Электро-шот

«Электро-шот» успешно завершен! Проект был реализован при поддержке гранта Минобрнауки России для популяризаторов науки, одной из мер поддержки федерального проекта «Популяризация науки и технологий». Команда проекта, в лице директора НП КПЦ «ДОМ Творчества на Клязьме» Халилюлина И.У., выражает благодарность Министерству науки и высшего образования Российской Федерации: грантовая поддержка дала начало значимому для общественности проекту по созданию серии информационных материалов, направленных на популяризацию отечественных достижений прошлого и современности в области квантовых технологий и радиоэлектроники. Качественные и количественные результаты реализации проекта подтвердили его высокую социально-экономическую важность, актуальность и востребованность среди населения страны. Повышение доступности информации о достижениях и перспективах российской науки для граждан России, будучи одной из задач объявленного Президентом РФ Владимиром Путиным Десятилетия науки и технологий (2022– 2031 гг.), стало для проекта «Электро-шот» главной миссией. В ходе реализации проекта зрители и слушатели «Электро-шота» познакомились с разнообразием квантовых технологий, узнали, что из себя представляет современная радиоэлектроника, какие перспективы развития стоят перед отраслями. Разработанный контент был опубликован на официальном сайте проекта, а также на площадках «Электро-шота» в соцсетях, видеохостингах, мессенджерах и контентных платформах (ВКонтакте, Одноклассники, Дзен, Telegram, RUTUBE и YouTube). C начала реализации проекта было опубликовано 130 единиц уникального контента. Суммарный охват аудитории в СМИ созданным контентом составил 7 554 072 чел. Все опубликованные информационные материалы набрали в общей сложности 1 708 353 просмотров. С проектом познакомились в т.ч. более половины жителей Чукотского автономного округа, Республики Алтай и Ненецкого автономный округа. Команда проекта благодарит аудиторию за проявленный интерес и будет рада любой обратной связи!

Почти 400 лет назад Ньютон сформулировал три важнейших закона классической механики и объяснил человечеству, как взаимодействуют тела любой механической системы. Однако уже в конце XIX века внимание химиков привлекают атомы, а в начале XX века возникают новые теории и открытия в физике. Джеймс Кларк Максвелл предположил существование электромагнитных волн и создал теорию электромагнитного поля, открытие рентгеновских лучей и радиоактивности дали мощный импульс новым физическим исследованиям: ▫ в 1896 году А. Беккерель, изучая явление люминесценции солей урана, обнаружил явление радиоактивности; ▫ в 1897-98 году Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри обнаружили аналогичное излучение у тория и открыли новые радиоактивные элементы: полоний, радий; ▫ 1899 год – Э. Резерфорд открыл неоднородность радиоактивного излучения, α, β, γ-лучи. Ученые умы получили не только новые идеи, новые объекты исследования, но и новые инструменты для физических и химических экспериментов. И уже на фоне споров о корпускулярной или волновой природе света зарождается квантовая механика. Начало этой науки было положено при исследовании излучения абсолютно черного тела, однако это уже тема для будущих публикаций.

26 апреля 1951 года профессору Колумбийского университета Чарльзу Таунсу пришла идея создания прибора, усиливающего микроволновые колебания с помощью явления вынужденного излучения – мазера. 👉 Мазер представляет собой квантовый генератор – источник электромагнитных волн – который работает на основе вынужденного излучения атомов и молекул, электроны в которых переходят с высоких энергетических уровней на более низкие. Изобретение мазера можно по праву считать началом квантовой электроники! Об этом мы подробнее поговорим в одном из наших будущих видео. 💭 Пара интересных фактов: Слово «мазер» является акронимом фразы "microwave amplification by stimulate demission of radiation", которая переводится на русский язык переводится как «усиление микроволн с помощью вынужденного излучения». А слово лазер является акронимом фразы "light amplification by stimulated emission of radiation" и переводится как «усиление света посредством вынужденного излучения».

Электронные микроскопы – мощные инструменты будущего. Их используют для получения изображений белков и клеток, а также небиологических образцов, таких как новые виды материалов, с высоким разрешением. Вместо света, используемого в более традиционных микроскопах, электронные устройства фокусируют пучок электронов на образце. При взаимодействии пучка с образцом некоторые характеристики последнего изменяются. Детектор измеряет изменения в луче, которые затем преобразуются в изображение с высоким разрешением. Но этот мощный электронный луч может повредить хрупкие структуры в образце. Со временем он может испортить те самые детали, которые пытаются изучить ученые. Поэтому, хоть электронные микроскопы и достаточно хороши, их можно улучшить, используя свойства квантового мира. Но об этом мы подробнее поговорим в будущих публикациях. 😉

Спин – собственный момент импульса отдельных элементарных частиц и их связанных состояний в виде ядер и атомов – одно из самых странных для понимания свойств частицы в квантовой физике. Напрямую от спинов электронов в ядрах водорода зависит магнитно-резонансная томография (МРТ), благодаря им мы можем получать изображения внутренних органов и тканей тела! ❓ Как это работает? Как мы знаем, человек в основном состоит из воды, это значит, что в нём содержатся миллиарды атомов водорода, вращающихся естественным образом. 👉 Сначала под воздействием сильного магнитного поля внутри аппарата МРТ атомы меняют оси вращения и выравниваются с полем, 👉 затем при устранении магнитного поля они возвращаются к своему естественному состоянию. То есть под влиянием импульсов радиочастотных волн, проходящих через тело, изменяются спины атомов. В результате, из-за того, что разные ткани выделяют разное количество энергии, её можно собрать и использовать для создания изображения.

Ещё одно устройство, принцип работы которого основан на квантовой физике – лазер. Он включает в себя ▫ использование эффекта вынужденного излучения фотонов; ▫ тепловое излучение; ▫ флуоресценция. В веществе под воздействием излучения определенной длины волны большая часть электронов переходит в возбужденное состояние и они «прыгают» на более высокие энергетические уровни. Долго они там не задерживаются и возвращаются в свое стабильное, низкоэнергетическое состояние, однако при этом происходит излучение фотонов света – появляется узконаправленный поток излучения. В каких устройствах нашей повседневной жизни используется лазер? ▫ сканер штрихкода в магазинах; ▫ лазерные скальпели для проведения медицинских операций; ▫ косметологические приборы; ▫ лазерные принтеры; ▫ лазерные указки. Однако развитие технологий не стоит на месте и сегодня активно используют лазеры с двухуровневой генерацией. Их можно применять в нейроморфных нейронных сетях, где имитируется поведение нейронов в мозге, а также в фотонных интегральных схемах и передавать в два раза больше информации.

Сенсоры или датчики установлены повсюду, они есть и в бытовой технике, и в медицинских приборах, и космических аппаратах, их предназначение заключается в преобразовании физических величин в сигнал, удобный для измерения, регистрации и передачи. Размеры сенсорных устройств варьируются от молекулярных систем до километровых установок, они могут непосредственно взаимодействовать с измеряемой системой, как это делает термометр или космический зонд, посылаемый на Марс или Солнце, либо пассивно получать данные – так работает пирометр и детектор нейтрино. В чём разница между классическими и квантовыми датчиками? Граница между ними довольно размыта. Так или иначе, в основе всех явлений лежит квантовый мир, а любые измеряемые параметры нужно переводить на привычный нам макроуровень. По мере развития фундаментальной науки возникает потребность проводить эксперименты, для чего требуется высокочувствительное оборудование высокоточные измерительные приборы, основанные на квантовых эффектах – квантовые сенсоры. Ожидается, что они будут иметь высокое пространственное и временное разрешение, что позволит повысить точность измерений в сравнении с существующими классическими сенсорами, а использование свойств суперпозиции, запутанности, сжатия квантовых состояний, в свою очередь, обеспечит в перспективе максимально возможную чувствительность измерения за счет преодоления стандартного квантового предела.

Под квантовыми коммуникациями подразумевают передачу информации, закодированной в квантовых состояниях элементарных частиц. Сегодня мы рассмотрим две главные причины, почему квантовые коммуникации нужно использовать уже сейчас: ▫ Одно из главных конкурентных преимуществ таких коммуникаций – оптимизация распределения ключевой информации и снижение транзакционных издержек в сетях с большим количеством узлов. Это достигается за счёт того, что ключи шифрования генерируются сразу на двух узлах. ▫ Второе преимущество такой связи, как мы с вами выяснили в прошлой публикации, в её абсолютной защищенности. И дело не только в защите передаваемых данных, но также в том, что уже сейчас злоумышленники могут начать записывать зашифрованный трафик, чтобы после появления квантового компьютера его расшифровать. Безусловно, многие организации сталкивались со скепсисом, который возникает при появлении новых технологий, причём сомнения возникали как со стороны бизнеса, так и криптографов. Однако стоит помнить, что потеря информации является критически опасной для банков или в сферах транспортировки нефти и газа и электроэнергетики.

С появлением полноценного квантового компьютера существующие методы криптографии могут быть подвержены взлому. В связи с этим существует потребность в новых способах шифрования данных. ▫ Синхронный – самый надёжный способ шифрования, но в то же время наиболее трудоемкий и дорогостоящий. Он предполагает предварительный обмен ключами шифрования. Именно такой способ используется в государственных информационных системах с повышенными требованиями к защите данных. ▫ Открытое распределение ключей – наиболее распространенный способ, который не предполагает предварительной передачи ключей. В его основе лежат односторонние математические функции, которые в настоящее время практически невозможно расшифровать, но именно системы с открытым распределением ключей будут подвергнуты опасности дешифровки со стороны квантовых компьютеров. ▫ Квантовое распределение ключей – это новый способ шифрования передаваемой информации. Он также не требует предварительного распределения ключей, но, по утверждению ученых-физиков, данные нельзя будет расшифровать с помощью квантовых компьютеров, поскольку устройства квантовых коммуникаций позволяют двум сторонам генерировать на расстоянии случайные двоичные последовательности (квантовые ключи), а попытка вторжения будет гарантировано обнаружена. Квантовая криптография – очень актуальная тема, которая была поднята и на пленарном заседании Форума будущих технологий «Вычисления и связь. Квантовый мир», в которой принимал участие президент РФ В.В. Путин. Большинство выступающих говорили о перспективах данной технологии и планах её внедрения. Как видите, новые технологии делают нашу с вами жизнь проще и комфортнее, но при этом они создают новые требования к обеспечению безопасности данных каждого пользователя.

Невероятно точные инструменты – одно из достижений квантовой физики. В одном из предыдущих постов, рассказывая о GPS, мы упомянули атомные часы. На сегодняшний день это самые точные часы в мире! Если бы они могли работать 60 миллионов лет, то отстали бы не более чем на 1 секунду. Атомные часы измеряют время благодаря очень точной периодичности энергетических процессов, происходящих на уровне атомов – значение, равное 1 секунде, принимается, когда ионы атомов щелочных и щелочноземельных металлов вибрируют определенное количество раз. Уже создан переносной вариант оптических часов, они на три порядка менее точны, чем лабораторные, но точно не хуже швейцарских. Возможно, в ближайшем будущем такие часы будут частью популярных сегодня фитнес-трекеров.