Квантовые технологии

Ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) и Всероссийского научно-исследовательского института автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА), Евгений Андрианов и Олег Толстихин, разработали теорию, которая показывает, как казалось бы пассивное облако свободных электронов, рожденных при ионизации газа мощным лазером, способно кардинально изменять саму квантовую природу этого лазерного света. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review A и отдельно особо отмеченная редакцией (Editors’ Suggestion), предсказывает формирование так называемых неклассических и негауссовых состояний света, включая состояния с кольцеобразной функцией Вигнера, что открывает новые пути к созданию и управлению светом для будущих квантовых технологий.

Долгое время не мог разобраться в квантовой физике на глубоком уровне — не в формулах, а в понимании: что всё это значит? Теория струн казалась непреодолимым препятствием:  слишком много математики, непонятно с какой стороны подступиться, какие физические основы. Квантовую механику ещё как-то популяризируют, но про струны популярная наука обычно молчит.

Эта статья — попытка пройти путь «от нуля до героя»: от базовых принципов квантовой информации до теории струн, дуальностей и голографии. Не упрощая математику до метафор, но и не требуя докторской степени. Уровень — физмат-школа при МИФИ: серьёзно, но доступно.

Мы покажем, как квантовая информация порождает симметрии, симметрии требуют полей, поля организуются конформной инвариантностью, конформность приводит к струнам, а голография  замыкает круг: геометрия оказывается способом кодирования квантовой запутанности. В конце — программа экспериментальных проверок и честный ответ: действительно ли это «теория всего»?

Эта статья продолжает линию, начатую в предыдущей работе, где мы предложили рассматривать реальность не как совокупность объектов и свойств, а как сеть Корреляционных Паттернов — элементарных узоров связи, из которых эмерджируют пространство, время и материя. Теперь мы сделаем следующий шаг — попробуем понять, каким образом из той же реляционной ткани возникает сознание и смысл.

Если в первой статье речь шла о том, как из отношений рождается структура мира, то теперь нас интересует обратное направление: как структура мира начинает осознавать саму себя. Мы будем рассматривать сознание не как нечто добавленное к материи, а как особую фазу корреляционной динамики, где информация начинает рефлексировать собственные состояния.

Ученые из МФТИ, Всероссийского НИИ автоматики им. Н.Л. Духова (ВНИИА) и Института теоретической и прикладной электродинамики РАН (ИТПЭ РАН) разработали теоретическую модель, демонстрирующую неожиданную роль теплового шума в поведении сложных квантовых систем. Их исследование, опубликованное в журнале Physical Review A, показывает, что шум, обычно ухудшающий свойства системы, способен вызывать спонтанные переходы между состояниями с различной симметрией в специально спроектированной оптомеханической системе. Это открытие не только меняет взгляд на роль тепловых шумов  в физике, но и демонстрирует новые возможности в изучении кинетики фазовых переходов, связанных с нарушением так называемой PT-симметрии.

Вероятно, вам много раз доводилось читать, что такое кубиты, какие частицы могут применяться в качестве кубитов, и как их использовать. Кубиты – это информационные единицы, аналоги битов, используемые в квантовых компьютерах. Важнейшее свойство кубита — это возможность находиться в суперпозиции вплоть до того момента, как с кубитом провзаимодействуют (будет совершена вычислительная операция). В таком случае, какова материальная основа кубитов, что может служить носителем такой квантовой суперпозиции и, следовательно, информации? В современных квантовых компьютерах в качестве кубитов используются фотоны, электроны, ионы, квантовые точки и нейтральные атомы. Возможно, нейтральные атомы — одна из наиболее перспективных опций, и об этом на Хабре уже писал уважаемый @FirstJohn в статье «Лучшими кубитами для квантовых вычислений могут быть нейтральные атомы», переведённой для блога компании FirstVDS. Но в этой статье мы пойдём ещё глубже и поговорим о широком спектре материальных носителей, которые могут служить для операций с кубитами.

Ученые из МФТИ и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» разработали теорию, позволяющую с беспрецедентной точностью описывать поведение сложных многоатомных молекул в сверхсильных электрических полях. Их работа, опубликованная в журнале Physical Review A, дает возможность создания новых методов для изучения структуры молекул, включая биомолекулы, и даже для различения их «зеркальных» форм, что критически важно для фармацевтики.

Российские исследователи из МФТИ, МИСИС и Российского квантового центра предложили новое семейство кодов квантовой коррекции ошибок, отличающихся низкими ресурсными затратами и специально адаптированных для кольцевой архитектуры квантовых процессоров, в частности, на основе сверхпроводниковых кубитов. Кроме того, они разработали и продемонстрировали эффективность инновационного декодера на основе нейронных сетей для исправления ошибок в этих кодах. Работа опубликована в журнале Physical Review A.

В конце октября мир облетела новость: исследователи Google впервые запустили на квантовом компьютере так называемый «проверяемый алгоритм». Но что скрывается за этой громкой формулировкой? Компания заявляет, что вычисления заняли на их устройстве в 13 тысяч раз меньше времени, чем потребовалось бы лучшему суперкомпьютеру классической архитектуры. В Google видят в этом ключ к решению практических задач, например, моделирования новых химических соединений. Однако за этим утверждением стоит целый ряд вопросов. Что такое «проверяемый алгоритм» и почему акцент сделан именно на этом? В чем суть расчетов и чем этот прорыв отличается от предыдущего заявления о «квантовом превосходстве», прозвучавшего несколько лет назад?

Российские ученые из ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МФТИ с коллегами разработали и детально исследовали новый метод прецизионного управления магнитными свойствами тонкопленочных структур, имеющих решающее значение для современных технологий магнитной записи, сенсоров и перспективных устройств спинтроники. Результаты работы опубликованы в Journal of Applied Physics.

Ученые из МФТИ, Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау и Физико-технического института им. А. Ф.  Иоффе провели теоретическое исследование диффузии экситонов. Они рассмотрели это физическое явление в муаровых сверхрешетках переходных металлов.

Международный коллектив ученых разработал новый метод параметризации машинно-обучаемых межатомных потенциалов для моделирования магнитных материалов, значительно повышающий надежность и точность предсказаний их свойств. Ключевым элементом нового подхода стало использование так называемых «магнитных сил» при обучении моделей межатомных взаимодействий. Статья опубликована в Computational Materials Science.

Коллектив ученых из МФТИ , ИТМО и их коллега из Китая провели глубокое теоретическое и численное исследование, проливающее свет на фундаментальные аспекты взаимодействия света с конечными структурами нанометрового масштаба. Эта работа позволяет лучше понять переход от свойств одиночных наночастиц к сложным оптическим явлениям в протяженных метаматериалах.

В своей статье Клим Бондарь, специалист инженерно-квантовой лаборатории ООО «СФБ Лаб», разбирает, как реализуется и чем опасна широкополосная атака Trojan Horse на систему КРК.

Автор объясняет, каким образом злоумышленник может использовать отраженный лазерный сигнал, чтобы получить сведения о состоянии квантовой системы, и показывает, какие методы защиты позволяют свести риск утечки информации к минимуму.

В последнее время я стал задумываться о том, существуют ли такие квантовые объекты и явления, для которых можно подобрать прямые макроскопические аналоги. В конце лета я рассказывал в этом блоге об удивительном квантовом процессе, происходящем в некоторых веществах (например, в спиновых льдах) и напоминающем одновременно лавину и пожар, то есть, распространение снега и огня. Есть и другой не менее интересный феномен такого рода, открытый инженерами IBM в середине 1990-х; он получил название «квантовый мираж». Чтобы понять, как он возникает, нужно немного рассказать о работе сканирующего туннельного микроскопа (STM), а также о мельчайших искусственных объектах, которые мы научились создавать (и вот уже более 30 лет ищем им применение: квантовых загонах.

Множество ученых по всему миру объединились, чтобы составить и опубликовать всеобъемлющую дорожную карту разработки межатомных потенциалов машинного обучения в области материаловедения и инженерии. Они подробно описали, как машинное обучение должно привести к революции в нашем понимании в проектировании и открытии новых материалов, позволяя проводить компьютерное моделирование атомов.

Ученые из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН и МФТИ провели детальный анализ того, как когерентное лазерное излучение взаимодействует с неоднородными плазменными микроструктурами, регистрируемыми оптическими линзовыми системами. Исследователи обнаружили, что данный процесс сопровождается сложными дифракционными эффектами, которые существенным образом влияют на визуализацию плазмы в поле лазерного излучения.

В этом году Нобелевскую премию по физике получили Джон Кларк, Мишель Деворе и Джон Мартинис за «прохождение сквозь стены», помните: как в Гарри Поттере на платформе 9 3/4?

До недавнего времени криптографическая безопасность оценивалась через эмпирические тесты: проверка на устойчивость к известным атакам, статистический анализ случайности и т.д. Однако такой подход имеет фундаментальный недостаток — он может подтвердить наличие уязвимости, но не может доказать безопасность.
Наше открытие совершает парадигмальный сдвиг: безопасность — это не отсутствие структуры, а наличие правильной структуры.

Коллектив ученых из Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Московского физико-технического института и лаборатории “Метаматериалы” Саратовского государственного университета совершил значительный прорыв в области сенсорных технологий.  Они теоретически исследовали распространение щелевых сдвиговых волн в квази PT-симметричной структуре пьезоэлектриков и показали возможность создания сверхчувствительных датчиков на их основе.

Присуждение Нобелевской премии по физике за 2025 год исследователям Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису стало не просто признанием их личных заслуг, а символическим актом, отмечающим поворотный момент в истории науки. Формулировка Нобелевского комитета — «за открытие макроскопического квантовомеханического туннелирования и квантование энергии в электрической цепи» — для непосвященного уха может звучать как сухая абстракция. Однако за этими словами скрывается фундаментальное прозрение: квантовая механика перестала быть уделом субатомных частиц и стала почти осязаемым свойством нашего мира.