Новейшие открытия в физике: от квантовой телепортации до революции в энергетике
Последние достижения в области физики открывают новые горизонты для науки и технологий. К примеру, успехи в квантовой телепортации между двумя квантовыми компьютерами станут основой для создания квантового интернета, что может значительно ускорить вычисления и обмен данными. В термоядерной энергетике также наблюдается значительный прогресс: рекорды по длительности удержания высокотемпературной плазмы приближают человечество к созданию чистого и почти неиссякаемого источника энергии. Эти открытия, от фундаментальной физики до практических технологий, прокладывают путь к новым научным и промышленным революциям.
Отмечу квантовую телепортацию логического вентиля между двумя квантовыми компьютерами. Статья об этом опубликована в Nature. Авторы экспериментально продемонстрировали распределение квантовых вычислений между двумя фотонно-соединенными модулями на основе захваченных ионов. Модули при этом были разделены расстоянием примерно в 2 метра. Этот результат открывает путь к усилению вычислительной мощности квантовых компьютеров. Поскольку фотоны перспективны для квантовых вычислений, представленный вариант управления кубитами открывает путь к крупномасштабным квантовым вычислениям для целого ряда физических платформ.
Сфера моих интересов включает разработку и изучение новых магнитных наноматериалов и наноустройств для энергонезависимой памяти и энергоэффективных вычислений.
Мое внимание привлекла недавняя статья в журнале Nature Materials, которая описывает, как ученые создали новый тип компьютерной памяти и процессора в одном устройстве, специально предназначенный для работы в экстремально холодных условиях, при которых работают квантовые компьютеры. Исследователи разработали устройство под названием магнитный топологический мемристор. Если просто, это крошечный чип, который одновременно хранит и обрабатывает информацию, как человеческий мозг (это концепция «вычислений в памяти»), что резко ускоряет работу и снижает энергопотребление. В основе чипа экзотический материал — магнитный топологический изолятор.
Его уникальность в том, что электрический ток может без потерь протекать только по его краю или поверхности. Ученые научились легко управлять этим свойством, используя его для записи и считывания данных. Такие устройства идеально подходят для выполнения задач машинного обучения (например, распознавания образов) прямо «на месте», в условиях криогенной среды. Это критически важно для таких сложных задач, как коррекция ошибок в квантовых компьютерах и управление кубитами. Моделирование показало, что крупные нейросети на этой технологии будут потреблять в 10-100 раз меньше энергии по сравнению с самыми передовыми существующими решениями. Авторы не только создали и протестировали несколько прототипов (доказав высокую точность в задаче классификации), но и смоделировали работу больших вычислительных сетей. Это доказывает, что технологию можно масштабировать для решения реальных задач.
Кроме того, ученые из Южной Кореи впервые создали уникальные микроскопические магниты в форме спирали (наноспирали), которые могут фильтровать электроны по направлению их вращения (спину) при обычной комнатной температуре. Это достижение открывает путь к созданию более быстрой и энергоэффективной электроники будущего.
Представьте себе штопор или винтовую лестницу. Эта форма в науке называется хиральной, то есть она бывает «правой» или «левой», как наши ладони.
Главное открытие в том, что такая форма сама по себе действует как высокоэффективный фильтр. «Правая» спираль пропускает электроны, вращающиеся в одну сторону, и блокирует вращающиеся в другую. «Левая» спираль делает все наоборот.
Это явление называется селективным спиновым транспортом. Эффективность фильтрации достигает ~80%, и это происходит без необходимости в сверхнизких температурах или сложных внешних магнитах — просто благодаря геометрии и магнитным свойствам самого материала.
Создать такие структуры было серьезным вызовом. Хиральность обычно свойственна органическим молекулам (как ДНК), но крайне редко встречается в неорганических металлических наноструктурах.
Ключевым прорывом стал метод синтеза. Ученые вырастили спирали, управляя процессом кристаллизации металла с помощью электричества в специальных шаблонах. Чтобы задать направление закручивания («правое» или «левое»), в раствор добавляли микроскопические количества природных хиральных молекул (например, хинин). Эти молекулы направляли рост металла, как дирижер оркестром. Кроме того, команда разработала остроумный способ проверки хиральности, измеряя крошечное напряжение, которое спираль генерирует во вращающемся магнитном поле.
Ученые показали, что такие наноспирали являются перспективной платформой для создания принципиально новых устройств: от сверхэкономичной и быстрой памяти (MRAM), которая не теряет данные при отключении питания, до более совершенных датчиков магнитного поля и квантовых технологий.
Набирает темп исследование альтермагнетиков — нового класса магнитных материалов, по сравнению с ферромагнетиками и антиферромагнетиками. Пока исследования в основном теоретические, но при этом уже достигнут консенсус о существовании самого явления. Это открывает путь для эксперимента и возможных применений, например, при создании устройств спинтроники. Как бы мы ни хотели думать иначе, научные задачи следуют за задачами техники. Поскольку определяющим для научно-технического прогресса является электроника, стоит ожидать прорывов именно в физике твердого тела — то есть физике полупроводников, магнетизме, сверхпроводимости.
В физике элементарных частиц в последние годы не происходит чего-нибудь настолько значимого, что привлекло бы всеобщее внимание.
Господствующая парадигма — Стандартная модель фундаментальных взаимодействий — получает все большее подтверждение в прецизионных экспериментах как на ускорителях, так и в подземных лабораториях. За последние годы получено много данных на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, на ряде ускорителей тяжелых ионов, в подземных нейтринных экспериментах. Не найдено никаких отклонений от Стандартной модели, хотя процессы, наблюдаемые на ускорителях тяжелых ионов далеки от понимания, и возможно приведут к сюрпризам. Большая активность наблюдается в нейтринной физике, где запускаются новые установки и ожидается прояснение ряда открытых вопросов по природе нейтрино.
Актуальной проблемой является также выяснение природы темной материи. Различные эксперименты как на ускорителях, так и в подземных детекторах и в космосе пока не дают ответа на этот вопрос. Российские учёные участвуют во многих таких экспериментах за рубежом. В России сейчас готов к запуску ионный коллайдер NICA в Дубне, действует и расширяется глубоководный нейтринный телескоп на Байкале, а также подземный нейтринный телескоп на Кавказе.
Все эти исследования носят фундаментальный характер и ставят целью познание законов природы.
В близкой к физике элементарных частиц области я бы выделил продолжающиеся эксперименты по детектированию гравитационных волн. За их открытие уже присуждена Нобелевская премия, но там еще есть много интересного и многообещающего. Уже на сегодняшний день зарегистрировано более 300 событий с черными дырами и нейтронными звездами различной массы.
Я бы отметил неподтвержденные пока данные по детектированию реликтовых гравитационных волн. Там нет пока однозначной интерпретации, но это было бы очень значимым событием для понимания ранней Вселенной.
Я бы отметил значимость нового эксперимента по нейтрино, проводимого в Китае с использованием детектора JUNO. Это один из лидирующих экспериментов в области физики нейтрино как по сложности, так и по масштабу. Проект стал серьезным технологическим прорывом для Китая. Используемый метод регистрации нейтрино базируется на регистрации слабых вспышек света в жидком сцинтилляторе высокоэффективными фотоэлектронными умножителями большого диаметра. Производством таких детекторов с диаметром почти полметра было ранее доступно только японская компания Hamamatsu. Для эксперимента JUNO в Китае было произведено 15 тысяч таких устройств, и еще 5 тысяч закуплено у Hamamatsu. Это потребовало огромных усилий и высоких технологий. В результате важнейшим достижением является то, что китайским ученым удалось добиться энергетического разрешения для гамма-квантов с энергией 0,5 МэВ на уровне 5% в 20 тысячах тонн сентилятора. Это просто уникальный результат.
Быстрый старт эксперимента стал возможен благодаря высокой точности и эффективности работы детектора. Всего через два месяца после начала сбора статистики китайские исследователи представили результаты по солнечным нейтрино, которые оказались в полтора-два раза точнее, чем результаты других экспериментов, для которых сбор статистики занимал годы. От эксперимента можно ожидать значительных научных результатов.
Один из важных аспектов эксперимента — это решение проблемы так называемой иерархии масс поколений нейтрино. Проект впечатляет не только своей научной значимостью, но и масштабом. Детектор специально расположен в области Китая, где в радиусе 50–100 километров находятся несколько атомных электростанций, что позволяет исследовать нейтрино, возникающие от работы этих станций. Этот эксперимент может стать важным шагом в развитии технологий контроля работы ядерных реакторов.
Кроме того, такие детекторы могут использоваться для предупреждения о вспышках сверхновых звезд, поскольку нейтрино — это ранний сигнал об этих событиях.
На установке Wendelstein 7-X в г. Грайфсвальд (Германия) установлен мировой рекорд по длительности удержания горячей плазмы. В ходе эксперимента 22 мая 2025 года плазма удерживалась в реакторе целых 43 секунды. Это стало новым мировым рекордом для установок такого типа и приблизило человечество к созданию термоядерной электростанции.
Также был достигнут один из главных показателей успешной работы реактора — так называемое тройное произведение. Оно показывает, насколько хорошо система может удерживать плазму и поддерживать нужную температуру и плотность. Эти параметры необходимы, чтобы получить больше энергии, чем тратится на нагрев. Ключом к успеху стала новая система подачи топлива: крошечные гранулы из замороженного водорода (всего 1 мм в диаметре) вводились в раскаленную плазму на скорости до 800 м/с. Это позволило «подпитывать» реактор и удерживать плазму дольше обычного.
За последние 200 лет население нашей планеты выросло в восемь раз, а количество энергии, вырабатываемое на одного человека выросло в четыре раза. Дефицит энергии и энергетических ресурсов — одной из важных причин экономических и геополитических конфликтов.
Развитие термоядерной энергетики в промышленных масштабах (если это удастся осуществить в обозримом будущем) позволит нашей цивилизации выйти на принципиально новый уровень развития.
Кроме того, коллеги из Оксфордского университета совершили прорыв в квантовых технологиях: впервые квантовое состояние было успешно передано между двумя квантовыми компьютерами с использованием явления «квантовой телепортации».
Несмотря на то, что передача произошла на расстоянии двух метров в лаборатории, этот результат доказывает возможность масштабирования квантовых вычислений и создания распределенных квантовых сетей. В рамках работы, опубликованной в журнале Nature, сообщается, что достигнута квантовая телепортация между квантовыми компьютерами и было успешно передано квантовое состояние. Полученные результаты могут существенно ускорить развитие квантовых вычислений, открывают новые перспективы для создания квантового интернета, способного соединять модули квантовых процессоров без потери их эффективности, стать основой для новых исследований фундаментальных законов физики и по-новому взглянуть на принцип неопределенности Гейзенберга.
В качестве научного достижения в мировой практике считаю необходимым выделить мировой рекорд в области термоядерной энергетики, в частности достигнуто рекордное удержание высокотемпературной плазмы (43 секунды) и достижение ключевых параметров для демонстрации принципиальной возможности получения энергии от термоядерного синтеза. Работа выполнена учеными Института физики плазмы Общества имени Макса Планка. Это очередной шаг к непрерывному и регулируемому термоядерному синтезу.
Фундаментальный прорыв заключается в доказательстве принципиальной возможности длительного и стабильного удержания плазмы в установке типа стелларатор. Раньше подобные режимы были доступны лишь на несколько секунд. Это меняет представление о потенциале стеллараторов для создания работающих реакторов. Ключом к успеху стала новая инженерная разработка — это система высокоскоростного впрыска гранул замороженного топлива. Она решает практическую задачу непрерывной «подпитки» реактора, что необходимо для работы будущей электростанции.
Исследователи из Оксфордского университета впервые успешно передали квантовое состояние между двумя квантовыми компьютерами с использованием явления квантовой телепортации. Последняя базируется на феномене запутанности, при котором частицы остаются связанными, даже если разделены в пространстве. В эксперименте перенесенное квантовое состояние сохранялось с точностью 86%.
В октябре команда PhaseCraft, базирующаяся в Великобритании и специализирующаяся на разработке и применении алгоритмов для существующих квантовых устройств, опубликовала результаты моделирования динамики системы взаимодействующих электронов. По видимому, это первый результат, претендующий на полезное квантовое превосходство — моделирование на квантовом компьютере приближенной к реальности системы, невозможное (или затруднительное) с помощью классических вычислителей. Это утверждение еще надо проверять, но вектор развития вдохновляет.
Крупный прорыв в области управляемого термоядерного синтеза, достигнутого на коммерчески ориентированном устройстве (например, следующее поколение установок типа SPARC или демонстрационных заводов в рамках проекта STEP).
Если в 2025 году будет официально подтверждено устойчивое горение плазмы с энергетическим выходом, значительно превышающим затраты (Q > 10), на установке, использующей высокотемпературные сверхпроводники, это станет поворотным моментом. Работа ведется международными консорциумами.
Это событие имеет цивилизационное значение. Оно доказывает техническую осуществимость практически неиссякаемого и чистого источника энергии, что в долгосрочной перспективе решит энергетические и экологические проблемы человечества и окажет колоссальное влияние на все смежные науки, включая материаловедение (потребуются новые радиационно-стойкие материалы) и радиохимию (изменит номенклатуру активационных продуктов).
