چه کرده است؟ او پرتو نور را متوقف کرد!

(برگرفته از مصاحبه اختصاصی با خبرنگار کارکنان KP A. Kabannikov با یک دانشمند روسی)

-... چطور شد که به آمریکا رفتی؟

من در مقطع کارشناسی ارشد در دانشگاه تگزاس پذیرفته شدم. و پس از دفاع از پایان نامه خود در مورد استفاده از لیزر برای کنترل محیط، بورسیه ویژه ای از دانشگاه هاروارد برای تحقیق دریافت کرد.

- ایده آزمایش تاخیر نور از کجا آمد؟

دو سال پیش، رئیس سابق من در دانشگاه تگزاس، مارلون اسکالی، 60 ساله شد. به همین مناسبت مرسوم است که مجموعه های سالگرد با آثار دانش آموزان منتشر شود. ما مدت زیادی به موضوع فکر کردیم. در آن زمان صحبت های زیادی در مورد نور آهسته وجود داشت - مهار تکانه های آن. به معنای واقعی کلمه سه روز قبل از ارسال نسخه خطی، من و دو همکار جوان از آلمان - سوزان یلین و مایک فلیشهاور - سرانجام تصمیم گرفتیم که در مورد چگونگی توقف نور بنویسیم و از آن به عنوان راهی برای حفظ اطلاعات استفاده کنیم.

برای توجیه نظری حدود یک سال طول کشید. آزمایش‌ها در آوریل آغاز شد و در پاییز اولین نتایجی را داشتند که این نظریه را کاملاً تأیید می‌کرد.

خارق العاده ترین توصیفات از کار شما در مطبوعات شنیده می شود. به عنوان مثال، استدلال می شود که این آزمایش نظریه نسبیت را رد می کند. حتی می گویند که می توان زمان را به همین شکل متوقف کرد...

اینها گمانه زنی های عاشقان حس است. واقعا چه اتفاقی افتاد؟ یک پرتو معمولی را تصور کنید که به سمت یک جسم نشانه می رود. یک پالس نور با اتم ها تعامل می کند، آنها برانگیخته می شوند و انرژی ساطع می کنند. سپس از بین می رود - به شکل گرما، درخشش. ما یک محیط مخصوص از بخار روبیدیوم فوق خنک تهیه کرده ایم. و سپس با استفاده از یک لیزر کنترلی، آن را رسانای الکترومغناطیسی کردند. یک نبض نور به سمت او هدایت شد. وقتی به محیط رسید، لیزر کنترل را خاموش کردیم. پالس به صفر کاهش یافت و دیگر فوتونی وجود نداشت. اما اطلاعات در محیط هیجان زده حفظ شد. و اگر دوباره لیزر کنترل را روشن کنید، همان پالس با همان سرعت به حرکت خود ادامه می دهد. این همه، در واقع.

نیویورک تایمز آزمایش شما را در صفحه اول منتشر کرد و به دنبال آن مطبوعات در سراسر جهان آن را به عنوان یک حس علمی با آینده ای بزرگ گزارش کردند...

من را متهم به حیا کاذب نکنید، اما در واقع اهمیت کار متورم شده است. گام کوچکی در یک منطقه کوچک برداشته شده است. اگرچه اجرای ایده در شکل کامل آن مملو از پتانسیل های جالبی است و می تواند نتایج بسیار خوبی به همراه داشته باشد.

آیا تجربه شما واقعاً، همانطور که مفسران علمی معتقدند، به معنای گامی به سوی انقلاب است؟ فن آوری های کامپیوتری?

این بیشتر مربوط به مهندسان است و ما درگیر علم محض هستیم. اما تجربه به امکانات اساساً جدیدی برای ذخیره و پردازش اطلاعات اشاره می کند. هر چند راه رسیدن به آنها از تجربه آزمایشگاهیبزرگ، سال ها و حتی دهه ها طول خواهد کشید.

به هر حال، این آزمایش برای شما شهرت به ارمغان آورد دنیای علمی; شما در 29 سالگی استاد دانشگاه کمبریج هستید. آیا این کار شایستگی دارد؟ مدرسه روسی?

بدون شک! MIPT یک دانشگاه درجه یک بود و باقی می ماند. تعدادی از روش هایی که ما استفاده کردیم بر اساس ایده ها و پیشرفت های پروفسور ولادلن لتوخوف از موسسه طیف سنجی است. آکادمی روسیهعلمی زمانی که دو سال پیش دو آمریکایی و یک فرانسوی جایزه نوبل را برای خنک کننده لیزر دریافت کردند، بسیاری بر این باور بودند که لتخوف باید در میان برندگان این جایزه باشد. من تقریباً تمام دانش خود را در مورد رویکردهای تجربی با همکاری با گروهی از دانشمندان فوق العاده در مؤسسه فیزیکی لبدف به دست آوردم.

و آیا این یک پارادوکس نیست که آزمایش روی آن انجام شود روش های روسیتوسط یک دانشمند روسی در آمریکا تحویل داده شد؟

علم داخلی فقیر امروز فقط به جانبازان مکتب قدیمی استوار است... من به طور واقع بینانه وضعیت را ارزیابی می کنم: باور کنید، اگر MIPT بودجه تحقیقاتی داشت، آنها فقط در دو سال با همان کار کنار می آمدند.

واشنگتن.

نامه های بررسی فیزیکی

29 ژانویه 2001 - دوره 86، شماره 5، صص. 783-786

متن کامل: PDF (163 کیلوبایت)

ذخیره نور در بخار اتمی

D. F. Phillips، A. Fleischhauer، A. Mair و R. L. Walsworth مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان، کمبریج، ماساچوست 02138

M. D. Lukin ITAMP، مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیتسونیان، کمبریج، ماساچوست 02138

ما آزمایشی را گزارش می‌کنیم که در آن یک پالس نور به طور موثر کاهش می‌یابد و در بخار اتم‌های Rb به دام می‌افتد، برای یک دوره زمانی کنترل‌شده ذخیره می‌شود و سپس در صورت تقاضا آزاد می‌شود. ما این "ذخیره نور" را با کاهش دینامیکی سرعت گروهی پالس نور به صفر انجام می دهیم، به طوری که برانگیختگی منسجم نور به طور برگشت پذیر به یک انسجام زیمن (اسپین) بخار Rb نگاشت می شود. ©2001 آمریکاییجامعه فیزیکی

URL:http://publish.aps.org/abstract/PRL/v86/p783

DOI: 10.1103/PhysRevLett.86.783

PACS: 42.50.Gy, 03.67.-a اطلاعات اضافی

منابع

1. M. D. Lukin، S. F. Yelin و M. Fleischhauer، Phys. کشیش Lett. 84, 4232 (2000); L. M. Duan، J. I. Cirac و P. Zoller (منتشر نشده).

2. M. Fleischhauer and M. D. Lukin, Phys. کشیش Lett. 84, 5094 (2000).

3. L. V. Hau, S. E. Harris, Z. Dutton, and C. H. Behroozi, Nature (London) 397, 594 (1999); M. Kash et al., Phys. کشیش Lett. 82, 5229 (1999); D. Budker et al., همان. 83، 1767 (1999).

4. به عنوان مثال، S. E. Harris, Phys. امروز 50، شماره 7، 36 (1997).

5. تکنیک های اتلاف برای انتقال جزئی آمار کوانتومی از نور به اتم ها در A. Kuzmich، K. Mshlmer و E. S. Polzik، Phys گزارش شده است. کشیش Lett. 79, 4782 (1997); J. Hald، J. L. Schrensen، C. Schori، and E. S. Polzik، Phys. کشیش Lett. 83, 1319 (1999).

6. J. I. Cirac, P. Zoller, H. J. Kimble, and H. Mabuchi, Phys. کشیش Lett. 78, 3221 (1997).

7. M. Hennrich, T. Legero, A. Kuhn, and G. Rempe, Phys. کشیش Lett. 85, 4872 (2000).

8. M. D. Lukin et al., quant-ph/0011028.

9. L. Duan، J. I. Cirac، P. Zoller و E. Polzik، quant-ph/0003111.

10. A. Kuzmich, L. Mandel, and N. Bigelow, Phys. کشیش Lett. 85، 1594 (2000).

11. O. Kocharovskaya، Yu. روستوفتسف، و ام. او. اسکالی، فیزیک. کشیش Lett. 86, 628 (2001).

12. H. Schmidt and A. Imamolu، Opt. Lett. 21, 1936 (1996); ; S. E. Harris and Y. Yamamoto، Phys. کشیش Lett. 81, 3611 (1998); S. E. Harris and L. V. Hau، همان. 82, 4611 (1999); M. D. Lukin and A. Imamolu، همان. 84، 1419 (2000).

13. برای مشاهده EIT مبتنی بر انسجام زیمن در یک محیط متراکم، به V. A. Sautenkov و همکاران، Phys مراجعه کنید. کشیش A 62, 023810 (2000).

14. در آزمایش فعلی ما تا 50٪ از تحریک نور ورودی به دام افتاده است. ما پیش بینی می کنیم که کسر ذخیره شده را می توان با استفاده از یک محصول با طول چگالی بزرگتر یا با یک حفره نوری افزایش داد.

15. اس. ای. هریس، فیزیک. کشیش Lett. 70, 552 (1993); M. D. Lukin و همکاران، Phys. کشیش Lett. 79, 2959 (1997).

16.C. Liu, Z. Dutton, C. H. Behroozi, and L. V. Hau, Nature (لندن) (به چاپ می رسد).

وقتی صحبت از دانشمندان برجسته روسی می شود، بسیاری قهرمانان سال گذشته - مندلیف، پاولوف یا لاندو را به یاد می آورند و فراموش می کنند که در بین معاصران ما محققان برجسته زیادی وجود دارد. برای روز علم روسیه، "آتتیک" اسامی کسانی را که در قرن بیست و یکم اکتشافات مهمی انجام دادند جمع آوری کرد.

فیزیک

آندری گیم. عکس: ITAR-TASS/ استانیسلاو کراسیلنیکوف

در هزاره جدید جایزه نوبلدر فیزیک سه بار به دانشمندان روسی زبان اعطا شد، اگرچه فقط در سال 2010 - برای کشفی که در قرن بیست و یکم انجام شد. فارغ التحصیلان MIPT بازی آندری و کنستانتین نووسلوف در آزمایشگاه دانشگاه منچستر برای اولین بار آنها توانستند یک کریستال کربن دو بعدی پایدار - گرافن به دست آورند. این یک فیلم کربن بسیار نازک با ضخامت یک اتم است که به دلیل ساختار آن دارای خواص جالب بسیاری است: رسانایی قابل توجه، شفافیت، انعطاف پذیری و استحکام بسیار بالا. حوزه‌های کاربردی جدید و جدید دائماً برای گرافن یافت می‌شوند، به عنوان مثال در میکروالکترونیک: نمایشگرهای انعطاف‌پذیر، الکترودها و پنل‌های خورشیدی از آن ایجاد می‌شوند.

میخائیل لوکین. عکس: ITAR-TASS/ Denis Vyshinsky

یکی دیگر از فارغ التحصیلان MIPT و اکنون استاد فیزیک در دانشگاه هاروارد است میخائیل لوکین ، کار به ظاهر غیرممکن را انجام داد: نور را متوقف کرد. برای انجام این کار، دانشمند از بخار روبیدیوم فوق خنک و دو لیزر استفاده کرد: لیزر کنترلی، محیط را به نور رسانا می کرد و دومی به عنوان منبع یک پالس نور کوتاه عمل می کرد. هنگامی که لیزر کنترل خاموش شد، ذرات پالس نور از محیط خارج نشدند، گویی در آن متوقف شدند. این آزمایش یک پیشرفت واقعی برای ایجاد رایانه های کوانتومی بود - ماشین هایی از نوع کاملاً جدید که می توانند تعداد زیادی عملیات را به طور موازی انجام دهند. این دانشمند به تحقیقات خود در این زمینه ادامه داد و در سال 2012، گروه او در هاروارد طولانی ترین کیوبیت را در آن زمان ایجاد کردند که کوچکترین عنصر برای ذخیره اطلاعات در یک کامپیوتر کوانتومی بود. و در سال 2013، لوکین برای اولین بار ماده فوتونیک را به دست آورد - نوعی ماده، که فقط از اتم ها، بلکه از ذرات نور، فوتون ها تشکیل شده است. همچنین قرار است از آن برای محاسبات کوانتومی استفاده شود.

یوری اوگانسیان (مرکز) با گئورگی فلروف و کنستانتین پترژاک. عکس از آرشیو الکترونیکی JINR

دانشمندان روسی در قرن بیست و یکم جدول تناوبی را به میزان قابل توجهی گسترش داده اند. به عنوان مثال، در ژانویه 2016، عناصری با اعداد 113، 115، 117 و 118 به آن اضافه شد که سه مورد از آنها برای اولین بار در مؤسسه مشترک تحقیقات هسته ای (JINR) در دوبنا به رهبری یک آکادمیک آکادمی روسیه به دست آمد. علوم یوری اوگانسیان . او همچنین افتخار کشف تعدادی دیگر از عناصر فوق سنگین و واکنش های سنتز آنها را دارد: عناصر سنگین تر از اورانیوم در طبیعت وجود ندارند - آنها بیش از حد ناپایدار هستند، بنابراین به طور مصنوعی در شتاب دهنده ها ایجاد می شوند. علاوه بر این، اوگانسیان به طور تجربی تأیید کرد که برای عناصر فوق سنگین به اصطلاح "جزیره ثبات" وجود دارد. همه این عناصر خیلی سریع پوسیده می شوند، اما ابتدا از نظر تئوری و سپس از نظر تجربی نشان داده شد که در بین آنها باید برخی از آنها وجود داشته باشند که طول عمر آنها به طور قابل توجهی از عمر همسایگان خود در جدول بیشتر باشد.

علم شیمی

آرتم اوگانوف. عکس از آرشیو شخصی

شیمیدان آرتم اوگانوف ، رئیس آزمایشگاه های ایالات متحده آمریکا، چین و روسیه، و اکنون نیز یک استاد در موسسه علم و فناوری Skolkovo، الگوریتمی ایجاد کرد که به شما امکان می دهد از رایانه برای جستجوی مواد با خواص از پیش تعیین شده استفاده کنید، حتی از نقطه نظر غیرممکن. دیدگاه شیمی کلاسیک روش توسعه یافته توسط Oganov اساس برنامه USPEX را تشکیل داد (که به شرح زیر است کلمه روسی"موفقیت")، که به طور گسترده ای در سراسر جهان استفاده می شود (در جزئیات "آتتیک"). با کمک آن، آهنرباهای جدیدی کشف شد، و موادی که قادر به وجود در شرایط شدید، به عنوان مثال، در زیر بودند فشار بالا. فرض بر این است که چنین شرایطی ممکن است در سیارات دیگر وجود داشته باشد، به این معنی که مواد پیش‌بینی‌شده توسط اوگانف در آنجا هستند.

والری فوکین. خوشه بیودارویی "شمال"

با این حال، نه تنها مدل سازی مواد با خواص از پیش تعیین شده، بلکه ایجاد آنها در عمل نیز ضروری است. برای رسیدن به این هدف، پارادایم جدیدی در شیمی در سال 1997 معرفی شد که اصطلاحاً به آن شیمی کلیکی می گویند. کلمه "کلیک" صدای یک ضامن را تقلید می کند، زیرا اصطلاح جدید برای واکنش هایی معرفی شد که تحت هر شرایطی باید اجزای کوچک را به مولکول مورد نظر متصل کنند. در ابتدا دانشمندان نسبت به وجود یک واکنش معجزه آسا بی اعتماد بودند، اما در سال 2002 والری فوکین ، فارغ التحصیل نیژنی نووگورود دانشگاه دولتیبه نام لوباچفسکی که اکنون در موسسه اسکریپس در کالیفرنیا کار می کند، چنین "چفت مولکولی" را کشف کرد: از یک آزید و یک آلکین تشکیل شده است و در حضور مس در آب با اسید اسکوربیک کار می کند. با استفاده از این واکنش ساده، ترکیبات کاملاً متفاوتی را می توان با یکدیگر ترکیب کرد: پروتئین ها، رنگ ها، مولکول های معدنی. چنین سنتز "کلیک" موادی با خواص شناخته شده قبلی در درجه اول هنگام ایجاد داروهای جدید ضروری است.

زیست شناسی

اوگنی کونین. عکس از آرشیو شخصی دانشمند

با این حال، برای درمان یک بیماری، گاهی اوقات نه تنها باید یک ویروس یا باکتری را خنثی کرد، بلکه باید ژن های خود را نیز اصلاح کرد. نه، این طرح یک فیلم علمی تخیلی نیست: دانشمندان قبلاً چندین سیستم "قیچی مولکولی" را ایجاد کرده اند که قادر به ویرایش ژنوم است (اطلاعات بیشتر در مورد فناوری شگفت انگیز در مقاله Attic). امیدوارکننده ترین آنها سیستم CRISPR/Cas9 است که بر اساس مکانیسم محافظت در برابر ویروس هایی است که در باکتری ها و باستانی ها وجود دارد. یکی از محققین کلیدی این سیستم هموطن سابق ماست اوگنی کونین ، که سال ها در مرکز ملی اطلاعات بیوتکنولوژی ایالات متحده کار می کند. علاوه بر سیستم های CRISPR، دانشمند به بسیاری از مسائل ژنتیک، زیست شناسی تکاملی و محاسباتی علاقه مند است، بنابراین بیهوده نیست که H-index او (شاخص استنادی مقالات یک دانشمند، نشان دهنده میزان تقاضا برای تحقیقات او) است. از 130 فراتر رفته است - این یک رکورد مطلق در بین همه دانشمندان روسی زبان است.

ویاچسلاو اپشتاین. عکس از دانشگاه نورث وسترن

با این حال، خطر امروز نه تنها توسط تجزیه ژنوم، بلکه توسط رایج ترین میکروب ها نیز ایجاد می شود. واقعیت این است که در طول 30 سال گذشته یک نوع آنتی بیوتیک جدید ایجاد نشده است و باکتری ها به تدریج در برابر آنتی بیوتیک های قدیمی مصون می شوند. خوشبختانه برای بشریت، در ژانویه 2015، گروهی از دانشمندان دانشگاه نورث ایسترن در ایالات متحده از ایجاد یک عامل ضد میکروبی کاملاً جدید خبر دادند. برای انجام این کار، دانشمندان به مطالعه باکتری های خاک روی آوردند، که قبلاً رشد آنها در شرایط آزمایشگاهی غیرممکن به نظر می رسید. برای دور زدن این مانع، یک کارمند دانشگاه شمال شرقی، فارغ التحصیل دانشگاه دولتی مسکو ویاچسلاو اپشتاین او به همراه یکی از همکارانش یک تراشه ویژه برای رشد باکتری های سرکش درست در کف اقیانوس ایجاد کرد - به این روش حیله گرانه، دانشمند مشکل افزایش "هوسبازی" باکتری هایی را که نمی خواستند در ظرف پتری رشد کنند دور زد. این تکنیک اساس یک مطالعه بزرگ را تشکیل داد که نتیجه آن آنتی بیوتیک تیکسوباکتین بود که می تواند هم با سل و هم با استافیلوکوکوس اورئوس مقابله کند.

ریاضیات

گریگوری پرلمن. عکس: جورج ام. برگمن - Mathematisches Institut Oberwolfach (MFO)

حتی افراد بسیار دور از علم احتمالاً در مورد ریاضیات از سنت پترزبورگ شنیده اند گریگوری پرلمن . در سالهای 2002-2003، او سه مقاله در اثبات حدس پوانکاره منتشر کرد. این فرضیه متعلق به شاخه ای از ریاضیات به نام توپولوژی است و بیشتر توضیح می دهد خواص عمومیفضا. در سال 2006، این اثبات توسط جامعه ریاضی پذیرفته شد، و بنابراین حدس پوانکاره اولین موردی بود که در بین مسائل به اصطلاح هفت هزاره حل شد. اینها شامل مسائل ریاضی کلاسیک است که برای سالیان متمادی اثباتی برای آنها یافت نشده است. برای اثبات خود، به پرلمن مدال فیلدز اعطا شد که اغلب جایزه نوبل ریاضیدانان نامیده می شود، و همچنین جایزه حل مسئله هزاره موسسه ریاضیات Clay. این دانشمند تمام جوایز را رد کرد و این امر توجه عمومی را به دور از ریاضیات جلب کرد.

استانیسلاو اسمیرنوف. عکس: ITAR-TASS/ یوری بلینسکی

کار در دانشگاه ژنو استانیسلاو اسمیرنوف در سال 2010 نیز مدال فیلدز را از آن خود کرد. معتبرترین جایزه در دنیای ریاضی با اثبات عدم تغییر منطبق نفوذ دوبعدی و مدل Ising در فیزیک آماری- این چیز با نام غیرقابل تلفظ توسط نظریه پردازان برای توصیف مغناطش یک ماده استفاده می شود و در توسعه رایانه های کوانتومی استفاده می شود.

آندری اوکونکوف عکس: رادیو آزادی

پرلمن و اسمیرنوف نمایندگان مدرسه ریاضی لنینگراد، فارغ التحصیلان مدرسه معروف 239 و دانشکده ریاضیات و مکانیک دانشگاه دولتی سنت پترزبورگ هستند. اما در میان نامزدهای جایزه نوبل ریاضی، مسکوئی‌هایی نیز وجود داشتند، به عنوان مثال، استاد دانشگاه کلمبیا که سال‌ها در ایالات متحده کار می‌کرد و فارغ‌التحصیل از دانشگاه دولتی مسکو بود. آندری اوکونکوف . او مدال فیلدز را در سال 2006، همزمان با پرلمن، به خاطر دستاوردهایش در ارتباط با نظریه احتمال، نظریه نمایش، و هندسه جبری دریافت کرد. در عمل، کار اوکونکوف در طول سال‌ها هم در فیزیک آماری برای توصیف سطوح کریستال‌ها و هم در نظریه ریسمان کاربرد پیدا کرده است - رشته‌ای از فیزیک که سعی می‌کند اصول را یکی کند. مکانیک کوانتومیو نظریه نسبیت

داستان

پیتر تورچین. عکس: دانشگاه فناوریاستیونز

نظریه ای جدید در تقاطع ریاضیات و علوم انسانیارایه شده پتر تورچین . تعجب آور است که تورچین خود ریاضیدان یا مورخ نیست: او یک زیست شناس است که در دانشگاه دولتی مسکو تحصیل کرده و اکنون در دانشگاه کانکتیکات کار می کند و جمعیت ها را مطالعه می کند. فرآیندهای زیست شناسی جمعیت در یک دوره زمانی طولانی توسعه می یابند، و توصیف و تجزیه و تحلیل آنها اغلب نیاز به ساخت و ساز دارد مدل های ریاضی. اما می توان از الگوسازی برای درک بهتر پدیده های اجتماعی و تاریخی در جامعه بشری نیز استفاده کرد. این دقیقاً همان کاری است که تورچین در سال 2003 انجام داد رویکرد جدیدکلیودینامیک (از طرف موزه تاریخ کلیو). تورچین خود با استفاده از این روش، چرخه های جمعیتی «سکولار» را ایجاد کرد.

زبان شناسی

آندری زالیزنیاک. عکس: Mitrius/wikimedia

هر ساله در نووگورود و همچنین در برخی دیگر از شهرهای باستانی روسیه مانند مسکو، پسکوف، ریازان و حتی ولوگدا، حروف پوست درخت غان بیشتر و بیشتر یافت می شود که قدمت آن به قرن های 11-15 باز می گردد. در آنها می توانید مکاتبات شخصی و رسمی، تمرین های کودکان، نقاشی ها، جوک ها و حتی نامه های عاشقانه را بیابید - "The Attic" درباره خنده دارترین کتیبه های باستانی روسی است. زبان زنده حروف به محققان کمک می کند تا گویش نووگورود و همچنین زندگی مردم عادی و تاریخ روسیه را درک کنند. مشهورترین محقق اسناد پوست درخت غان، البته، آکادمی آکادمی علوم روسیه است آندری زالیزنیاک : بی دلیل نیست که سخنرانی های سالانه او که به نامه های تازه یافته و رمزگشایی از نامه های قدیمی اختصاص دارد، مملو از مردم است.

اقلیم شناسی

واسیلی تیتوف. عکس از noaa.gov

در صبح روز 26 دسامبر 2004، روز سونامی غم انگیز اندونزی، که بر اساس برآوردهای مختلف، 200-300 هزار نفر را کشت، فارغ التحصیل NSU، که در مرکز تحقیقات سونامی در اداره ملی اقیانوسی و جوی کار می کرد. در سیاتل (ایالات متحده آمریکا) واسیلی تیتوف معروف از خواب بیدار شد و این فقط یک شکل گفتار نیست: اینکه در مورد قوی ترین زمین لرزه ای که در آن رخ داده است مطلع شوید اقیانوس هند، دانشمند، قبل از رفتن به رختخواب، تصمیم گرفت یک برنامه پیش بینی امواج سونامی را روی رایانه خود اجرا کند و نتایج آن را به صورت آنلاین منتشر کرد. پیش بینی او بسیار دقیق بود، اما متأسفانه خیلی دیر انجام شد و بنابراین نتوانست از تلفات انسانی جلوگیری کند. اکنون برنامه پیش بینی سونامی MOST که توسط Titov توسعه یافته است در بسیاری از کشورهای جهان استفاده می شود.

ستاره شناسی

کنستانتین باتیگین. عکس از caltech.edu

در ژانویه 2016، جهان با خبر دیگری شوکه شد: در بومی ما منظومه شمسی. یکی از نویسندگان این کشف در روسیه متولد شد کنستانتین باتیگین از دانشگاه کالیفرنیا پس از مطالعه حرکت شش جسم کیهانی واقع در خارج از مدار نپتون - آخرین مورد شناسایی شده در این لحظهدانشمندان از محاسباتی استفاده کرده اند تا نشان دهند که در فاصله ای هفت برابر بیشتر از فاصله نپتون تا خورشید، سیاره دیگری باید به دور خورشید می چرخد. اندازه آن، به گفته دانشمندان، 10 برابر قطر زمین است. با این حال، برای اینکه کاملاً از وجود غول دوردست مطمئن شوید، باز هم باید آن را با تلسکوپ دید.

دانشمندان روسی و آمریکایی از دانشگاه هاروارد، که در گروه میخائیل لوکین کار می کنند، یک کامپیوتر کوانتومی 51 کیوبیتی ساخته اند که قدرتمندترین کامپیوتر امروزی در جهان است. پروفسور لوکین، یکی از بنیانگذاران مرکز کوانتومی روسیه (RCC)، این موضوع را در گزارش خود در کنفرانس بین المللی فناوری های کوانتومی (ICQT-2017) که در ماه ژوئیه در مسکو تحت نظارت RQC برگزار شد، اعلام کرد.

بر خلاف کامپیوترهای دیجیتال کلاسیک، که حافظه آنها بر اساس اصل کد دودویی (0 یا 1، "بله" یا "خیر") ساخته شده است، رایانه های کوانتومی بر اساس کیوبیت - بیت کوانتومی ساخته شده اند. آنها همچنین دو حالت (0 و 1) را مجاز می‌کنند، اما به دلیل ویژگی‌های کوانتومی، کیوبیت علاوه بر این، حالت‌های برهم نهی را می‌دهد، یعنی به طور نسبی، بسیاری از حالت‌های میانی بین دو حالت اصلی، که با اعداد مختلط (خیالی) توصیف می‌شوند. واضح است که در چنین شرایطی قدرت و سرعت یک کامپیوتر کوانتومی چندین مرتبه بزرگتر است.

ایده استفاده از محاسبات کوانتومی برای حل صرف مسائل ریاضیدر سال 1980 توسط یوری مانین از موسسه استکلوف پیشنهاد شد و یک سال بعد اصل ساخت یک کامپیوتر کوانتومی توسط ریچارد فاینمن فرموله شد. اما چندین دهه گذشت تا فناوری‌هایی که می‌توانستند ایده‌های آن‌ها را عملی کنند، ظهور کنند.

مشکل اصلی ایجاد کیوبیت های عامل پایدار بود. گروه لوکین از ابررساناها برای آنها استفاده نکردند، بلکه از اتم های به اصطلاح سرد استفاده کردند که در دماهای بسیار پایین در داخل تله های لیزری نگهداری می شوند. این به فیزیکدانان اجازه داد تا بزرگترین کامپیوتر کوانتومی جهان را با 51 کیوبیت بسازند و همکاران خود از گروه کریستوفر مونرو در دانشگاه مریلند (دستگاه 5 کیوبیتی) و گروه جان مارتینیس از گوگل (دستگاه 22 کیوبیتی) را شکست دهند.

به بیان تصویری، هنگام ساخت یک کامپیوتر کیوبیت، فیزیکدانان از نیمه اول قرن گذشته از دیجیتال به دستگاه های آنالوگ بازگشتند. اکنون وظیفه آنها حرکت به سمت "دیجیتال" در یک جدید است، سطح کوانتومی. با استفاده از مجموعه‌ای از کیوبیت‌ها بر اساس «اتم‌های سرد»، تیم لوکین قبلاً توانسته‌اند چندین مشکل فیزیکی خاص را حل کنند که شبیه‌سازی با استفاده از رایانه‌های کلاسیک بسیار دشوار است.

در آینده نزدیک، دانشمندان قصد دارند آزمایشات خود را با یک کامپیوتر کوانتومی ادامه دهند. علاوه بر این راه حل کاملا وظایف علمیاز حوزه مکانیک کوانتومی، پروفسور لوکین رد نمی کند که تیمش سعی کند الگوریتم کوانتومی معروف Shor را روی آن پیاده سازی کند، که سیستم های رمزگذاری موجود در برابر آن ناتوان هستند. اما بسیاری از زمینه های عملی دیگر وجود دارد که نسل جدید رایانه ها می توانند انقلابی در آنها ایجاد کنند. به عنوان مثال، آب و هواشناسی، که در حال حاضر به وضوح قدرت کافی در دستگاه های محاسباتی موجود برای بهبود دقت پیش بینی های آب و هوا وجود ندارد.

کامپیوترهای کوانتومی در حال برداشتن اولین گام‌های خود هستند، اما زمان زیادی دور نیست که به اندازه رایانه‌های شخصی امروزی رایج شوند.

مسکو، 14 ژوئیه- خبرگزاری ریا.دانشمندان روسی و آمریکایی شاغل در هاروارد اولین کامپیوتر کوانتومی جهان متشکل از 51 کیوبیت را ساخته و آزمایش کردند. میخائیل لوکین، استاد دانشگاه هاروارد و یکی از بنیانگذاران مرکز کوانتومی روسیه (RCC) گفت که این دستگاه تاکنون پیچیده ترین سیستم محاسباتی در نوع خود است.

این فیزیکدان هنگام ارائه گزارشی در کنفرانس بین المللی فناوری های کوانتومی ICQT-2017 که تحت نظارت RQC در مسکو برگزار می شود، اعلام کرد. این دستاورد به گروه لوکین اجازه داد تا در مسابقه ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی تمام عیار که به طور غیررسمی چندین سال است بین چندین گروه از فیزیکدانان برجسته جهان در حال انجام است، تبدیل به یک رهبر شود.

کامپیوترهای کوانتومی ابزارهای محاسباتی خاصی هستند که قدرت آنها با استفاده از قوانین مکانیک کوانتومی به طور تصاعدی افزایش می یابد. همه این دستگاه‌ها از کیوبیت‌ها - سلول‌های حافظه و در عین حال ماژول‌های محاسباتی ابتدایی تشکیل شده‌اند که قادر به ذخیره طیفی از مقادیر بین صفر و یک هستند.

امروزه دو رویکرد اصلی برای توسعه چنین دستگاه هایی وجود دارد - کلاسیک و آدیاباتیک. طرفداران اولین آنها در تلاش برای ایجاد یک کامپیوتر کوانتومی جهانی هستند، کیوبیت هایی که در آن از قوانین مشابهی پیروی می کنند که دستگاه های دیجیتال معمولی بر اساس آن کار می کنند. کار با چنین دستگاه محاسباتی در حالت ایده آل تفاوت چندانی با روشی که مهندسان و برنامه نویسان با کامپیوترهای معمولی کار می کنند نخواهد داشت. ایجاد یک کامپیوتر آدیاباتیک آسان‌تر است، اما اصول عملکرد آن به کامپیوترهای آنالوگ اوایل قرن بیستم نزدیک‌تر است تا به دستگاه‌های دیجیتال مدرن.

سال گذشته چندین تیم از دانشمندان و مهندسان از ایالات متحده آمریکا، استرالیا و چندین کشور اروپایی اعلام کردند که به ساخت چنین ماشینی نزدیک هستند. رهبر این مسابقه غیررسمی تیم جان مارتینیس از گوگل در نظر گرفته شد که در حال توسعه یک نسخه غیرمعمول "هیبرید" از یک کامپیوتر کوانتومی جهانی بود که عناصر یک رویکرد آنالوگ و دیجیتال را برای چنین محاسباتی ترکیب می کرد.

لوکین و همکارانش در RCC و هاروارد گروه مارتینیس را دور زدند، گروهی که، همانطور که مارتینیس به ریانووستی گفت، اکنون در حال کار بر روی ایجاد یک کامپیوتر 22 کیوبیتی است که نه از ابررساناها، مانند دانشمندان گوگل، بلکه از "اتم های سرد" عجیب و غریب استفاده می کند.

همانطور که دانشمندان روسی و آمریکایی کشف کرده‌اند، مجموعه‌ای از اتم‌ها که در داخل «قفس‌های» لیزری ویژه نگهداری می‌شوند و تا دمای بسیار پایین سرد می‌شوند، می‌توانند به عنوان کیوبیت برای یک رایانه کوانتومی استفاده شوند و عملکرد پایدار را تحت طیف نسبتاً وسیعی از شرایط حفظ کنند. این به فیزیکدانان اجازه داد تا بزرگترین کامپیوتر کوانتومی را که از 51 کیوبیت تشکیل شده بود، بسازند.

تیم لوکین با استفاده از مجموعه‌ای از کیوبیت‌های مشابه، چندین مشکل فیزیکی را حل کرده‌اند که شبیه‌سازی آن‌ها با استفاده از ابررایانه‌های «کلاسیک» بسیار دشوار است. به عنوان مثال، دانشمندان روسی و آمریکایی توانستند نحوه رفتار ابر بزرگی از ذرات به هم پیوسته را محاسبه کنند و اثرات ناشناخته قبلی را که درون آن رخ می‌داد، کشف کنند. مشخص شد که وقتی تحریک تحلیل می‌رود، انواع خاصی از نوسان‌ها می‌توانند تقریباً به طور نامحدود در سیستم باقی بمانند، که دانشمندان قبلاً به آن مشکوک نبودند.

برای تأیید نتایج این محاسبات، لوکین و همکارانش مجبور شدند الگوریتم خاصی را توسعه دهند که انجام محاسبات مشابه را به شکلی بسیار خشن در رایانه‌های معمولی ممکن می‌سازد. نتایج به طور کلی ثابت بود و تأیید می کرد که سیستم 51 کیوبیتی دانشمندان هاروارد در عمل کار می کند.

در آینده نزدیک، دانشمندان قصد دارند آزمایشات خود را با یک کامپیوتر کوانتومی ادامه دهند. لوکین رد نمی‌کند که تیمش سعی کند الگوریتم کوانتومی معروف Shor را بر روی آن اجرا کند، که شکست اکثر سیستم‌های رمزگذاری موجود بر اساس الگوریتم RSA را ممکن می‌سازد. به گفته لوکین، مقاله ای با اولین نتایج یک کامپیوتر کوانتومی قبلاً برای چاپ در یکی از مجلات علمی معتبر پذیرفته شده است.