Научный дайджест. Выпуск №4

⇡#На острие российской науки

В первом «Научном дайджесте» мы достаточно много внимания уделили обзору состояния дел в российской науке. Последующие выпуски обходят стороной данную тему, но вовсе не потому, что мы перестали вести её мониторинг. Наоборот, количество источников информации даже увеличилось, но найти действительно интересные научные новости из России, близкие по тематике к нашему ресурсу, по-прежнему очень затруднительно.

Кадровые проблемы

Для начала несколько пессимистических ноток. По мнению директора департамента Фонда инфраструктурных и образовательных программ Елены Соболевой, в ближайшее время в России может сложиться ситуация, когда попросту некому будет заниматься техническими разработками и генерацией идей. Госпожа Соболева, ссылаясь на статистику Министерства образования и науки Российской Федерации, отмечает стремительное сокращение числа выпускников российских вузов, которые получили специальности в области физико-математических и естественных наук. Но это не самое страшное. Качество знаний абитуриентов, которые желают поступать на инженерные специальности, крайне низкое.

Согласно данным Центра оценки качества образования при Российской академии образования, отечественные школьники по уровню грамотности находятся ниже среднемирового уровня. В 2009 году по уровню математической подготовки школьники старших классов заняли всего лишь 38-е место среди 65 стран, в которых проводилось исследование. Впереди России оказались даже такие, казалось бы, не самые сильные в математике страны, как Португалия, Новая Зеландия, Макао, Исландия. По естественным наукам позиция России ещё хуже — только 39-е место. Очевидно, нужно срочно что-то менять в российских средних школах и в системе подготовки инженеров, иначе кадрового дефицита не избежать.

Ещё один химический элемент признан за нами!

Теперь о приятном. Международный союз теоретической и прикладной химии наконец официально признал приоритетность в открытии 114-го и 116-го элементов таблицы Менделеева за Объединенным институтом ядерных исследований в Дубне (ОИЯИ) и Ливерморской национальной лабораторией им. Лоренца (ЛНЛЛ), которая также принимала активное участие в исследованиях. По традиции первооткрыватели имеют право дать названия своим элементам. Итак, 114-й и 116-й элементы таблицы Менделеева отныне носят названия «флеровий» (Fl, flerovium) и «ливерморий» (Lv, livermorium). Флеровий получил своё название в честь Лаборатории ядерных реакций имени Флерова (Георгий Флеров — известный советский физик-ядерщик), а ливерморий, соответственно, славит ЛНЛЛ.

Отметим, ОИЯИ также синтезировал дубний и элементы с временными названиями унунтрий, унуноктий, унунпентий и унунсептий. Спорная ситуация в своё время сложилась с резерфордием и сиборгием. Российские ученые не сумели доказать, что именно они являются их первооткрывателями.

Вертолет-шпион из Магнитогорска

Хочется отметить интересные разработки России в сфере летательной техники, которые давно ведутся и кажутся перспективными. Но их развитие тормозит нехватка денежных средств. Как сообщает «Российская газета», изобретатель из Магнитогорска Вячеслав Третьяков сумел получить грант Еврокомиссии в размере 7 млн евро для создания опытного образца так называемого дрона — радиоуправляемого компактного вертолета с четырьмя винтами. В этой области развёрнуто множество проектов, но устройство Третьякова отличается от других тем, что оно может работать даже там, где теряется связь с центром. Такой дрон может оказать неоценимую помощь при авариях на АЭС, в горных тоннелях, в районах землетрясений, при лесных пожарах и других чрезвычайных ситуациях. Созданный аппарат защищен двумя европейскими патентами. Он умеет менять траекторию движения и высоту, не разворачиваясь, — за счет однонаправленного вращения винтов. В создании дрона Третьякову помогали коллеги из Уральского федерального государственного университета. Надеемся, внушительная сумма поможет в скором времени довести разработку до ума.

Уникальный тюменский самолёт ждет инвестиций

Ещё один не менее интересный проект, отмеченный грантом Еврокомиссии, — безаэродромный самолёт «БЭЛЛА». Исследование, разработка и постройка экспериментального образца проводились в течение более чем 10 лет доктором технических наук Александром Филимоновым, который является основателем и главой компании «Тюменьэкотранс».

Как утверждает сам разработчик, самолет может совершить взлет и посадку на любую ровную естественную площадку в любое время года. Он может двигаться в режимах самолета, аппарата на воздушной подушке, экранолета, а также совершать укороченный взлет и посадку. Такой самолет может оказаться бесценным в том случае, если нужно обеспечить транспортную связь между населенными пунктами, не имеющими взлетно-посадочных полос. Также он может использоваться министерствами обороны, внутренних дел, здравоохранения, МЧС.

Однажды Минтранс выделил деньги на создание опытного образца «БЭЛЛА», но этих средств оказалось слишком мало, и проект заглох. Возможно, 700 тысяч евро, предложенные Еврокомиссией, помогут сдвинуть дело с мертвой точки. Подробнее о проекте и характеристиках самолета можно почитать здесь.

⇡#На острие зарубежной науки

Побит рекорд дальности квантовой телепортации

Сразу вынуждены вас расстроить — квантовая телепортация не имеет ничего общего с тем одноименным понятием, которое так любят писатели-фантасты. На самом деле, в данном случае фотон не перемещается мгновенно на большое расстояние (он не перемещается и вовсе). Передаётся только информация о квантовом состоянии частиц, находящихся в состоянии квантовой запутанности (изменение характеристик одной частицы приводит к соответственному изменению их у другой). Ловкость рук, и никакого мошенничества!

В мае прошлого года группа китайских ученых зафиксировала рекорд дальности квантовой телепортации — 97 км. Но европейские исследователи смогли улучшить этот результат до 143 км. Эксперимент проводился на Канарских островах, информация передавалась между Ла-Пальма и Тенерифе с использованием двух оптических соединений — классического и квантового.

Для достижения такого результата исследователи использовали инновационные техники, такие как источник «частотно не коррелируемой и поляризационно запутанной» пары фотонов, а также детекторы одиночных фотонов со сверхнизким уровнем шума. По мнению экспертов, квантовая телепортация позволит организовать сверхнадежную систему связи со спутниками, которая будет отличаться практически мгновенной передачей информации и возможностью работать на очень больших расстояниях. Публикация, подробно описывающая данную систему квантовой телепортации, находится в свободном доступе для всех желающих.

Интерфейс для квантовых сетей

Эра квантовых компьютеров рано или поздно может наступить. Такое устройство само по себе представляет большой интерес, но новые необычные возможности могут открыться при объединении квантовых компьютеров в сеть. Для этого нужно разработать надёжный и эффективный интерфейс между ними и информационными каналами.

Ученым из Инсбрукского университета удалось продемонстрировать интерфейс между одиночным ионом и одиночным фотоном. Ион кальция был поглощен так называемой ловушкой Поля и помещён между двумя зеркалами с высокой отражающей способностью. Далее на ион воздействовали лазером, что привело к генерации фотона, который «запутан» с ионом. Запутанность между ними можно регулировать, изменяя частоту и амплитуду лазерного излучения.

Среди достоинств данной техники по сравнению с другими подобными разработками ученые отмечают высокую эффективность, которая может быть увеличена до 99%. Кроме того, данная система позволяет генерировать любое запутанное состояние. Ядром экспериментальной установки является оптический резонатор. Если вас заинтересовали детали разработки — публикацию, посвящённую исследованию, можно найти в журнале Nature. Её номер doi.1038/nature11120.

Квантовая память

Одним из вызовов, стоящих перед изобретателями на пути к созданию настоящего квантового компьютера, является проблема сохранения информации о состоянии кванта в памяти. Попытки создать квантовую память проводились неоднократно. Но память была либо довольно эффективной и при этом могла хранить информацию лишь короткое время, либо, наоборот, отличалась стабильностью и работала с малой эффективностью. Ученым из Китая и Германии, похоже, удалось объединить лучшие из этих качеств в одном устройстве.

Исследователи догадались использовать для хранения квантовой информации спиновые волны атомов. Распространение этих волн в группе атомов позволяет хранить заключенную в них информацию в течение требуемого периода времени. Экспериментальная установка включает магнитооптическую ловушку, в которой атомы вначале замедляются с помощью лазерного излучения. После замедления они удерживаются магнитами, которые представляют собой вертикальную треугольную конструкцию. Появление фотона вызывает спин, который распространяется на другие атомы, что приводит к появлению спиновой волны. Другой лазерный луч с такой же частотой, но противоположно направленной поляризацией отдаёт фотону информацию, которая изначально была сохранена. Новый метод позволил исследователям сохранить ячейку с информацией на протяжении 3,2 мс, при этом эффективность достигает 70-75%.

Результаты работы ученых опубликованы в журнале Nature Physics.

Микробы помогают робототехнике

Ну и напоследок хотелось бы разбавить сухое изложение далёких перспектив квантовых изобретений чем-то более реальным и простым для восприятия. Из множества интересных новинок робототехники мы выбрали разработку исследователей из Массачусетского технологического института.

Уже многие годы разные «робостроители» ломают головы над тем, как заставить группу роботов синхронно выполнять определённую деятельность с высокой эффективностью. Обеспечение коммуникации роботов с использованием различных видов сетей наталкивалось на одну неприятную проблему: сети имеют тенденции к созданию задержек при передаче информации, что может вызвать нарушение синхронной работы группы роботов. Некоторые изобретатели предлагали запрограммировать роботов на одну и ту же программу и запускать их одновременно. Но тогда случайное нарушение работы одного из роботов, например падение, ставит вопрос о том, как же ему синхронно продолжить движения вместе с остальными.

Оригинальное решение Патрик Бечон (Patrick Bechon) и Жан-Жак Слотайн (Jean-Jacques Slotine) подсмотрели у природы. Бактерии и некоторые насекомые используют так называемый механизм «чувства кворума» (Quorum Sensing). Ещё в шестидесятых годах прошлого века было сделано открытие, что микробы, которые ранее считались крайне примитивными созданиями, умеют обмениваться информацией. Бактерии продуцируют химические субстанции — аутоиндукторы. Эти субстанции связываются с рецепторами на поверхности мембран соседних бактерий и активируют внутрибактериальные сигнальные пути, под действием которых меняется поведение бактерий. Чем больше группа, тем больше таких «связующих» молекул образовывается, что позволяет каждому члену группы знать, какое количество ему подобных здесь присутствует и какой совместной деятельностью следует заняться в конкретно данный отрезок времени.

Ученые сформировали группу танцующих роботов, каждый из которых излучает данные о том, в какой точке рабочего цикла он находится в этот момент. Центральный компьютер прослушивает данные от всех членов группы, вычисляет некоторое усреднённое значение и отправляет его в среду, которая прослушивается роботами. Зная усреднённое значение, каждый из роботов постепенно приближается к нему, замедляя или ускоряя свои движения. Таким образом, даже если робот внезапно упал, это не составляет никакой проблемы. Вставая, он запросит у группы стартовую позицию. С большой вероятностью упавший робот вступит в танец с некоторой задержкой, но, благодаря вычислению усреднённого значения, все члены группы слегка замедлят свои движения, а отстающий ускорится, пытаясь догнать группу. Постепенно их движения синхронизируются без постороннего вмешательства. Смотрите сами.

Подробнее о синхронно танцующих роботах можно почитать в недавно опубликованной статье.

О чудесных изобретениях можно говорить ещё долго, но, к сожалению, пора прощаться. До следующего выпуска!