Сверхпроводниковые квантовые технологии ❄️

Как г-н Рубликов и майор Криптоломов спасали деньги от алгоритма Шора В банке «Надёжный, как пароль 1234» утро началось тревожно. Г-н Рубликов, начальник отдела цифрового спокойствия, сидел в кабинете и смотрел на график курса рубля. График, как всегда, выглядел так, будто его нарисовала белка, попавшая в Excel. — Это ещё полбеды, — прошептал Рубликов. — А вот квантовые компьютеры… Он нажал кнопку внутренней связи. — Срочно майора Криптоломова из ФСБ! И чай. Нет, сначала майора. Хотя чай тоже срочно. Через пятнадцать минут в кабинет вошёл майор Криптоломов: строгий, квадратный и с таким выражением лица, будто он лично проверял энтропию Вселенной на соответствие ГОСТу. — Докладывайте, гражданин банкир. Рубликов развернул на столе распечатку статьи с заголовком: «Алгоритм Шора взломает RSA и уничтожит всё привычное». — Вот! — сказал он. — Деньги! Клиенты! Подписи! Межбанк! Если злоумышленник применит КК… — Кого? — насторожился майор. — Квантовый компьютер. — А, — сказал Криптоломов, чуть расслабившись. — Я уж подумал, какая-то новая криптобиржа. Они оба мрачно посмотрели на статью. — Значит так, — сказал майор. — Если алгоритм Шора умеет раскладывать большие числа на множители, то он может раскрыть закрытые ключи? — Именно! — кивнул Рубликов. — А если раскроет закрытые ключи, то деньги уйдут. — Куда? — В неизвестном направлении. — Это я не люблю, — сказал майор. — Неизвестное направление должно быть установлено заранее. Они решили немедленно обратиться к главному специалисту по непонятному — доктору физико-математических наук Непоседкину, который работал в Институте квантовой суеты и прикладной тревожности. Доктор Непоседкин встретил их в лаборатории. На столе у него стоял криостат, три кружки кофе, осциллограф и табличка: «Не трогать. Это либо эксперимент, либо обед». — Доктор, — начал Рубликов, — у нас чрезвычайная ситуация. Алгоритм Шора угрожает банковской системе. — Опять? — устало спросил Непоседкин. — В прошлом месяце он уже угрожал бухгалтерии, нотариату и школьному электронному дневнику. Майор положил перед ним распечатку. — Объясните просто. Может ли преступник завтра включить квантовый компьютер и украсть деньги? Непоседкин поправил очки. — Завтра? Нет. — Послезавтра? — уточнил Рубликов. — Тоже нет. — После майских праздников? — Если только украдёт обычным фишингом. Майор записал: «Фишинг — по-прежнему опаснее физики». — Смотрите, — сказал доктор. — Алгоритм Шора действительно красивый. В математическом смысле он как балерина с калькулятором: элегантно находит период функции, а потом через него раскладывает число на множители. Для RSA это неприятно. — Вот! — вскрикнул Рубликов. — Но есть нюанс, — поднял палец Непоседкин. — Чтобы взломать реальные банковские ключи, нужны не игрушечные кубиты, которые разваливаются от косого взгляда аспиранта, а огромное количество надёжных, исправленных от ошибок логических кубитов. — Логических? — переспросил майор. — Да. Потому что физические кубиты шумят. Они капризные. Один думает, что он ноль, второй — что он единица, третий — что он в суперпозиции, а четвёртый вообще требует грант. Рубликов нервно улыбнулся. — То есть текущие устройства… — Текущие устройства, — сказал Непоседкин, — могут показать маленькие демонстрации, научные прототипы, эффектные графики и повод для пресс-релиза. Но чтобы реально прогнать Шора на ключах банковского масштаба, надо ещё очень много инженерии, коррекции ошибок, стабильности, масштаба и терпения. — Сколько терпения? — спросил майор. — Больше, чем у службы поддержки банка в понедельник утром. Криптоломов задумался. — Значит, алгоритм есть, угроза теоретическая есть, но преступник с сегодняшним квантовым компьютером скорее взломает чайник, чем банк? — Если чайник использует RSA-2048, то тоже не взломает, — сказал доктор. — Но может испугать чайник презентацией. Рубликов облегчённо выдохнул. — Значит, деньги пока не украдут с помощью КК? — С помощью нынешнего КК — нет. С помощью письма «уважаемый клиент, срочно подтвердите пароль» — гораздо вероятнее. Майор резко повернулся к Рубликову. — А вот этим вы занимаетесь?

📝 Краткий чек-лист по последним тенденциям в области квантовых технологий. Часть 1 - про аппаратные платформы в отдельности и про тенденции развития железа в целом. 1. Аппаратные платформы - Сверхпроводниковые кубиты Сохраняют лидерство по зрелости экосистемы, скорости вентилей и числу доступных облачных устройств. При этом, фокус смещается от количества физических кубитов к качеству логических кубитов, коррекции ошибок и масштабируемой криогенной инфраструктуре. IBM в 2026 году заявила о крупных инвестициях для создания крупномасштабного отказоустойчивого компьютера к 2029 году. - Ионные ловушки Интерес к платформе обусловлен высокой точностью операций и большими временами когерентности. Однако, возможности ионов ограничены скоростью вентилей и трудностью масштабирования. Идёт ориентация на модульные архитектуры, фотонные интерконнекты и улучшение параллелизма. - Нейтральные атомы Одна из самых динамичных платформ: доступны большие массивы атомов, возможность реализации различных топологий в ловушке, высокий потенциал для квантовой симуляции и коррекции ошибок. В 2025 году появились заметные результаты по логическим кубитам и отказоустойчивым операциям на нейтральных атомах. - Фотонные платформы Важны для квантовой связи, распределенных вычислений и потенциально масштабируемых архитектур. Сильные стороны - работа при комнатной температуре, низкая декогеренция, естественная совместимость с коммуникационными каналами. Слабое место — потери фотонов и слабые эффективные нелинейности - Кремниевые спиновые кубиты, дефекты в алмазе Это более специализированные, но стратегически важные направления. Особенно заметен интерес к аппаратно-эффективной коррекции ошибок, например через коды коррекции с небольшим количеством проверок, где часть защиты реализуется на уровне физической степени свободы. 2. Сквозные аппаратные тренды Сдвиг от NISQ к коррекции ошибок Большее внимание уделяется реализации логических кубитов, возможным и эффективных кодов коррекции с большими кодовыми расстояния, сколь угодно долго живущим логическим кубитам и стоимости одного логического вентиля. Гибридные и мультиплатформенные стратегии крупные игроки уже не всегда делают ставку на единственную реализацию; например, Google Quantum AI начал добавлять нейтральные атомы к сверхпроводниковому направлению. Модульность и интерконнекты: Акцент на развитие вспомогательных объектов, таких, как фотонные связи, крио-CMOS электроника, распределенные процессоры, квантовый интернет. Квантовые сенсоры и коммуникации развиваются параллельно вычислениям: нужно отметить атомные часы, магнитометрия, гравиметрия, квантовое распределение ключей, постквантовая криптография.

Итак, отвечаем на поставленный вопрос ✍️ Андреевское отражение - это необычный способ, которым электрический ток проходит через границу между обычным металлом и сверхпроводником. В обычном металле ток переносят отдельные электроны, а в сверхпроводнике - куперовские пары, то есть связанные пары электронов, движущиеся согласованно. Поэтому на границе возникает вышеупомянутая проблема: как одиночный электрон из нормального металла может попасть в среду, где ток течёт не по одному электрону, а парами? Если энергия электрона меньше сверхпроводящей щели, он не может просто войти в сверхпроводник как обычная одиночная частица: там для него нет доступного состояния. Вместо этого происходит более тонкий процесс. Электрон из нормального металла как бы “подбирает” себе второй электрон с противоположным импульсом и спином, и вместе они добавляются к сверхпроводящему конденсату как новая куперовская пара. Но второй электрон не возникает из ниоткуда: он берётся из заполненных электронных состояний нормального металла. После того как этот второй электрон уходит в сверхпроводник, в нормальном металле остаётся его отсутствие - дырка. Именно эта дырка и отражается обратно от границы. Поэтому снаружи процесс выглядит так: к сверхпроводнику прилетает электрон, а назад возвращается дырка. Такое отражение называют андреевским. Оно не похоже на обычное зеркальное отражение, потому что дырка возвращается почти точно по траектории, по которой пришёл электрон; это называют ретро-отражением. Физическая суть процесса в том, что андреевское отражение согласует два разных способа переноса заряда. В нормальном металле заряд переносится одиночными электронами, а в сверхпроводнике - парами с зарядом (2e). Когда электрон превращается в отражённую дырку, в сверхпроводник фактически передаются сразу два электронных заряда: один от прилетевшего электрона и один от электрона, “забранного” из нормального металла. Поэтому андреевское отражение является механизмом, с помощью которого подщелевой ток проходит через границу нормального металла и сверхпроводника. При этом дырка летит обратно, но электрический ток, связанный с ней, направлен к сверхпроводнику, поскольку дырка имеет положительный заряд. Это одна из причин, почему явление кажется парадоксальным: квазичастица движется назад, а заряд в сумме переносится вперёд. Андреевское отражение тем самым показывает, что в сверхпроводящих структурах ток - это не просто поток отдельных электронов, а результат квантово-когерентного преобразования электронных состояний на границе двух разных фаз вещества. 👋

🥵 Задачка выходного дня. Допустим, что у нас есть контакт нормального металлического провода с проводом сверхпроводящим - так называемая NS-граница. Провода соединены последовательно и мы пропускаем по этим проводам ток при низкой температуре. Свободный электрон, носитель заряда в металле, подлетает к границе проводов и хочет перенести ток в сверхпроводник. Но в сверхпроводнике есть только куперовские пары, у которых отличается заряд - он равен 2е, а не е. Квазичастиц- свободных электронов в сверхпроводнике очень мало, потому что температура низкая. Перенося ток, надо бы соблюсти закон сохранения заряда и разные другие законы: просто "рождать" нужную пару электрон обычно не может. Вопрос: что же произойдет с этим электроном и каким образом течет ток через NS-границу?

Сегодня раскрываем смысл куперовских пар в сверхпроводниках. Часто говорят, что в сверхпроводнике электроны спариваются, образуя куперовские пары. В целом это верно, однако важно помнить, что куперовская пара - это не маленькая связанная молекула из двух электронов, а коллективная корреляция в электронной системе. В обычных сверхпроводниках такие пары сильно перекрываются друг с другом и образуют единое макроскопически когерентное состояние. В стандартной теории БКШ основное состояние сверхпроводника не имеет строго фиксированного числа куперовских пар. Его удобно записывать как когерентную суперпозицию состояний с разным числом пар. В этом смысле, пары в конденсате создаются и уничтожаются: это не означает нарушения закона сохранения заряда, а отражает то, что мы используем описание, в котором число пар не является "хорошим" квантовым числом. Ключевую роль здесь играет фаза коллективной волновой функции. В термодинамическом пределе, основное состояние можно рассматривать как вырожденное по этой фазе: разные значения фазы соответствуют различным состояниям с одной и той же энергией. Фиксированная фаза означает неопределённость числа пар, и наоборот: состояние с точно фиксированным числом частиц не имеет определённой сверхпроводящей фазы. Это проявление соотношения неопределённости между числом частиц и фазой. При этом из фазовых основных состояний действительно можно построить состояние с точно заданным числом куперовских пар - например, проецированием на фиксированное число частиц. Такое описание особенно уместно для полностью изолированного сверхпроводника, где полное число электронов строго сохраняется. Если же сверхпроводник связан с электромагнитным окружением, резервуаром или другими сверхпроводниками, то реализуемое состояние фактически определяется граничными условиями: окружение может фиксировать фазу, заряд или некоторую промежуточную комбинацию этих величин. Именно поэтому сверхпроводимость - это не просто «газ куперовских пар», а макроскопическое квантовое состояние с фазовой когерентностью. Эта фаза становится наблюдаемой не сама по себе, а через разности фаз, например в эффекте Джозефсона, квантовании потока и интерференционных явлениях. 👋

🔥 Адиабатические квантовые вычисления 🔥Часть 4 - Уйти нельзя остаться ранее - часть 1, часть 2, часть 3 Итак, продолжение нашей саги о квантовом отжиге! Нынче мы обсудим, в чем же проблема маленькой щели (см. картинку в Части 3). Для распутывания этой истории нам потребуется разговор об эффекте Ландау-Зенера, или туннелировании в энергетическом пространстве. Дело в том, что прохождение антикроссинга с расщеплением между уровнями 2*g сильно зависит от скорости движения через него, то есть от величины производной: E'(t) = dЕ(t)/dt = dE/dk* dk/dt, где Е - энергия уровня, k - некоторый изменяемый параметр (для кубитов - обычно, магнитное поле) t - время. Расчет динамики системы при таком воздействии показывает, что чем быстрее система "пролетает" антикроссинг, тем больше вероятность не оказаться на той же ветке, а буквально проскочить через расщепление на следующий уровень! Точнее, стартуя с нижней ветки, вероятность оказаться на верхней ветке после антикроссинга есть: P(g --> e) = exp(-πg²/ℏE'(t)) Выходит, что если Е'(t) - большое, а g - мало, то P = 1 - вы вообще не останетесь в нижнем состоянии, а "пролетите" расщепление насквозь. Если же система двигается медленно или расщепление очень широко, то P --> 0 Эта невозможность высокой скорости отжига при малости щели портит всю идею отжига. Действительно, малость возможных антипересечений предсказать довольно трудно, мы же идём из простого гамильтониана в сложный, меняя параметры, промежуточных состояний не знаем. И наш план-то заключался в том, чтоб начать из основного состояния простого гамильтониана, пройти через все подобные расщепления и оказаться в основном состоянии уже нового гамильтониана - и конечно, ценность любого расчета зависит от его скорости - быстрее надо бы посчитать все это! Получилось, что малость щели не очень то известна заранее, поэтому насколько медленно нужно ехать, меняя параметры - тоже заранее не известно. Велик риск закончить довольно далеко от целевого ответа, то есть, неправильно решить задачу 🤷

Сегодня отклоняемся от темы, но вот накипело как-то. Вы тоже страдаете от того, что постоянно и повсюду отличаете ИИшные тексты от человеческих? Преследует ощущение, что даже если автор берет в качестве черновика текст от железки, пытаясь затем причесать его, привнести что-то своё, сгладить неудачные сравнения, даже изменить грамматику - все равно не получается скрыть этот ИИ-шный каркас, иногда проглядывающий 1-2 раза за текст, иногда и вовсе торчащий всеми своими пружинами и железками в каждом втором обороте речи. По-видимому, с чрезмерным усложнением современных архитектур уже будет безнадежно пытаться понять точную логику того, как именно выстраивается текст в ответах от ИИ. Не являясь специалистом по LLM, выхватываешь общие слова, которые примерно описывают происходящее и которые ещё можно понять без плотного погружения в тему - переведение слов и конструкций в вектора, поиск сходств, внутреннее внимание, интерполяция, ну и в этом духе. Насколько это все близко человеческой речи, и каким образом в нашей голове из мыслей рождаются грамматические конструкции, как мы подбираем слова? Как-то вот кажется, что даже если прочитать все известные тексты, прослушав всю музыку - это не станет достаточным условием для того, чтоб человек мог порождать принципиально новые идеи, создавать какие-то новые культурные артефакты. С другой стороны, нас здорово щёлкнули по носу, показав, что многие умственные задачи не столь творческие, как нам казалось раньше.

Не все из наших авторов живут и даже бывают в России, но сегодняшний день совершенно точно на особом счету. Как сказал один умный человек:

- Прошлое никогда не умирает. Оно даже не прошлое.

В этом духе хотим всех поздравить с Днём Победы и пожелать выдержки, терпения, веры в лучшее и доброй памяти о не-прошлом. Ваш, авторский коллектив СКТ.

🪐 Квантовая запутанность Часть 2 - Найдем же запутанные состояния! Часть 1 - ранее. Настало время пристальнее взглянуть на то, какие именно состояния - запутанные. Для этого рассмотрим два кубита - кубит 1 и кубит 2. Каждый из них может быть не только в состоянии |0〉 или |1〉, но также и в любых суперпозициях: |ф〉 = |0〉 + α|1⟩ Здесь α - произвольное комплексное число, такое что 〈ф|ф〉 = 1 - условие нормировки, которое обеспечивает адекватную связь с вероятностями измерений. При пренебрежении глобальной фазой|ф⟩ (обычно ненаблюдаемой) все эти состояния образуют пространство, эквивалентное обычной сферe - ее также называют сферой Блоха. Обозначим эти пространства ℬ₁ и ℬ₂ , для каждого из кубитов. Как указано ранее, все возможные состояния этих двух кубитов, объединенных в единую квантовую систему, нужно описывать в пространстве ℬ = ℬ₁⊗ ℬ₂ . Итак, ℬ - комплексное гильбертово пространство размерности 4 с такими базисными векторами: |00〉 ≡ |0〉₁⊗|0〉₂ |01〉 ≡ |0〉₁⊗|1〉₂ |10〉 ≡ |1〉₁⊗|0〉₂ |11〉 ≡ |1〉₁⊗|1〉₂ Любое состояние двух кубитов |Ψ〉, не представимое в виде тензорного произведения любых векторов из ℬ₁ и ℬ₂ , то есть, |x〉₁⊗|y〉₂ - квантово запутанное. Самый известный пример запутанных состояний - состояния Белла. Для примера рассмотрим одно из них: |Ф⁺〉 =(|00〉 + |11〉)/⎷̅ 2 ... (определение) Предположим, что состояние |Ф⁺〉 - не запутано, тогда его можно было бы разложить: |Ф⁺〉 = |x〉₁⊗|y〉₂ = {разлагая множители по базису в своих пространствах} = ( a|0〉₁+ b|1〉₁ ) ⊗ ( c|0〉₂+ d|1〉₂ ) = ... ...= ac |00〉 + bc |10〉+ ad |01〉 + bd |11〉. Обратим внимание, что два из слагаемых — ad |01〉 и bc |10〉 — должны зануляться, по определению, данному нами для |Ф⁺〉. То есть, ad = bc = 0, что автоматически означает, что либо ab = 0, либо cd = 0 - подумайте, почему так, это простая логическая двухходовочка. А это уже означает, что одно из слагаемых в определении |Ф⁺〉 равно нулю - противоречие. Следовательно, от противного доказываем, что состояние |Ф⁺〉 - квантово запутанное. Понравилось? Хотите дальше такой формат, или слишком скучно/сложно/букв много?

Ученые из Кливлендской клиники, RIKEN и IBM использовали квантовые компьютеры IBMи два самых мощных суперкомпьютера в мире для имитации белковых комплексов, охватывающих до 12,635 атомов Работа стала крупнейшим моделированием биологически значимых молекул, выполняемых с помощью квантового оборудования, и сигнализирует о том, что квантовые компьютеры уже "созревают" в полезные расчетные инструменты, которые могут помочь решить фундаментальные проблемы в биологии, химии и науках о жизни. Результаты были достигнуты с помощью инновационного алгоритма, который оптимизирует совместную работу квантовых и классических компьютеров - фреймворк, известный как квантово-ориентированный суперкомпьютинг. Используя этот подход, команда зафиксировала поведение двух биохимически значимых белков, размеры которых примерно в 40 раз превысили прошлые достижения полугодовой давности. Кроме того, точность моделирования на ключевом этапе рабочего процесса улучшилась в 210 раз. Использование квантовых компьютеров в моделировании белковых комплексов, было мотивировано проблемами, с которыми сталкиваются сегодня исследователи при изучении того, как лекарство-кандидат может связываться с тем или иным белком - одной из самых сложных и дорогостоящих проблем в исследованиях в области наук о жизни. Современные методы решения подобных задач быстро перестают работать, когда молекулы увеличиваются в размерах. Точное изучение процесса связи на начальном этапе разработки лекарств может значительно сократить сроки разработки, которые в настоящее время составляют около десятилетия и требуют больших вложений. «Эта работа знаменует собой важный прогресс и подчеркивает новую роль квантовых вычислений в системах, имеющих отношение к открытию лекарств», - сказал Кеннет Мерц, доктор философии, ведущий автор исследования и штатный научный сотрудник кафедры вычислительных наук Кливлендской клиники. «Перейдя барьер в 12,000 атомов, мы значительно расширили масштаб биологически значимых молекулярных симуляций, возможных с помощью квантовых вычислений, и продемонстрировали основу для применения этих методов к научно значимым проблемам в более широком масштабе». «В течение многих лет квантовые вычисления были обещанием. Теперь квантовые компьютеры дают результаты, которые имеют значение для науки», — сказал Джей Гамбетта, директор IBM Research и IBM Fellow. «Системы, которые мы смоделировали здесь, — это молекулы, с которыми работают биологи и химики в реальном мире. Квантовые компьютеры уже давно не просто "жизнеспособные инструменты" - они подтверждают свою состоятельность при достижении значимых результатов в реальных задачах, требующих суперкомпьютерных подходов». В исследовании задействовано 2 QPU IBM на 156 кубитов, на которых запущено более 9000 квантовых цепочек общей продолжительностью исполнения более 100 часов.

Сегодня в формате TL; DR (фактически, не таком уж и редком для этого канала 🙃) начинаем разговор о квантовой запутанности, о которой иначе поговорить трудно. В этом, не побоимся этого слова, цикле публикаций мы постараемся выяснить, как получилось, что квантовая механика блестяще смогла описать явление запутанности, а теперь знающие люди пытаются приговаривать разные слова и объяснять запутанность так запутанно, чтоб волосы вставали быдлом дымом дыбом 🙊 Часть 1, в которой математика - царица наук Допустим, что половина наших уважаемых читателей что-то знают про квантовую запутанность, а другая половина хотя бы в научно-популярном омуте изредка бывала и что-то там слышала...🫠 Так вот, смахнем всякий флёр про нелокальность и дальнодействие, и начнем сразу с места в карьер - со строгого математического определения. Квантово запутанным будем называть такое состояние системы из двух квантовых объектов, которое не представляется тензорным произведением состояний этих двух объектов. Как видим, уж придется нам хотя бы на пальцах понять, что такое тензорное произведение ⊗ - так, кстати, оно обозначается. Прежде чем перейти к тензорному произведению, отметим, что почти наверняка вы знаете, что из себя представляет прямая сумма двух пространств, обозначаемая как ⊕. Наше родненькое трехмерное пространство R3 - это как раз прямая сумма R2 ⊕ R1. Это означает, что вам достаточно к координатам на плоскости приписать третью циферку - высоту - и получить наше R3. Эта операция абсолютно интуитивна для нас и ясна нам, даже если мы об этом ранее не задумывались. Суть тензорного произведения можно уяснить на примере простой ситуации: представьте, что у вас есть два разных набора данных (или характеристик), и вы хотите связать каждый элемент первого набора с каждым элементом второго - так, чтобы ничего не потерять и сохранить все возможные комбинации. Результат этой «связки» и будет тензорным произведением. Возьмём кинотеатр: первый вектор - ряды кресел: ряд 1, ряд 2, ряд 3. Второй вектор - это номера мест в ряду: место 1, место 2, место 3, место 4. Тензорное произведение — это полный список всех мест в зале: (ряд 1, место 1), (ряд 1, место 2), …, (ряд 3, место 4). Всего 12 уникальных комбинаций. Вы не просто складываете ряды и места, а создаёте все возможные пары. Тензорное произведение двух векторов даёт нам уже не вектор, а более сложный объект - тензор. Это понятие можно обобщить и на другие объекты: на картинке изображен граф, являющийся тензорным произведением двух графов. Тензорное же произведение пространств - это новое пространство на новых базисных векторах, каждый из которых является тензорным произведением исходных. Квантовые состояния неких "объекта 1" и "объекта 2" описываются волновыми векторами, которые принадлежат гильбертовым пространствам (далее - ГП), которые мы обозначим ГП-1 и ГП-2. Гильбертово пространство - это не страшно, этот объект по сути очень похож на наше обычное евклидово пространство с комплексными коэффициентами и некоторыми другими важными дополнениями, которые мы пока оставим за кадром (математики, не бейте за это, мы тут как обычно разводим физическую нестрогость). В частности, есть в ГП и аналог скалярного произведения. Так вот, по одной из аксиом квантовой механики, пространство, в котором живут состояния уже совместной системы (объект 1 + объект 2), является тензорным произведением ГП-1 ⊗ ГП-2. И сейчас главный ахтунг, внимание, эттеншн: вектор состояния в ГП-1 ⊗ ГП-2 может не представляться тензорным произведением векторов в исходных пространствах. То, что все базисные векторы представляются в качестве тензорных произведений базисных векторов исходных пространств - ещё не означает то, что любой вектор из нового пространства будет тензорным произведением каких то двух элементов Свыкнувшись с этой терминологией, мы можем подробно обсудить квантовую запутанность, чем и займёмся в следующий раз... 👋

🌪 Стоило чуть вспомнить про существование вихрей Абрикосова, как сразу возник огромный перечень интереснейших физических явлений, связанных с этими квантовыми объектами. Итак, когда магнитное поле проникает в сверхпроводник, оно не распределяется равномерно; вместо этого образуются квантованные вихри, каждый из которых несет один или несколько квантов магнитного потока - эти вихри мы и называем в честь первооткрывателя их структуры, нобелевского лауреата А.А. Абрикосова 🍑 Один из связанных с вихрями объектов - состояния Кароли–де Жена–Матрикона (Caroli–de Gennes–Matricon), обычно сокращаемые как CdGM состояния. Они представляют собой особые квазичастичные состояния, возникающие внутри кора вихря. В центре вихря находится область нормального металла, так как сверхпроводимость разрушается, в то время как вокруг вихря сверхпроводящая фаза изменяется на 2πn. Это создает крошечную область, где квазичастицы могут оказаться в ловушке, подобно стоячим волнам в потенциальной яме нанометрового масштаба. Физически эти состояния не являются обычными электронными состояниями, а представляют собой уровни для квазичастиц Боголюбова, которые сочетают в себе электронно-дырочный характер. Их энергии находятся внутри сверхпроводящей щели, где возбуждения обычно запрещены. В простейшей модели ядро ​​вихря действует как ловушка для квазичастиц, но барьер обусловлен пространственным изменением сверхпроводящего параметра порядка, а не электростатическим потенциалом. Предсказание теории состоит в том, что уровни в коре вихря расположены примерно на расстоянии Δ^2 / 2Ef, где Δ - сверхпроводящая щель, а Ef - энергия Ферми. Экспериментально состояния CdGM наиболее непосредственно изучаются с помощью сканирующей туннельной микроскопии и спектроскопии. Эти методы измеряют локальную плотность состояний заряженных частиц вблизи очень острой иглы, которая перемещается вокруг вихря. 🌟 Вдали от вихря спектр выглядит как спектр обычного сверхпроводника, с четкой щелью и пиками когерентности. Вблизи центра вихря эти пики когерентности подавляются, и появляются пики внутри щели, соответствющие связанным состояния квазичастиц. Во многих материалах уровни расположены слишком близко друг к другу, чтобы их можно было различить по одному, но иногда они могут проявляться и в виде отдельных пиков, что подтверждает наличие размерного квантования в коре. 👋

А вот так выглядят вихри Абрикосова в структуре, вытравленной из сверхпроводящей пленки ниобия толщиной в 200 нм. Синие области - сама пленка, большая зеленая область, включая квадратики - подложка без пленки, в которую проникает поле. А вот зеленые точечки внутри синей пленки - это и есть центральная часть вихря, так называемый "кор" (калька от англ. core). Более того, одни квадратики ярче других - так выглядит запиннингованный вихрь, то есть тот вихрь, кор которого попал в отверстие. Очень классная визуализация получилась 👍 Крайне интересен метод, с помощью которого они наблюдаются - магнитометрия при помощи упорядоченных ансамблей из NV-центров в алмазе (!). Этот способ достоин отдельной публикации, но если коротко - массив дефектов прецизионно измеряет магнитное поле около своего центра благодаря смещению частоты перехода дефектов - фактически, магнитный резонанс и проявляющийся в нем эффект Зеемана. 👋

🇺🇸 Квантовые вычисления. Квантовые компьютеры. Квантовые коммутаторы. США Cisco представила универсальный квантовый коммутатор для будущего квантового интернета Cisco Systems анонсировала исследовательский прототип «универсального квантового коммутатора», способного соединять в единую сеть квантовые компьютеры разных производителей. Устройство работает при комнатной температуре, использует стандартное телекоммуникационное оптоволокно и, по заверениям компании, решает одну из главных проблем квантовой связи: несовместимость систем, кодирующих информацию в разных форматах. Сегодня квантовые компьютеры создают на разных физических платформах - одни манипулируют ионами в вакууме, другие используют сверхпроводники. Кодирование обеспечивается также по разному, например, за счет поляризации света, временного сдвига импульсов, частоты или пространственного пути фотона. Системы, работающие с разными системами кодирования, не могли обмениваться данными без потери когерентности, то есть без того, что информация разрушается при попытке ее прочесть или преобразовать. В основе решения Cisco - конверсионный движок, который способен принять входной квантовый сигнал в любом формате, переводит его в единый внутренний формат для поляризации, а затем на выходе - в формат, понятный принимающей системе. Не совсем уж «в любом», поддерживается поляризация, временное окно, частотное окно и пространственный путь. Преобразование происходит без прямого измерения, которое бы разрушило квантовое состояние. То есть коммутатор как бы «перекладывает» информацию в реальном времени, не заглядывая в нее. Это считалось невозможным. Потери при преобразовании (в плане деградации квантовой информации) - не более 4%; скорость переключения - до 1 нс; потребляемая мощность - менее 1 мВт; рабочая температура - комнатная; тип используемого волокна - обычное, применяемое в телекоме. Зачем нужен конвертор? Сейчас создаются квантовые компьютеры с сотнями или даже тысячами кубитов, но принципиально интересными считаются системы с миллионами кубитами. Кто-то будет пытаться построить единый квантовый компьютер, кто-то займется созданием распределенной географически, но работающей как единое целое системы. Это как раз то, что выбрали в Cisco. Хотя распространение квантовых сетей ожидается не ранее 2030-х годов, прототипы могут быть созданы еще до этого. Коммутатор может, например, связывать в запутанное состояние несколько квантовых датчиков. И если в такую систему вторгнется злоумышленник или вредоносный ИИ, запутанность датчиков коллапсирует, мгновенно сигнализируя о вторжении. В Cicso квантовой темой занимаются комплексно, кроме коммутатора компания уже разработала квантовый чип запутывания, который генерирует пары запутанных фотонов, которыми обмениваются узлы связи. По данным компании, ее чип выдает около 200 млн пар фотонов в секунду. Также создан сетевой квантовый компилятор, который распределяет квантовые алгоритмы между несколькими процессорами с тем, чтобы оптимизировать их совместную работу. Прототип коммутатора уже испытали в полевых условиях, на маршруте Манхэттен-Бруклин протяженностью 17 км. Как ожидается, за 1-2 года в Cisco завершат процессы валидации и начнут переход от прототипа к коммерческому продукту. ✓ подписаться на канал, ✓ наши новости можно читать также на MForum и в ВК

Перспективные технологии в области физики и техники можно разделять на разные категории. Попробуем сделать это так: 🔤. Технология проработана, полный производственный цикл понятен, хорошо описан, и может реализовываться многими компаниями, можно просчитать юнит-экономику, после чего остается только завершить внедрение и получать добавленную стоимость; 🔤. Основные принципы технологии понятны, продемонстрировано, что она может приносить существенную выгоду, но имеются серьезные технические ограничения, мешающие осуществлять внедрение; реальные сроки полезного применения не ясны; 🔤. Имеется отдаленная перспектива полезных устройств, принцип работы которых формально изложен, но технические или физические ограничения столь существенны, что до сих пор не показаны даже прототипы; в этой ситуации даже не выходит рассуждать о возможном внедрении. Возможно, этот подход сильно упрощен, желающие могут посмотреть на списки УГТ/что там еще бывает, сделать некоторые сравнения. Но мы вот о чем: в современном инфополе часто бывает, что технологии из списка В преподносятся как стоящие на уровне Б или даже А, вводя таким образом в заблуждение общественность, точнее, ту ее часть, которая детально не знакома с обсуждаемой технологией. Обычно повод для этого - маааленький шажок в виде научной работы, суть которой состоит в демонстрации небольшого продвижения технологии уровня В. Это продвижение, вполне возможно, делает технологию немного ближе к уровню Б, однако, вряд ли одна работа может перевести целый подход или технологию из В в Б целиком. Что вы увидите в новостях по этому поводу: "Ученые впервые показали что такая-то технология достигает уровня А и скоро будет внедрена туда-то и туда-то." Либо вы специалист, полезете разбираться - а если нет, то вы, так же как и огромное число людей, будете думать о бесполезных (пока что) вещах как о чем-то крайне перспективном. Выводов не будет, но предлагаем взглянуть критически на разные популярные и нашумевшие технологии последних лет, попытаться отнести их к одному из наших классов, а потом посмотреть, а что же об этом пишут 🤷

🎙✍️ Авторы нашего канала дали интервью для портала Спарк, освещающего развитие квантовых технологий. Поговорили о физике сверхпроводниковых кубитов и о перспективах построения практически полезных квантовых устройств. Подписывайтесь на коллег! И на нас, конечно, тоже, если ещё не ☺️

🎉🎉🎉 С удивлением узнали, что сегодня, 14 апреля - всемирный день квантовых технологий. Никогда не догадаетесь, почему 🫠 Оказывается, постоянная Планка равна 4.135... · 10^-15 эВ · с, и если округлить, получится 4.14 🤷 Хоть с постоянной Планка в таких единицах работают, мягко скажем, далеко не все физики, но почему бы и не попраздновать🥳 Так что, хэппи квантум дэй 😁

Вот так выглядят сверхпроводники в таблице Менделеева. Сразу можно подметить, что: • большинство металлов сверхпроводит, из чего заключаем, что в среднем, сверхпроводимость - состояние не экзотическое, а естественное; • хорошие проводники - медь, серебро, золото - не сверхпроводят. Это обусловлено недостаточным взаимодействием электронов через фононы в этих материалах. • при большом давлении сверхпроводить начинают даже вещества, от которых мы и близко этого не ждем - кислород, мышьяк, сера. Для многих сложных веществ часто так же верно, что плохие проводники часто становятся хорошими сверхпроводниками. Все это наталкивает на вывод: наиболее значимый фактор, порождающий или угнетающий сверхпроводимость - структура кристаллической решетки, а не вид материала или его свойства при высоких температурах.

Джозефсоновский сверхпроводящий контакт часто появляется в наших разговорах, и давно пора показать его нашим уважаемым читателям, притом в виде технологического продукта. Процесс изготовления туннельного контакта пошагово представлен на схеме и предполагает: ✅ формирование маски на чипе с помощью процесса электронной литографии. Маска состоит не менее чем из 2 слоев полимера, и нижний слой более чувствителен к засветке электронами. ✅ При проявлении маски верхний слой даёт четкий ровный контур будущей структуры, а в нижнем слое формируется глубокий аркообразный растрав, позволяющий сделать... ✅ ...напыление металлической структуры под двумя углами с промежуточным процессом окисления, проходящим в напылительной камере без разрыва вакуума. Процесс окисления принципиально важен и формирует прослойку изолятора, толщина которого и определяет итоговые характеристики туннельного контакта. Результат изготовления такого субмикронного джозефсоновского перехода видим на изображении, полученном в растровом электронном микроскопе. Переход очень маленький, но отладка описанных техпроцессов позволяет достигать очень хорошей воспроизводимости параметров, с точностью до 1-2%. 👋

В Китае набирает популярность необычная онлайн‑игра «Симулятор зелёного перца». Её название - игра слов: сленговое обозначение молодого преподавателя («цинцзяо») звучит так же, как «зелёный перец».  В игре вы берёте на себя роль начинающего учёного и пытаетесь «продержаться» шесть лет. Именно за это время в Китае молодой исследователь обычно получает постоянную должность. Ваши задачи - искать гранты, публиковать статьи, набирать студентов, преподавать, выстраивать отношения с коллегами и сохранять психическое здоровье. Игра сводит сложную академическую реальность к набору показателей: проценту успешных заявок на гранты, срокам публикаций, дедлайнам. Даже если вы всё делаете «правильно», результат может оказаться вне вашего контроля - и это вызывает тревогу. Один из игроков попробовал действовать так, как поступил бы любой здравомыслящий начинающий исследователь: сосредоточился на заявке на грант, попытался опубликовать одну качественную статью и регулярно консультировал студентов. Но итог оказался неутешительным: грант не был получен, один из студентов бросил учёбу, а статья вернулась с требованием серьёзных доработок. При этом шкала психического здоровья в игре падала быстрее, чем росло количество публикаций. В соцсетях участники делятся лайфхаками для прохождения: советуют оптимизировать производительность, не тратить слишком много времени на наставничество студентов, выбирать «беспроигрышные» темы исследований, диверсифицировать источники финансирования, минимизировать количество встреч и контролировать уровень стресса. Примечательно не столько содержание советов (некоторые из них сомнительны), сколько то, что множество исследователей сразу поняли логику системы, которую моделирует игра. По данным China Science Daily, с момента официального запуска (16 декабря 2025 г.) по 8 января 2026 г. в игре приняли участие 600 тысяч человек. «Симулятор зелёного перца» отражает три важных урока из реальной профессиональной жизни учёных - и эти проблемы актуальны не только для Китая. Во‑первых, показатели становятся целью: когда вас оценивают по какому‑то критерию, он автоматически превращается в вашу главную задачу. Вместо вопроса «Хороший ли это вопрос?» вы начинаете спрашивать: «Будет ли это учитываться?». Во‑вторых, происходит подмена измерения смыслом: система поощряет цифры - количество публикаций, грантов, студентов. В погоне за показателями исследователи выбирают проекты не по их научной значимости, а по тому, насколько они «выгодны» с точки зрения экспертных комиссий. В‑третьих, игра наглядно демонстрирует роль случайности и связанной с ней тревоги: даже если вы делаете всё «правильно», неудача может настигнуть из‑за внешних факторов - неудачного рецензирования, отказа журнала или личных обстоятельств. Игра сжимает эти события в несколько кликов, но эмоции остаются реальными - возникает ощущение, что один неудачный «бросок кубика» может определить всю карьеру. Ещё один важный аспект - наставничество как невидимый труд. В игре обучение других сводится к быстрым действиям с небольшими бонусами, но в реальности всё иначе. Наставничество требует времени и эмоциональной вовлечённости: это сложные разговоры, поддержка в трудные моменты, разрешение конфликтов. При этом такая работа часто не учитывается в системе показателей и считается «отвлекающей» от «настоящей» продуктивности. Таким образом, «Симулятор зелёного перца» - не просто игра. Это зеркало, в котором молодые учёные видят свои страхи, вызовы и парадоксы академической системы. Она заставляет задуматься: как сохранить баланс между показателями и смыслом, между продуктивностью и человечностью? И главное, когда игра заканчивается, в реальной жизни нельзя нажать «Начать заново». По материалам