Просто космос!
Национальный центр физики и математики (НЦФМ) очень молод. Он создан по поручению Президента РФ в конце 2020 года в Нижегородской области в открытой части города Сарова. Сегодня основная задача — строительство лабораторных установок, спроектированных по последнему слову науки и техники, чтобы как можно быстрее получить научные результаты. Но уже сегодня есть работы, которыми исследователи могут гордиться: им нет равных в мире.
Какие прорывные проекты Национального центра физики и математики уже реализованы
Сегодня основная задача — строительство лабораторных установок, спроектированных по последнему слову науки и техники
Производительность системы близка к рекордной в мире — более пяти квадриллионов (5,3 на 10 в 15-й степени) бит в секунду. Это в сотни раз быстрее современных цифровых нейросетей на основе традиционных полупроводниковых компьютеров.
Систему разрабатывают специалисты Самарского университета им. Королёва в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ) при поддержке Госкорпорации «Росатом». Сборка экспериментального образца завершится до конца 2024 года.
Что это такое? Как могут фотоны — вычислять?
Систему разрабатывают специалисты Самарского университета им. Королёва в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ) при поддержке Госкорпорации «Росатом». Сборка экспериментального образца завершится до конца 2024 года.
Что это такое? Как могут фотоны — вычислять?
Свет вместо электричества
В обычном процессоре, на которых работают ваши компьютеры и телефоны, информацию переносят электроны, что кажется привычным и единственно возможным — а разве бывает иначе? Должно быть иначе, если вы хотите достичь действительно больших скоростей в обработке информации. Откроем страшную тайну: электроны по проводникам не бегают со скоростью света. Быстро, но только по человеческим меркам. Но что если информацию будут передавать и обрабатывать фотоны? Эти-то частицы по определению обладают световыми скоростями!
Конечно, построить фотонный процессор — значит полностью поменять идеологию процессора как такового. Вы не можете взять уже имеющиеся компоненты и заменить там электроны на фотоны. Во всем мире — строят, пытаются. Кто успешно, кто не очень. Россия — на передовых рубежах.
И первая разработка, о которой хочется рассказать, — аналоговая фотонная вычислительная система.
Фото: пресс-служба Самарского университета им. Королева
Фото: пресс-служба Самарского университета им. Королева
Представьте себе, что в жаркий летний день вы пытаетесь рассмотреть что-то далекое на горизонте в бинокль. Горячий воздух колышется, вы ничего не видите. С точки зрения физики вихри горячего (и холодного) воздуха — это, по сути, линзы и есть. Искажая траектории световых лучей перед оптикой вашего бинокля, они случайным образом меняют фокусное расстояние системы, и вы все видите нечетко.
А вот бы линзы бинокля меняли свои свойства в такт состоянию среды! Мечта? Да уже нет. Если вы видели фото с крупных обсерваторий, вы замечали, что от куполов с телескопами вверх идут лазерные лучи. Они щупают атмосферу. Подают сигнал, и параметры оптики меняются, подстраиваются под воздушную среду. Быстро-быстро. Вот в этом «быстро» и есть главная трудность. Надо точнее и быстрее.
А вот бы линзы бинокля меняли свои свойства в такт состоянию среды! Мечта? Да уже нет. Если вы видели фото с крупных обсерваторий, вы замечали, что от куполов с телескопами вверх идут лазерные лучи. Они щупают атмосферу. Подают сигнал, и параметры оптики меняются, подстраиваются под воздушную среду. Быстро-быстро. Вот в этом «быстро» и есть главная трудность. Надо точнее и быстрее.
Ведь это важно не только для астрономов. Главное применение — связь со спутниками. Другие системы оптической связи. В общем, такая оптика очень нужна.
Новая система, представленная учеными НЦФМ, делает это очень быстро. Да, это пока прототип. Но как здорово, что мы видим прорывную технологию в самом начале ее пути.
Новая система, представленная учеными НЦФМ, делает это очень быстро. Да, это пока прототип. Но как здорово, что мы видим прорывную технологию в самом начале ее пути.
Другая мощная разработка — адаптивная оптическая система с рекордно быстрым воздействием. А это что такое?
Вот летит фотон, на пути — элементарная частица, скажем, электрон. Скорее всего, они разминутся. Но могут и встретиться. И тут начинается магия. Фотон может потерять часть энергии. Влетал синим, вылетел красным (красные фотоны менее энергичные, нежели синие). Но тут хотя бы с точки зрения здравого смысла все понятно. А что если фотон, напротив, энергию нарастит? Откуда возьмет? Из энергии частицы, с которой он столкнулся.
И несколько слов — о перспективном источнике комптоновского излучения. Работа над ним еще ведется, но новости последуют очень скоро. А что это такое?
Все эти эффекты долгое время изучались в лабораториях и в теории. Появилась новая область науки — фотоника. Вот источник комптоновского излучения — это и есть устройство, которое стабильно и гарантированно, а не от случая к случаю и спонтанно, меняет свойства фотонов. Передовой край науки!
В переводе с научного языка речь идет о создании нейроморфного интеллекта. Не очень получилось перевести? А давайте прямо по словам. «Нейро» — мозг, «морфос» — образ, форма. То есть речь идет об искусственном интеллекте, который устроен, как мозг человека, а не как машина.
Научить машину работать как мозг человека
Скажем, вы встретили человека и тут же его узнали. Узнала его и машина — с помощью системы распознавания лиц. Но по-другому. Машина перебрала все лица, которые у нее в памяти. Очень быстро, но все. Нашла совпадение. Машина молодец. Но ваш-то мозг так не делал. Это было бы очень энергозатратно. Мозг применил приемы и способы, которые пока еще даже до конца не изучены. Говоря по-простому, это аналогии, ассоциации, но уж точно не простой перебор вариантов. Вот бы и машина так. С ее-то скоростью.
Для этого машине надо дать новые электронные мозги, а именно мемристоры - элементы электрических схем, которые имитируют работу наших «мозговых проводков» (синапсов — именно эти цепочки клеток передают нервный импульс от одного нейрона другому). Мемристор запоминает, какой электрический заряд пропускали через него. И если собрать мемристоры в мощную сетевую структуру, то в будущем можно будет обрабатывать объем информации значительно больше, нежели способен живой мозг.
Другой успех НЦФМ — разработка технологий создания мемристивных наноструктур.
1
2
Исследовать энергию будущего
Если атомная энергетика работает на реакции деления ядра, то термоядерный синтез — это когда два легких атомных ядра объединяются в одно тяжелое с высвобождением огромного количества энергии. Но для того, чтобы «зажечь» термоядерную реакцию, нужно знать свойства вещества: до какого давления и температуры сжать смесь, чтобы получить новое «Солнце»?
Еще в 2022 году ученые НЦФМ впервые провели прорывной эксперимент, в котором одновременно зарегистрированы сжимаемость, яркостная температура и массовая скорость плазмы гелия при давлении 2 миллиона атмосфер.
Еще в 2022 году ученые НЦФМ впервые провели прорывной эксперимент, в котором одновременно зарегистрированы сжимаемость, яркостная температура и массовая скорость плазмы гелия при давлении 2 миллиона атмосфер.
В этом году эксперименты продолжаются, результаты новых исследований будут известны к концу года, говорят ученые.
Изучение процессов, которые происходят при таких экстремальных условиях, необходимо, чтобы в один прекрасный момент реализовать мечту о чистой, безопасной и дешевой энергии.
Изучение процессов, которые происходят при таких экстремальных условиях, необходимо, чтобы в один прекрасный момент реализовать мечту о чистой, безопасной и дешевой энергии.
В активе НЦФМ исследования мирового уровня в области управляемого термоядерного синтеза — энергии будущего.
Результат получен благодаря применению российского взрывомагнитного генератора сверхсильных магнитных полей. Крайне интересно, что реальное поведение молекулы, которое впервые удалось наблюдать в эксперименте, серьезно отличается от теоретической модели. Это крайне важно не только для того, чтобы постичь свойства вещества. Углекислый газ активно участвует в физико-химических процессах в коре Земли, связанных в том числе с землетрясениями. Теперь исследователи получают возможность лучше понять, что происходит внутри нашей планеты — и других планет.
КСТАТИ
Недавно исследователи, работающие в рамках научной программы НЦФМ, сообщили о новом прорыве — но уже не с гелием, а с «сухим льдом» (твердой углекислотой). Впервые в мировой практике удалось сжать молекулу «сухого льда» вчетверо, это больше, чем давление, которое вещество испытывает в ядре Земли.
ИСТОРИИ УСПЕХА
Мы рассказали далеко не обо всем. Хотя и юный, НЦФМ уже живет полнокровной научной жизнью и реализует интереснейшие проекты. Если вы хотите стать частью новой российской науки, которая развивает лучшие традиции науки советской и по многим параметрам опережает мировые достижения, – то теперь вы знаете, куда идти.
Текст: Евгений Арсюхин.
Верстка: Дарья Костырина, Евгений Кучук.
Фото: пресс-служба НЦФМ.
Верстка: Дарья Костырина, Евгений Кучук.
Фото: пресс-служба НЦФМ.