Oolite
Имя
Пароль
 Запомнить
Форум по OOLITE, современной реализации космического симулятора ELITE



Новая тема  Ответить    ↑↑↑Наверх
  Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии
Не в сети
Dangerous
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 09.10.11
Сообщений: 244
Откуда: Qitroomax, Qutiri
Вот такую красоту заснял недавно Хаббл (изображение вставить не могу, оно большое, поэтому ссылкой):
https://scx2.b-cdn.net/gfx/news/hires/2 ... captur.jpg
Видео тоже можно посмотреть:
https://www.youtube.com/watch?v=uS6yhSw2mlI
Кто не знает английского, хотя здесь это вряд ли, но вдруг: благодаря эффекту линзирования удалось в 50 раз приблизить галактику Sunburst Arc, расположенную в 11 млрд. световых лет от нас. Массивное скопление галактик, расположенное на расстоянии около 4,6 млрд. световых лет от нас, послужило той самой линзой, создав 4 оптических дуги с 12 отражениями далёкой галактики.


  5 примечательных научных достижений 2019 года
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
Поднимайте лицо из салата, друзья. Подведем итоги 2019 года. Субъективный рейтинг из пяти примечательных научных достижений.

1. Близкий взгляд на объект пояса Койпера.

Транснептуновый объект из пояса Койпера (486958) Аррокот находится на расстоянии 44 а. е. от Солнца, его орбитальный период равен 298 лет. На данный момент это самый удаленный объект Солнечной системы, который был рассмотрен в деталях земным зондом.
Крошечный объект был обнаружен с помощью космического телескопа Хаббл 27 июня 2014 года, за год с лишним до того, как зонд New Horizons совершил успешный пролет Плутона (14 июля 2015 года). Собственно, поиск с помощью КТХ был затеян именно для выбора научных целей New Horizons после Плутона, и первый такой объект был обнаружен через десять дней после начала поисков. Довольно долго объект был известен под временным индексом 2014 MU69 и неофициальным именем Ultima Thule. В качестве второй потенциальной цели рассматривался также обнаруженный с помощью КТХ более крупный транснептун 2014 PN70, однако в августе 2015 года окончательный выбор был сделан в пользу первого кандидата – коррекция траектории для его достижения требовала вдвое меньшего изменения скорости и соответственно меньшего расхода топлива. С 24 октября по 4 ноября 2015 года были проведены четыре коррекции траектории New Horizons, которые изменили скорость зонда в сумме на 57 м/с и направили зонд на траекторию пролета. 9 декабря 2017 года и 2 декабря 2018 года были проведены пятая и шестая коррекция траектории. 1 января 2019 года New Horizons сблизился с транснептуном 2014 MU69 на расстояние около 3500 км и успешно его сфотографировал длиннофокусной планетной камерой. Нынешнее официальное имя Аррокот (Arrokoth) объект получил 12 ноября 2019 года – на языке алгонкинов (группа племен североамериканских индейцев) это означает Небо. Весьма популярное слово из этого же языка, кстати – томагавк.
С расстояния 44 а. е. (примерно 6.6 млрд км) Аррокот выглядит как звездочка 27 величины. Никаких деталей поверхности даже с помощью КТХ увидеть с такого расстояния невозможно, но кривая блеска объекта указывала на его вытянутую форму. По счастью, 17 июля 2017 года Аррокот прошел перед слабой звездой в созвездии Стрельца и координированные наблюдения ее затмения из 24 пунктов на земной поверхности позволили воссоздать форму транснептуна – и как оказалось задним числом, довольно точно. Объект по форме напоминал снеговика, но по единственной контурной проекции было неясно – это все же один объект или экстремально тесная пара из двух небесных тел.
Снимки New Horizons однозначно подтвердили: объект состоит из двух лопастей с шейкой между ними. Прежнее имя Ultima Thule тоже пошло в дело: теперь это два имени по отдельности. Большая лопасть Ultima сплющена, ее размер 21.6х19.9х9.4 км, меньшая лопасть Thule более округлая, 15.4х13.8х9.8 км, она соединяется с Ultima в районе ее экватора. В Thule выделяется крупная депрессия диаметром 7...8 км и глубиной 0.5...1 км, но в целом поверхность Аррокота на удивление сглаженная, а большая лопасть Ultima явно выглядит так, как будто ее слепили из нескольких снежных шаров поменьше, но не спрессовали в единое целое окончательно. Массу и среднюю плотность Аррокота можно оценить лишь косвенно, так как спутников у транснептуна нет, а New Horizons пролетел слишком далеко от Аррокота, чтобы его гравитация заметно повлияла на траекторию зонда. Но судя по тому, что мы увидели, средняя плотность Аррокота можно оценить примерно в 0.2 г/см^3 – примерно как у сугроба свежевыпавшего снега.
Почему эти снимки так важны? Дело даже не в рекордном достижении. Ученым давно не терпелось увидеть вблизи хотя бы такой крошечный транснептун. Внешние окраины Солнечной системы за орбитой Нептуна – своеобразный заповедник времен формирования Солнечной системы 4.6 миллиарда лет назад. Во внутренней области Солнечной системы растущие из протопланетного облака зародыши планет подвергались интенсивной метеоритной бомбардировке и воздействию солнечного света. Искать здесь первичное вещество, оставшееся от протопланетной туманности, бесполезно. На внешних окраинах за Нептуном протопланетное облако было разреженным, а относительные скорости соударения формирующихся тел небольшими. К тому же поток солнечного света за орбитой Нептуна настолько слаб, что водяной лед не сублимирует в вакууме на протяжении геологических эпох, а по механическим свойствам лед при температуре чуть выше абсолютного нуля ведет себя как скальная порода.
Аррокот как раз слепился из первичного вещества и оно сохранилось практически в неизменном виде. Похоже, что на внешних окраинах Солнечной системы протопланетное вещество не бурно соударялось, как во внутренней плотной части протопланетного диска, а понемногу слипалось в рыхлые хлопья, а эти хлопья очень неспешно росли во что-то вроде рыхлых сугробов из водяного льда, твердого углекислого газа, пыли и прочих компонентов. Красноватый цвет поверхности Аррокота – это за счет примеси органики (толинов), которая образуется из метана под воздействием космической радиации. Строительные блоки, сформировавшиеся в локальном сгущении протопланетного диска, образовали тесную пару Ultima и Thule, которые со временем потеряли угловой момент за счет столкновений со всяким мусором, сблизились и соприкоснулись. Столкновением это даже не назовешь – судя по форме перешейка, относительная скорость сближения лопастей в момент их контакта не превышала 2...3 м/с.
Спасибо, New Horizons, и счастливого пути к звездам!

Снимок Аррокота с расстояния 6700 км. На снимке разрешаются детали размером примерно 135 м.


Вложения:
2014MU69_MVIC_cropped.png

  5 примечательных научных достижений 2019 года
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
2. Око Саурона

10 апреля 2019 года в Astrophysical Journal Letters была опубликована, пожалуй, самая знаменитая картинка года – силуэтное изображение сверхмассивной черной дыры в центре галактики M87, окаймленной светящимся кольцом газа. Поскольку журнал все же научный, а не комиксы, картинку сопровождали шесть статей с обстоятельным описанием способа получения изображения и его анализом. Картинка, конечно, размытая и по эффектности сильно уступает великолепному изображению черной дыры в фильме Interstellar, но теоретики довольны: общая теория относительности успешно прошла очередной тест.
Начнем с того, как удалось получить картинку.
Это не фотография, а картинка, синтезированная в результате наблюдений в радиодиапазоне на длине волны 1.3 мм. Угловой диаметр пончика на картинке равен 42 микросекунды дуги (примерно в тысячу раз меньше разрешающей способности современного поколения оптических телескопов). Чтобы получить картинку с таким высоким разрешением, использовали технологию радиоинтерферометрии со сверхдлинной базой (very long baseline interferometry, VLBI). Суть технологии в том, что сеть радиотелескопов, разнесенных на несколько тысяч километров, по разрешающей способности эквивалентна тарелке соответствующего диаметра. Реализация VLBI требует точной синхронизации радиотелескопов с помощью атомных часов. Но на самом деле там еще масса дополнительных требований к аппаратуре и не в последнюю очередь к состоянию атмосферы.
Для получения силуэтного изображения черной дыры была создана коллаборация Event Horizon Telescope (EHT). Наблюдения проводились 5, 6, 10 и 11 апреля 2017 года с использованием 8 радиотелескопов в 6 пунктах земного шара: APEX и ALMA в Чили (оба радиотелескопа расположены в пустыне Атакама с исключительно сухой атмосферой), LMT в Мексике, IRAM в Испании, SMT в Аризоне, JCMT и SMT на Гавайях, SPT в Антарктиде. Последний телескоп находится на Южном полюсе и M87 не видит, но его использовали для калибровки сети по квазару 3C279. Каждый радиотелескоп производил 350 терабайт сырых данных за день наблюдений, так что общее количество информационной шихты измерялось петабайтами. Обработка данных проводилась на распределенной сети компьютеров (grid computing) независимо в MIT и в Институте Макса Планка по двум неидентичным алгоритмам и заняла два года. Визуализация картинки была выполнена на последнем этапе работы, чтобы избежать произвольной отбраковки данных. Надо сказать, что с погодой в период наблюдений коллаборации исключительно повезло, но еще десять лет назад такой трудоемкий проект был попросту невозможен.
Что мы видим на картинке.
Темная дырка в пончике – это, собственно, не сама черная дыра, а ее теневая проекция на окружающий черную дыру горячий аккреционный диск. Диаметр видимой проекции черной дыры примерно в два с половиной раза больше, чем ее реальный диаметр, за счет гравитационного линзирования – искривления траекторий лучей света (в данном случае, конечно, миллиметровых радиоволн) в сильном гравитационном поле. То, что мы видим диск в виде пончика, а не чего-то похожего на кольца Сатурна – это тоже за счет эффекта гравитационной линзы: лучи от заслоненной черной дырой дальней части диска опять же искривляются, огибая черную дыру, и достигают наблюдателя на Земле. Эффект гравитационной линзы, кстати, красиво и аккуратно воспроизвели в фильме Interstellar – с научной точки зрения это самая достоверная часть блохбастера. Неравномерная яркость пончика – опять же гравитационная линза и релятивистский эффект фокусировки излучения: горячая плазма диска, которая обращается вокруг черной дыры на околосветовых скоростях, излучает в основном по ходу вектора скорости. А самая мякотка в том, что массу и соответственно размер сверхмассивной черной дыры в центре M87 астрономы определили другими методами (об этом чуть погодя) и полученная картинка замечательно совпала с компьютерными симуляциями.
Теперь стоит чуточку (по необходимости кратко!) рассказать про галактику M87 и про сверхмассивную черную дыру в ее центре.

M87, она же NGC 4486 – гигантская эллиптическая галактика, расположенная в центре Скопления Девы. Расстояние до M87 измерено несколькими независимыми методами и оценивается в диапазоне 52...55 млн световых лет. Диаметр M87 равен примерно 120 тысяч световых лет – на двадцать процентов больше, чем диаметр диска нашего Млечного Пути. Но так как M87 – сфероид, а не плоский диск, ее масса значительно больше. Массу M87 оценивают как минимум в 1.2 триллиона солнечных масс - вдвое выше массы Млечного Пути. Сейчас астрономы уже привыкли к тому, что большая часть массы галактик приходится не на звезды, а на темную материю. По осторожным оценкам, только одна шестая часть массы M87 приходится на излучающее электромагнитые волны вещество. По смелым оценкам, с учетом протяженного гало темной материи, в которое погружена M87, ее полная масса может в 200 раз превышать массу Млечного пути. В любом случае M87 – одна из самых массивных галактик в изученной нами части Вселенной.
Как и другие эллиптические галактики, M87 содержит сравнительно мало межзвездного газа, а ее звездное население представлено в основном старыми красными звездами. Примечательная особенность M87 – обилие шаровых звездных скоплений (шаровые скопления, кстати, очень старые объекты – их возраст соизмерим с возрастом Вселенной). Популяция шаровых скоплений M87 – примерно 12000 объектов. Для сравнения, с нашим Млечным путем связаны примерно 150...200 шаровых скоплений.
Первые признаки того, что в центре M87 происходит нечто необычное, были обнаружены за столетие с небольшим до получения картинки черной дыры, с которой я начал рассказ. В 1918 году Гебер Кёртис обнаружил на фотографиях M87 приметную деталь – прямой луч, исходящий из центра M87. А в 1947 году было обнаружено мощное радиоизлучение от галактики M87 и в каталогах космических радиоисточников галактика получила обозначение Virgo A. Надежную привязку Virgo A к M87 сделали в 1953 году, поэтому вы можете встретить и эту дату. А в 1966 году при запуске геофизической ракеты с рентгеновским телескопом был обнаружен опять же связанный с M87 рентгеновский источник Virgo X-1. В конце девяностых было обнаружено и гамма-излучение из центра галактики. Кропотливое сопоставление наземных и космических наблюдений позволило собрать детали мозаики.
Тонкий прямой луч, исходящий из ядра M87 – это релятивистский джет, то есть струя горячего ионизированного газа, которая выбрасывается из ядра с околосветовой скоростью. Сфокусированный джет прослеживается на расстоянии около 5 тысяч световых лет. Пробивая канал в окружающей среде холодного межзвездного газа, джет теряет энергию, расплывается и в конечном итоге превращается в обширную радиоизлучающую область, которая прослеживается на расстоянии до 260 тысяч световых лет от центра галактики. Радиоизлучающих областей две, что указывает на второй джет, который истекает в противоположную сторону, но второй джет мы не видим, так как он удаляется от нас и имеет низкую яркость за счет уже упомянутого ранее релятивистского эффекта фокусировки излучения по ходу движения.
Разумеется, астрономы никак не могли пройти мимо вопроса, что же именно находится в самом центре M87, тем более что быстропеременное гамма-излучение исходит именно оттуда.

Первые наблюдательные доказательства в пользу существования сверхмассивных черных дыр астрономы получили еще в шестидесятых годах.
В 1963 году астрономы обнаружили, что радиоисточник 3C273 совпадает на небе с голубым звездообразным объектом 13 звездной величины в созвездии Девы. В том же 1963 году Маартен Шмидт обратил внимание на необычный спектр объекта. Красное смещение линий спектра на 15.8% указывало на то, что объект удаляется от Солнца с высокой скоростью и находится на удалении миллиардов световых лет. С этим объяснением, правда, возникла серьезная проблема – квазизвездный объект должен иметь чудовищную абсолютную светимость, чтобы выглядеть столь ярким на таком большом расстоянии. Альтернативное объяснение – свет краснеет, выходя со дна гравитационного колодца очень массивного небесного тела – выглядело еще хуже и в конечном итоге Маартен Шмидт остановился на первой интерпретации. Время показало, что он угадал. По современным данным, расстояние до 3C273 равно 2.45 миллиарда световых лет, а его абсолютная светимость 4 триллиона солнечных. Прочувствуйте эту цифру. Некий компактный объект излучает поток энергии, в сотни раз превышающий полную светимость нашего Млечного Пути с его 200-миллиардным звездным населением. А то, что объект компактный, сомнений нет – характер переменности квазара указывает на то, что излучение исходит из области размером порядка светового года, а то и меньше.
В следующем 1964 году квазаров обнаружили уже четыре и в том же 1964 году Эдвин Солпитер и Яков Зельдович независимо предложили единственно возможное объяснение механизма генерации такого высокого потока энергии – падение газа на сверхмассивную черную дыру. Отбросьте все объяснения, противоречащие фактам, и то, что останется – то и будет истиной, какой бы невероятной она не казалось.
Гипотетическая черная дыра в 3С273 должна была иметь массу порядка сотни миллионов солнечных, чтобы обеспечить наблюдаемый поток энергии. Обычные черные дыры звездных масс при всей своей противоречащей здравому смыслу природе были открыты на кончике пера и в общем возможные механизмы их образования во Вселенной в наше время понятны. Но что касается вот этих бегемотов – к такому мировое астрономическое сообщество определенно не было готово. Сверхмассивные черные дыры, однако, хорошо объясняли не только излучение квазаров, но и выбросы релятивистских джетов из ядер активных галактик – в том числе и M87.
В начале семидесятых годов астрономы заинтересовались причиной аномальной дисперсии скоростей движения звезд в ядрах эллиптических галактик. Динамические аномалии можно было объяснить только концентрацием массы в центрах галактик – значительно большей массы, чем может дать обычное звездное вещество. В 1978 году изучение динамики движения звезд вокруг центра M87 дало первые указания на то, что в самом центре галактики сосредоточена масса порядка 5 миллиардов солнечных. Аналогичные свидетельства в пользу существования сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик были получены в 1984 году для туманности Андромеды и в 1988 году для галактики Сомбреро. Прямые наблюдения центра нашей Галактики затрудняет то обстоятельство, что мы живем практически в плоскости галактического диска и его ядро закрыто плотными облаками газа и пыли. Впечатляющий прогресс в этом направлении достигнут в последние годы методами инфракрасной астрономии, но еще в 1974 в центре нашего Млечного Пути был обнаружен компактный радиоисточник Стрелец A*.
В 1993 году после установки на космический телескоп Хаббла корректора, исправившего ошибку при изготовлении зеркала, были проведены измерения скорости вращения ионизированного газового диска в центре M87. Обработка данных, полученных КТХ, дала меньшую массу сверхмассивного центрального тела, примерно 2.4 миллиарда солнечных. Другие наблюдения давали оценку массы сверхмассивной черной дыры в пределах от 3.5 до 6.5 миллиардов солнечных. А то, что сверхмассивный объект в центре M87 – это именно черная дыра, а не скопление, скажем бурых карликов или чего-то еще не излучающего в видимом свете – в этом сомнений было все меньше.
Прямое измерение диаметра тени черной дыры проектом EHT – это контрольный выстрел. Черная дыра реально существует, и ее масса равна примерно 6.5 миллиардов солнечных. Радиус черной дыры при такой массе получается колоссальный – примерно 120 а. е. Сверхмассивная черная дыра всасывает в себя примерно одну солнечную массу за десять лет, а радиус окружающего ее аккреционного диска – примерно 25 тысяч а. е (почти половина светового года).

Сверхмассивная черная дыра в центре M87 – это не какой-то исключительно феноменальный случай в пределах обозримых сотен миллионов световых лет. И даже не рекордный. По состоянию на 20 декабря 2019 года M87 занимает тридцать пятую строчку в хит-параде, а возглавляет его квазар TON 618, удаленный на 10.37 миллиарда световых лет от Солнца. Черная дыра в центре TON 618 имеет массу 66 миллиардов солнечных.
Чудовищная видимая яркость квазаров, кстати – это эффект наблюдательной селекции. Джет из квазара 3C273 бьет почти точно в сторону Солнца, как луч зенитного прожектора. Если бы джет был направлен вбок, мы бы видели галактику с активным ядром вроде M87. И действительно, наблюдениями с помошью КТХ удалось обнаружить гигантскую эллиптическую галактику, окружающую квазар 3C273. Видимый блеск галактики равен 16 звездной величине и чтобы ее обнаружить, яркий квазар был закрыт маской коронографа.
Как внезапно оказалось, чуть ли не каждая приличная галактика обзаводится своей собственной сверхмассивной черной дырой. В центре нашего Млечном Пути тоже есть сверхмассивная черная дыра, правда довольно скромная – ее масса всего лишь 4.3 миллиона солнечных. Есть сверхмассивная черная дыра и в соседней спиральной галактике – туманности Андромеды. Туманность Андромеды довольно похожа по размерам и форме на Млечный Путь, похожи и населяющие их звезды. Но не в обиду патриотам, черная дыра в центре туманности Андромеды больше нашей – ее масса 230 миллионов солнечных. Тут они нас уели.

Как вообще могут формироваться черные дыры таких чудовищных размеров? И почему мы не наблюдаем черные дыры промежуточных масс в диапазоне от сотни солнечных масс до ста тысяч?
В принципе черная дыра звездной массы, если уж она сформировалась в центральном регионе галактики, будет расти за счет всасывания окружающего газа. На практике проблема в том, что скорость роста черной дыры ограничена двумя факторами. Во первых, прежде чем провалиться под горизонт событий черной дыры, падающее на нее вещество должно избавиться от избытка углового момента. Поэтому вокруг черной дыры формируется аккреционный диск. Вращаясь в аккреционном диске, газ сбрасывает излишек энергии в виде излучения, разогреваясь за счет вязкого трения, и по мере потери энергии приближается к горизонту событий черной дыры по спирали. Нечто похожее на аккреционный диск, кстати, вы регулярно наблюдаете, сливая воду из ванны – вода тоже не может провалиться прямо в горловину слива, а закручивается в воронку. Но вот тут встает в полный рост проблема номер два (я про черную дыру, а не про ванну). Вещество во внутренней области аккреционного диска разогревается до экстремально высоких температур и давление излучения противодействует гравитации. Именно давление излучения порождает джеты, бьющие по оси аккреционного диска с околосветовой скоростью. Пропускная способность горловины черной дыры ограничена пределом Эддингтона – темпом выделения энергии, при котором давление излучения уравновешивает силы гравитации. Зная величину предела Эддингтона, посчитать предельную скорость роста черной дыры несложно самостоятельно и у меня получилось, что черная дыра с начальной массой в 10 солнечных при обильном питании удваивает свою массу за 200 миллионов лет. Пропускная способность горловины черной дыры прпорциональна ее массе, так что за 2 миллиарда лет наша черная дыра с начальной массой 10 солнечных вырастет до 10 тысяч солнечных масс, за 4 миллиарда лет до 10 миллионов, а за 6 миллиардов лет до 10 миллиардов. Проблема в том, что у нас нет этих миллиардов лет – плотное газовое облако, питающее черную дыру звездной массы, максимум через десяток миллионов лет сконденсируется в молодые звезды и растущая черная дыра окажется на голодном пайке. Нынешний темп аккреции вещества на сверхмассивную черную дыру в центре M87 – одна солнечная масса за десять лет – явно недостаточен для ее формирования за время существования Вселенной.
Можно ли как-то обойти это затруднение?
Теоретики обсуждают два возможных сценария формирования сверхмассивных черных дыр.
Более консервативный сценарий трактует формирование сверхмассивной черной дыры как финальный этап эволюции большого плотного скопления массивных звезд в центре галактики. Взаимные гравитационные возмущения в таком плотном скоплении способствуют его дальнейшему уплотнению и при достижении критической концентрации начинаются каскадные столкновения звезд и слияния образующихся черных дыр, пока не остается единственная сверхмассивная черная дыра. Чтобы такой механизм работал эффективно, начальная масса звездного скопления должна быть большой, порядка миллионов солнечных масс – а это дает нам вполне разумное объяснение, почему мы не наблюдаем черные дыры промежуточных масс.
Более экзотический сценарий рассматривает образование массивных черных дыр при сжатии очень больших и очень массивных газовых облаков. Сверхмассивная квазизвезда, которая образуется при таком процессе, завершает свою эволюцию быстрым коллапсом без катастрофического высвобождения энергии и сопутствующего срыва оболочки, которое мы наблюдаем как взрыв сверхновой.
Обилие квазаров в удаленной от нас области наблюдаемой Вселенной и их относительно скудное количество ближе к Солнцу наводит на мысль, что условия в первый миллиард лет существования Вселенной благоприятствовали росту сверхмассивных черных дыр и они сформировались в основном именно за этот первый миллиард лет. Тут дело даже не только в том очевидном обстоятельстве, что в ранней Вселенной было больше газа в меньшем объеме. Сам газ был другим по составу – отгоревшие звезды еще не успели загрязнить его продуктами термоядерного горения. В этих условиях первое поколение звезд было более массивным и черные дыры возникали легче.
Наконец, не исключено, что в попытках решить эту загадку мы пользуемся перевернутой логикой. Сверхмассивные черные дыры могли образоваться в результате гравитационного коллапса неустойчивых областей Вселенной в первую секунду после Большого Взрыва и в этом случае именно сверхмассивные черные дыры своей гравитацией дали затравку для формирования первых галактик, а не наоборот.
Лично мне с дивана представляется, что в случае с гигантскими эллиптическими галактиками вроде M87 могла работать комбинация условий. M87 в процессе своего роста поглощала соседние галактики меньшего размера и их центральные черные дыры довольно быстро в астрономической шкале времени сливались в единую черную дыру. Процесс слияния черных дыр приводил к активному перемешиванию центральных областей растущей галактики, что в общем тоже благоприятствует росту черной дыры.

И напоследок о дальнейших планах колаборации EHT.
Почему для получения изображения была выбрана именно черная дыра в галактике M87, расположенная на расстоянии 53.5 миллиона световых лет, а не черная дыра Стрелец A* в центре Млечного Пути, до которой всего лишь 26 тысяч световых лет?
Радиус горизонта событий черной дыры прямо пропорционален ее массе. Черная дыра в центре Млечного Пути в две тысячи раз ближе, но примерно в полторы тысячи раз легче, так что видимый диаметр ее горизонта событий даже несколько больше. И действительно, наблюдения Стрельца A* тоже были проведены. Решающим стало вот какое обстоятельство: гравитационный радиус нашей черной дыры примерно 12 миллионов километров – 40 световых секунд. Следует ожидать, что характерное время жизни деталей аккреционного диска у такой черной дыры измеряется минутами. Большой абсолютный размер горизонта событий черной дыры в M87 означает, что характерное время изменения внешнего вида аккреционного диска уже измеряется сутками и можно сравнивать картинки, синтезированные на основании данных, накопленных за несколько сеансов наблюдений. И действительно, опубликованная картинка получена путем синтеза нескольких изображений, полученных в разные дни.
Ну и второе соображение – черная дыра в Стрельце A* сейчас находится в состоянии аномально низкой активности. Массу ее аккреционного диска оценивают на данный момент в диапазоне от 0.00001 до 0.0001 солнечных масс, а темп аккреции менее одной миллиардной солнечной массы в год. То есть источник сигнала от аккреционного диска Стрельца A* с учетом расстояния на два порядка слабее, чем от аккреционного диска активного ядра M87.
Сейчас коллаборация занимается повышением чувствительности инструментов и получение картинки черной дыры в центре Млечного Пути стоит в рабочих планах.
Хотя насчет Туманности Андромеды и галактики Сомбреро официальные планы не озвучены, я тут лежа на диване прикинул и получилось, что и их черные дыры в обозримом будущем в принципе можно попытаться увидеть.
Так что следите за новостями.

Инфографика
1. Галактика M87 с джетом. Снимок сделан с помощью КТХ. Для выделения джета использовали наложение картинок в видимом и инфракрасном диапазонах.
2. Тот самый пончик - силуэт черной дыры на фоне аккреционного диска.


Вложения:
Messier_87_Hubble_WikiSky-2.png

Black_hole_-_Messier_87_crop.png

  5 примечательных научных достижений 2019 года
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
3. Второй гость из дальнего космоса.

Никогда такого не было, и вот опять.
Встречайте второго гостя из межзвездного пространства.

Два года назад я уже писал об астероиде 1I/Оумуамуа, который вошел в Солнечную систему из межзвездного пространства. Там же я писал об огромном облаке межзвездных комет, выброшенных из родных систем при их формировании. Следовало ожидать новых гостей из дальнего космоса, и такой визит состоялся.
Комета 2I/Borisov была открыта 30 августа 2019 года и в момент обнаружения находилась на границе созвездий Рыси и Рака на расстоянии 3 а. е. от Солнца. Есть мнение, что в наше время роботизированных телескопов вроде Pan-STARRS, который покрывает снимками три четверти неба четырежды в месяц и подмечает любые изменения в положении или блеске объектов до 24 звездной величины, астроному-любителю на этой поляне больше делать нечего. Но оказалось, что это не так. Комету открыл российский астроном-любитель Геннадий Борисов в собственной обсерватории в Крыму с помощью телескопа собственной конструкции с апертурой 650 мм. Телескоп и частная обсерватория, конечно, находятся далеко за пределами бюджетных возможностей среднего любителя, но и здесь технический прогресс неоспорим – полстолетия назад пределом мечтаний для любителя астрономии из кружка при Доме пионеров был 150 мм ньютон с собственноручно изготовленной оптикой и механикой.
Комету удалось обнаружить задним числом на шести архивных снимках, сделанных в Паломарской обсерватории в период с 13 декабря 2018 по 5 мая 2019 года. Снимки позволили определить орбиту кометы. Орбита оказалась гиперболической – комета вошла в Солнечную систему со скоростью 30.7 км/с, побив предыдущий рекорд астероида 1I/Оумуамуа, который вошел в Солнечную систему из межзвездного пространства со скоростью 26.35 км/с. 8 декабря 2019 года комета Борисова прошла перигелий на расстоянии 2 а. е. от Солнца.
Сама по себе комета крошечная и вполне заурядная. Судя по фотографиям, сделаннным с помощью космического телескопа Хаббл, диаметр ядра кометы всего лишь около километра, так что эффектного зрелища не было – блеск кометы в момент ее обнаружения равнялся 17.8m, далеко за пределами возможностей любителей, предпочитающих наблюдать визуально. С помощью больших телескопов в спектре кометы обнаружили линию циана на длине волны 388 нм (ближний ультрафиолет), а также линию кислорода на длине волны 630 нм, что указывает на вполне типичный для кометных ядер химический состав – водяной лед с примесью прочих летучих соединений. Результат в принципе вполне ожидаемый – следует полагать, что процесс формирования комет в других звездных системах в общих чертах был тот же, что и в облаке Оорта нашей Солнечной системы.
Два объекта – еще слишком рано для уверенных рассуждений о величине популяции еще не открытых межзвездных странников, но начало положено.

Инфографика
На снимке КТХ 16 ноября 2019 года комета Борисова находится рядом с далекой спиральной галактикой 2MASX J10500165-0152029.


Вложения:
Comet_2I_Borisov_and_Distant_Galaxy_in_November_2019.png

  Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии
Не в сети
Dangerous
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 09.10.11
Сообщений: 244
Откуда: Qitroomax, Qutiri
Интересно, какими будут два оставшихся события 2019 года в мире астрономии :)


  Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
Намек понял. :) Четвертая тема масштабная, собираю материал, понемногу пишу. Да и пятая не так проста, как казалось бы.
На самом деле четвертая тема к астрономии имеет отношение только частично, а пятая так вообще весьма смутно и косвенно.


  5 примечательных научных достижений 2019 года
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
4. Первый день кайнозоя

66 миллионов лет назад разыгралась масштабная драма в геологической истории Земли. Событие известно как мел-палеогеновое вымирание. Вымерли не только динозавры. Вымерли также морские рептилии (мозозавры и плезиозавры), летающие ящеры (птерозавры), головоногие моллюски (аммониты и белемниты). Резко снизилось биоразнообразие как на суше, так и в океане – вымерли примерно 75% существовавших в то время видов живых организмов, включая всех млекопитающих крупнее крыс.
Вообще говоря, массовых вымираний в геологической истории известно пять и мел-палеогеновое вымирание не самое масштабное из них. Массовое вымирание на границе перми и триаса 252 миллиона лет назад уничтожило 96% морских видов, 74% видов наземных позвоночных и 83% видов насекомых. Собственно, именно массовые вымирания дают основания разделять историю Земли на геологические периоды. Катастрофы, какова бы ни была их природа, уничтожают прежнюю среду обитания и создают новую. Исчезновение целых семейств флоры и фауны освобождает прежде занятые экологические ниши и дает шанс занять их маргиналам, которые в ходе конкурентной борьбы были отодвинуты на второй план. Пермское вымирание начало мезозойскую эру – мир рептилий. Мел-палеогеновое вымирание мезозойскую эру завершило и начало кайнозойскую эру – мир млекопитающих.

Палеонтология как научная дисциплина выделилась из геологии. Не удивительно, что при попытках понять причины массовых вымираний палеонтологи склонялись в первую очередь к геологическим факторам. Такие процессы, как дрейф континентов или изменения уровня Мирового океана, хорошо отслеживаются и богато документированы. Некоторые случаи массовых вымираний неплохо вписаны в геологический контекст, но по большей части решающий фактор остается спорным. И похоже, что каждое массовое вымирание – это своя детективная история со своими ключевыми факторами.
В случае с мел-палеогеновым вымиранием с ведущим фактором вроде бы определились – удар астероида.
Сильные утверждения требуют сильных доказательств. Доказательства появились в 1980 году, когда научная команда – физик Луис Альварес, геолог Уолтер Альварес (отец и сын), а также химики Фрэнк Асаро и Хелен Майкл провели анализ образцов тонкого слоя глины, разделяющего мезозойские и кайнозойские породы. Глина содержала аномально высокие количества иридия – в сотни раз выше, чем в обычных образцах горных пород. Изначально Уолтер Альварес обнаружил необычный слой глины в окрестностях городка Губбио в Италии, но довольно быстро такой же слой аномально обогащенной иридием глины обнаружился в десятках мест по всему земному шару. Иридий – очень редкий на Земле металл, его среднее содержание в земной коре примерно один атом на миллиард. Метеоритное вещество, однако, содержит в 500 раз больше иридия – один атом на два миллиона. Такая колоссальная разница концентраций объясняется свойствами иридия – это металл химически инертный, очень тяжелый (тяжелее платины) и проявляющий сродство к железу, поэтому в процессе образования Земли практически весь иридий ушел на глубину и растворился в ее железном ядре. Аномальное обилие иридия в глине говорит о том, что в ней содержится примесь распыленного вещества внеземного происхождения. Зная среднюю толщину пласта глины, Альваресы прикинули общее содержание в ней иридия и получили диаметр ударившего в землю астероида около 10 километров.
Удар такого крупного небесного тела – событие пренебрежимо маловероятное в масштабах человеческой жизни, но в геологической истории Земли события такого масштаба происходили регулярно, примерно раз в несколько сот миллионов лет. И это не фантазийные домыслы – геологам известно на поверхности земной суши свыше 200 кратеров ударной природы, из них как минимум шесть диаметром свыше сотни километров. И такое событие своим масштабом на много порядков превышает все природные катастрофы, происходившие когда-либо на памяти человечества. У нас, по счастью, не было возможности сверить результаты компьютерных симуляций с практическим опытом. А симуляции предсказывают примерно такой ход событий.
Удар десятикилометрового астероида уничтожил все живое на расстоянии как минимум тысячи километров от точки падения интенсивной световой вспышкой и ударной волной. Но этим дело не ограничилось. Катастрофу усугубили раскаленные обломки горных пород, выбитые из кратера – их разлет на тысячи километров вызвал интенсивные лесные пожары и к пыли в атмосфере добавилась сажа. Удар и последующие пожары привели к выбросу в атмосферу Земли огромных количеств аэрозолей, которые на месяцы, если не на годы, ослабили доходящий до земной поверхности солнечный свет до такой степени, что наступила ударная зима. Температура на континентах упала на 25...30 °C, в поверхностных водах Мирового океана на 10...12 °C. Растительность на суше погибла от недостатка солнечного света и от резкого похолодания. Вслед за растениями погибли травоядные животные, а за ними – хищники. Океан обладает огромной теплоемкостью и замерзли лишь мелководные прибрежные акватории, но фотосинтез в океане тоже практически прекратился со всеми вытекающими последствиями для пищевых цепей.
Геологи и палеонтологи эти соображения выслушали и вежливо заметили “все это очень интересно, но покажите этот ваш ударный кратер”. В принципе вполне нормальная реакция. Специалисты вообще не сильно любят, когда люди со стороны без профильного образования с ходу берутся решать научные загадки, на которые были потрачены десятилетия кропотливого сбора и вдумчивого изучения данных.
Показать кратер оказалось непросто, потому что он по большей части скрыт под водой. В 1978 году геофизики Глен Пенфилд и Антонио Камарго составили карту магнитных аномалий акватории Мексиканского залива к северу от полуострова Юкатан. Сопоставив обнаруженные магнитные аномалии с гравитационными аномалиями, они обнаружили кольцевую структуру – по всем признакам, древний ударный кратер диаметром 180 километров и глубиной 20 километров, занесенный впоследствии толстым пластом осадочных пород (в наше время вал кратера находится на глубине несколько сот метров под морским дном). В то время ученые работали на мексиканскую нефтяную компанию Pemex и геофизические данные были собственностью компании, но Пенфилду и Камарго дали разрешение выступить на геофизической конференции в 1981 году. Палеонтологов на конференции не было и к тому же у Пенфилда не было на руках прямых доказательств – образцов горных пород с характерными признаками ударного происхождения, поэтому сообщение не вызвало особого интереса. Независимо от Пенфилда в том же 1981 году Алан Хилдебранд обнаружил, что мощность пласта обогащенной иридием глины максимальна в районе Карибского бассейна. Искать ударный кратер, оставшийся после астероида Альваресов, следовало по его мнению именно в этом регионе земного шара.
Удивительно, но Пенфилд и Хилдебранд установили прямой контакт лишь в 1990 году и еще более удивительно, что познакомил их любознательный репортер газеты Houston Chronicle Карлос Байарс. Что поделаешь, в наше время узкой профессиональной специализации наводить мосты порой приходится неравнодушным к науке дилетантам. На этот раз ученым удалось раздобыть образцы горных пород и ударная природа кратера Чикшулаб была надежно доказана. Методами радиоизотопного анализа был определен и возраст кратера 66 миллионов лет, прекрасно совпадающий с границей мела и палеогена. После чего консервативное научное большинство организованно отошло на заранее подготовленные позиции. Ну ладно, ударный кратер есть, но во первых, у нас есть сведения, что вымирание динозавров быле не насколько уж мгновенным, как представляют адепты астероидной гипотезы – упадок этой группы наметился еще до завершения мелового периода и некоторые динозавры протянули еще пару миллионов лет после завершения мелового периода и окончательно вымерли уже в палеогене. И во вторых, а как вы объясните, что катастрофа не убила птиц с их интенсивным метаболизмом? И как ухитрились выжить лягушки, чувствительные к загрязнению водоемов?
Надо заметить, что убедительно доказать или опровергнуть мгновенную гибель какой-либо группы организмов можно далеко не всегда. Меловый период так назван из-за обилия морского планктона с известковыми раковинами в тогдашних морях. После гибели планктона раковины накапливались в донных осадках и спрессовывались в пласты мела. И здесь картина вполне убедительна: ниже слоя глины – обилие раковин морского планктона, выше слоя глины - слой песчаника, в котором раковины представлены весьма скудно. Прежнее разнообразие и биопродуктивность мезозойских морей восстанавливается в начале кайнозоя лишь за время порядка 50 тысяч лет. Но вот с динозаврами – та еще морока: если ископаемая кость найдена в пластах горных пород на 2 миллиона лет моложе пласта глины, это означает лишь, что кость была вымыта и перезахоронена в более молодых отложениях. В случае с наземными позвоночными палеонтологические датировки обычно дают точность в лучшем случае порядка 10 тысяч лет. Сутки и тысяча лет для палеонтологической летописи – неотличимые мгновенья.
Неудобные для консервативного большинства факты все же накапливались и были выработаны условия почетной капитуляции. Астероидный удар был и нельзя отрицать его разрушительное воздействие на экосистемы, сложившиеся к концу мелового периода, но кризис биосферы назревал и удар астероида лишь ускорил неизбежную катастофу. Популярен, в частности, был такой сценарий комбинации критических факторов. Как раз к концу мелового периода наблюдалось усиление вулканизма на Деканском плато в Индии, которое привело к излиянию огромных объемов лавы – Деканских траппов. Сейсмический шок от удара астероида сфокусировался в антиподной точке земного шара – в те времена это как раз был район Деканского плато – и подстегнул вулканическую активность. Определенный резон в этой точке зрения есть – извержение таких объемов лавы несомненно добавило в атмосферу копоти. Но насколько этот дополнительный эффект был сопоставим по масштабу с пятнадцатью триллионами тонн пыли, пепла и сажи, которые были выброшены в атмосферу при ударе астероида, сказать трудно.
Водораздельной датой смены научной парадигмы можно считать март 2010 года. Международная группа из 41 ученого провела критический обзор литературы за последние двадцать лет и пришла к выводу о том, что именно удар астероида был причиной мел-палеогенового вымирания. Научные споры, конечно, никогда не решаются методом голосования или авторитетным вердиктом высоких комиссий, но примечательно вот что: в 1980 году гипотеза Альваресов была маргинальной гипотезой чужаков, которую научное сообщество в лучшем случае критиковало, а по большей части просто вежливо игнорировало. Три десятилетия спустя “полная чушь” стала “ну это же очевидно”.

Так что же такого произошло в этом вроде бы ясном вопросе именно в 2019 году, что редакция журнала Science включила в свою традиционную подборку научных прорывов года (их подборка больше моей, но я ограничусь лично мне интересной пятеркой)?
Появились интересные статьи с детальной рекострукцией как самого астероидного удара, так и его последствий.
Начнем с репортажа непосредственно с места удара.
В 2016 году в ходе 364 рейса Международной программы изучения океана исследователи провели подводные буровые работы в кратере Чикшулаб и получили разрез горных пород, позволивший восстановить события первого дня кайнозоя чуть ли не по минутам. Удар астероида пробил толстый слой осадочных пород, накопившихся на морском дне, и расплавил подстилающие гранитные породы. Вал кратера сложен из гранита, который в этом регионе земного шара залегает глубоко под осадочными породами. Затем на слой расплавленного гранита обрушился ливень раскаленных обломков, а потом океан хлынул в образовавшийся кратер, увлекая за собой гальку и песок. В течение нескольких часов после удара кратер был заполнен слоем гальки и песка толщиной около сотни метров, причем этот материал отсортировался по размерам, оседая с различными скоростями из водной толщи. Удар астероида поднял волну мегацунами высотой свыше сотни метров. Достигнув побережья, эта волна проникла на десятки километров вглубь суши. Затем отраженная волна вернулась, принеся с собой сажу и пепел лесных пожаров.
Теперь посмотрим, что произошло в тот день на расстоянии 3050 километров от центра катастрофы.
Геологическая формация Хелл Крик в Северной Америке – примечательное местечко, известное прежде всего обильными находками ископаемых остатков динозавров. Осадочные породы здесь образуют слой толщиной 90 метров, который образовался в течении двух миллионов лет как раз в интересующем нас конце мелового периода. Овраги Хелл Крик образованы руслами реки Миссури и ее притоков, которая в то время впадала в Западное Внутреннее море, разделяющее в меловом периоде Северную Америку на западный и восточный участки суши. Это была плодородная местность с субтропическим климатом с обилием речных русел и пойменных озер. И вот в Северной Дакоте, в слабоизученной до этого части Хелл Крик, обнаружили превосходно сохранившиеся остатки животных и растений, погибших в момент катастрофы. Пойменный лес был повален огромной волной, а морские и пресноводные животные вперемешку были выброшены на берег и накрыты потоками грязи и ила. Прямая волна цунами от удара если и дошла до Хелл Крик, то не раньше, чем через 18 часов после удара. Животных убили волны, возбужденные в водоемах сейсмическим шоком - сейсмическая волна дошла до Хелл Крик через шесть минут после удара. Примечательно, что в жабрах рыб содержатся тектиты – крошечные капельки застывшего стекла, которое образуется при распылении расплавленных ударом горных пород. Пыль, обогащенная иридием и тектитами, начала сыпаться с неба еще до прихода сейсмической волны, и за минуты до гибели водные животные дышали этой пылью. Катастрофа была опустошительной. Падальщики, которое обычно добираются до трупов задолго до палеонтологов, тоже погибли.
Катастрофа ударила и по морским экосистемам. Осадочные породы морского дна Карибского бассейна сложены известняками (карбонат кальция) с высоким содержанием гипса (сульфат кальция). В кратере Чикшулаб гипса нет. Тепловая энергия, выделившаяся при ударе, не просто испарила, а разложила эти осадочные породы. В атмосферу были выброшены огромные количества углекислого газа и диоксида серы. Кислотные дожди вызвали закисление океанской воды. В конце мелового периода воды Карибского бассейна кишели форамениферами – микропланктоном, который строит свои ажурные раковины из карбоната кальция. Непосредственно после удара астероида былое обилие и разнообразие морского планктона сводится к минимуму и в районе кратера Чикшулаб морские экосистемы восстановились спустя 30 тысяч лет. Примерно та же картина наблюдается и в других акваториях тогдашнего Мирового океана. Отдаленные последствия удара астероида сказывались на биопродуктивности Мирового океана в течение миллиона лет.
И все же жизнь – упорная штука. Прикончить ее непросто. Биосфера справилась с этим губительным ударом, и темпы ее восстановления удивили ученых. Раскопки в штате Колорадо позволили детально проследить историю восстановления одной из наземных экосистем на протяжении миллиона лет после катастрофы. До удара астероида этот уголок планеты был покрыт субтропическими лесами, в которых водились млекопитающие размером с енота (то есть с массой порядка пяти килограмм). После удара астероида пожары уничтожили леса и горельники заросли папоротниками. Примерно та же картина наблюдается и в наше время на вулканических островах в Индонезии: папоротники первыми занимают опустошенные извержением вулкана территории. После удара астероида леса были уничтожены практически на всей территории тогдашней суши и на протяжении первой тысячи лет после катастрофы в наземных биоценозах доминировали папоротники. Немногочисленные уцелевшие цветковые растения давали скудную пищу и выжившие млекопитающие были размером с крысу и массой до 600 грамм. Через тысячу лет папоротники сменились пальмовыми лесами. Пища стала более обильной и разнообразной, млекопитающие начали плодиться и увеличиваться в размерах. Через сто тысяч лет видовое разнообразие млекопитающих увеличилось вдвое и они снова достигли размеров енота. Еще через двести тысяч лет к семенам и кореньям добавились орехи. Новый источник пищи позволил млекопитающим набрать массу до 25 килограмм, то есть размером с бобра. И наконец через 700 тысяч лет после катастрофы широко распространились бобовые растения. Богатая белками пища была способна прокормить млекопитающих массой до 50 килограмм. Экосистемы восстановились, млекопитающие были готовы занять свое подобающее место в новом мире, и принялись обживать новые экологические ниши. Но это уже за пределами нашего рассказа.
Ну и небольшое замечание напоследок. Динозавры вообще-то не все вымерли. Динозавры были теплокровными и достаточно смышлеными тварями, и они были покрыты перьями, а не чешуей, как современные рептилии. Некоторые динозавры освоили полет и часть из этой группы динозаврав выжила.
Они живут среди нас.
Это птицы.


  Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
5. Квантовое превосходство
Часть первая

В октябре 2019 года мы наконец-то увидели зарю новой эпохи квантовых вычислений – возможно. А возможно, и нет.
Что именно прозошло? Группа физиков из компании Google сообщила, что их квантовому компьютеру удалось решить задачу, непосильную для обычных компьютеров. По их утверждению, квантовый компьютер потратил 200 секунд на решение задачи, на которую у обычного суперкомпьютера ушло бы 10 тысяч лет. Конкуренты из IBM заявили, что говорить о демонстрации квантового превосходства еще рано – оптимизированный алгоритм справился бы с задачей за два дня. Но в любом случае примечателен сам факт того, что квантовые компьютеры из фантастики стали инженерной реальностью. В связи с этим у дилетанта вроде меня возникает ряд вопросов. В чем вообще принципиальные отличия квантового компьютера от обычного? Как он устроен и как работает? Почему от квантовых компьютеров ожидают столь впечатляющей эффективности? Какие задачи будут им по силам из тех, что не по зубам нынешним компьютерам? Насколько продвинулась эта технология в инженерном плане и чего стоит ожидать в обозримом будущем? И наконец, в самом ли деле мы стоим на пороге новой революции или все это превратится в очередную утопию “вот через двадцать лет сами увидите”, как это уже произошло с управляемым термоядерным синтезом и полетом на Марс?
Попробуем разобраться. И постараюсь по возможности четко отделять то, чего я не понимаю в силу своего профиля образования от того, что толком не понимает почти никто.
Ну, давайте по порядку.
Хотя совсем по порядку не получится.

Классический компьютер обрабатывает информацию как набор битов, каждый из которых принимает одно из двух фиксированных значений – 0 ИЛИ 1. Квантовый компьютер оперирует с кубитами – квантовыми битами (quantum bit, q-bit). Кубит с некоторой вероятностью может находиться в любом из этих состояний.
Что из этого следует?
А следует вот что:

(…) квантовое пространство состояний обладает гораздо большей емкостью, чем классическое: там, где в классике имеется N дискретных состояний, в квантовой теории, допускающей их суперпозицию, имеется c^N планковских ячеек.

Ю. И. Манин. “Вычислимое и невычислимое”


Ну вот теперь простое, но неправильное объяснение, почему квантовые компьютеры могут быть столь эффективны.
Вернемся в эпоху восьмибитных машин. Восьмибитное слово может принимать одно из 2^8 = 256 значений. Если вам нужно перебрать все 256 чисел, чтобы сравнить их по какому-то критерию и выбрать нужное, то вам придется выполнить эту операцию 256 раз. Восьмикубитный регистр содержит все возможные значения восьмибитного слова и может обрабатывать их одновременно.
Если мы перейдем к современным десктопам с 64-битными процессорами, то 64-битное слово содержит уже 2^64 = 1.845*10^19 возможных значений, то есть теоретически один квантовый 64-кубитный регистр, содержащий одновременно все эти состояния, в пределе способен ускорить вычисления как раз на величину такого порядка. Вот вам и квантовое превосходство.
А теперь забудьте, что прочли предыдущие два абзаца. Квантовый регистр не находится во всех этих состояниях одновременно. Он может с некоторой вероятностью находиться в любом из этих состояний. Работать с этим океаном вероятностей как с обычным массивом чисел нельзя, потому что они ненаблюдаемы. При попытке считать состояние 64-кубитного квантового регистра происходит коллапс волновой функции вероятности и мы получим на выходе единственное 64-битное число.
Правильный ответ, как работает квантовый компьютер, выглядит примерно так. Возможным решениям задачи соответствует не набор чисел, а набор волн вероятности. Конфигурация ансамбля кубитов настроена так, что волны вероятности неправильных решений интерферируют и гасятся, а волна вероятности правильного решения усиливается. При считывании регистра эта усиленная волна вероятности коллапсирует и дает на выходе искомое число.
Нихрена не поняли? Ничего страшного. Это квантовый мир.

Чтобы квантовый компьютер стал инженерной реальностью, а не любопытной физико-математической абстракцией, нужно решить несколько весьма непростых задач.
Во первых, само собой, необходимо уметь записывать исходную информацию в квантовый компьютер, то есть приводить набор кубитов в нужную стартовую конфигурацию, и организовать управляемый поток логических операций – то есть контролируемо изменять состояние определенных кубитов. Ну и конечно, нужно каким-то образом считывать полученную финальную конфигурацию.
Во вторых, кубиты должны быть в состоянии квантовой запутанности, иначе никакого взаимодействия волн вероятности не будет и вы получите в лучшем случае очень сложный и дорогой аналоговый компьютер, а в худшем случае – очень сложный и дорогой аппарат для генерации случайных чисел.
В третьих и как бы не в главных – нужно исключить любые внешние воздействия, которые могут привести к изменению состояния кубита. В случае классического компьютера нештатное переключение отдельной ячейки памяти не оказывает влияния на соседние ячейки, поэтому такие события можно обнаружить и изолировать. В случае квантового компьютера любое внешнее воздействие, изменившее состояние одного кубита, приведет к преждевременному коллапсу волновой функции всего ансамбля кубитов.

Как реализовать квантовый компьютер в реальной реальности? На что он может быть похож?
В принципе на роль кубитов годятся любые объекты с квантовым поведением: твердотельные квантовые точки, электроны, ионы, атомы и даже фотоны. Запись и считывание информации может происходить с помощью управляемого внешнего электрического потенциала, магнитного поля, лазерного излучения. Какая именно технология выстрелит в будущем, сказать пока сложно. Поначалу физики экспериментировали в основном с системами, использующими эффект ядерного магнитного резонанса (ЯМР), но на данный момент, как я понял, наибольшие успехи достигнуты с использованием микроскопических сверхпроводящих контуров с джозефсоновскими переходами – нулю и единице соответствует направление тока по часовой стрелке или против. Технология промышленного изготовления таких квантовых чипов будет иметь много общего с освоенными технологиями нынешних транзисторных чипов. Как и нынешние компьютерные чипы, квантовые чипы имеют плоскую архитектуру – кубиты расположены в виде двухмерной сетки и контакты между ними можно включать и выключать. Возможно, будущие квантовые чипы будут иметь объемную архитектуру, как нейронная сеть головного мозга, но пока так.

Если посмотреть на хронологию достижений в квантовых вычислениях, то вплоть до конца прошлого столетия шла в основном теоретическая подготовка к штурму проблемы. Считается, что идею квантовых вычислений впервые высказал советский математик Юрий Манин в 1980 году, но если заглянуть в его книгу “Вычислимое и невычислимое”, из которой взята цитата, то можно увидеть, что проблеме вычислимости квантовых систем посвящена всего пара абзацев общего плана на 15 странице предисловия, а сама книга совсем не про это. А вот доклад Ричарда Фейнмана Simulating Physics with Computers на конференции MIT в 1981 году – подробный и обстоятельный разбор принципиальной возможности симуляции квантовых систем. Там куча математики, которую я не понимаю, но в общем вывод такой: для адекватной симуляции квантовых систем нужен компьютер, представляющий из себя квантовую систему.
Чрезвычайно важный вопрос, который был подробно исследован теоретически, прежде чем браться за инженерную реализацию квантового компьютера – какие конкретно задачи квантовый компьютер способен решать не просто быстрее классического компьютера, а настолько быстрее, что это окупит возню? И к большому разочарованию адептов грядущей безграничной вычислительной мощи оказалось, что таких задач не сильно много. В принципе квантовый компьютер способен решить любую задачу, которую может решить классический компьютер (опустим пока оговорку “за разумное время”) и наоборот. Но увы, проблема в том, что из огромного множества вычислительных алгоритмов квантовый разгон удается применить лишь к довольно малочисленной и специфичной группе алгоритмов. Конкретно это симуляция квантовых систем (о чем как раз говорил профессор Фейнман) и задачи, сводящиеся к перебору вариантов. Не удивительно, что говоря о ближайших перспективах квантовых вычислений, работающие в этой области специалисты говорят в первую очередь о криптоанализе. И в частности, алгоритм Шора – один из самых известных квантовых агоритмов – это алгоритм разложения числа на простые множители, теоретически позволяющий взламывать криптографические системы с открытым ключом. Открытый ключ – это произведение двух простых чисел. Зная множители открытого ключа, можно взломать шифр. Но вот как раз с виду простая задача нахождения простых множителей большого числа при достаточно большой длине ключа за разумное время не решается, так как время перебора вариантов с ростом длины ключа растет не линейно, а по экспоненте. Другой популярный алгоритм – алгоритм Гровера – также решает задачу исчерпывающего поиска среди множества возможных решений. Алгоритм Гровера по скорости работы уступает алгоритму Шора, по применим к более широкому классу задач – с его помощью можно, к примеру, найти экстемум целочисленной функции или совпадающие строки в большой базе данных.

Эксперименты в железе начались в конце девяностых годов. Если смотреть на чисто количественные параметры, то поначалу темпы прогресса в этом плане не сильно впечатляли. Первая экспериментальная ЯМР-система из двух кубитов была создана в 1998 году и в том же году был создан первый трехкубитный ЯМР-компьютер. В 2000 году был создан пятикубитный и в том же году семикубитный ЯМР-компьютеры, а в 2001 году квантовый компьютер применил алгоритм Шора для разложения числа 15 на простые множители (ответ, если, что, я и без квантового компьютера вам скажу). Но на самом деле в это время велась интенсивная работа по освоению новых технологий. В 2006 году был создан 12-кубитный компьютер, а вот в 2007 году произошло нечто интересное и, по правде говоря, загадочное.
Эксперименты с демонстрацией квантовой запутанности даже на простейшей системе из двух кубитов – это высший пилотаж экспериментальной физики: установка охлаждается до температуры порядка десятка милликельвин и тщательно изолируется от внешних магнитных полей. В общем, квантовый компьютер по уровню экспериментальной сложности и по требованиям к квалификации занятого в проекте персонала – это уникальный инструмент, а не изделие для конвейерной сборки. И тут внезапно в длинном списке прорывных достижений года появляется канадская компания D-Wave Systems с 28-кубитным квантовым компьютером, работающим на принципе квантового отжига. Дальше все чудливей и странноватей. В 2008 году D-Wave Systems заявляет об успешном создании 128-кубитного квантового компьютера, а в 2011 году выходит на рынок с первым коммерчески доступным компьютером D-Wave One. В 2012 году компания создает 512-кубитный квантовый компьютер Vesuvius, а в 2013 году выходит с ним на рынок. В 2015 году компания сообщает о преодолении барьера в 1000 кубит, а в 2017 году уже предлагает коммерческий образец 2000-кубитного квантового компьютера D-Wave 2000Q.
Вы понимаете, что происходит? Я – нет. Квантовый чип Sycamore, на котором по заявлению Google было продемонстрировано квантовое превосходство, состоит из 53 кубитов. За год до этого, в 2018 году, в Google анонсировали создание рекордного 72-кубитного чипа Bristlecone, но по каким-то причинам этот опытный образец, похоже, не оправдал ожидания. Схожие результаты и у конкурентов. В том же 2017 году, когда D-Wave Systems анонсировали свой 2000-кубитный D-Wave 2000Q, в IBM работали над 50-кубитным компьютером, а в октябре 2019 года, как раз когда Google оповестили мир о своем историческом достижении, самый большой квантовый компьютер IBM содержал 53 кубита – столько же, сколько гугловский Sycamore. Intel в 2017 году работали над опытным 17-кубитным чипом, а в 2018 году создали опять же опытный 49-кубитный чип Tangle Lake. И кстати, IBM в 2019 также вышли на рынок со своим коммерческим решением IBM Q System One. И знаете, сколько кубит в этой машине? Двадцать. В общем, при взгляде с дивана определенно представляется, что все крупные игроки на этой поляне уперлись в серьезнейшую проблему масштабирования и теперь пытаются ее решить. Все, кроме D-Wave Systems, которая каким-то образом взяла этот барьер с разгона и теперь наращивает мощность своих квантовых компьютеров в соответствии со знаменитым законом Мура. На середину 2000 года в планах компании квантовый процессор следующего поколения Pegasus с более 5000 кубитов. Новый процессор будет иметь не просто больше кубитов, а более сложную архитектуру. Каждый кубит в чипе D-Wave 2000Q, физически связан с 6 соседними кубитами. В чипе Pegasus количество связей планируют увеличить до 15.

Между нынешними квантовыми компьютерами и первыми классическими есть занимательное сходство. Первые ламповые компьютеры были очень сложными по тогдашним временам и очень дорогими устройствами, доступными лишь крупным организациям с финансированием из государственного бюджета. Если смотреть на D-Wave 2000Q под этим углом, то тут все в порядке. Сам по себе квантовый чип крошечный, но устройство в целом – это корпус высотой 3 метра и объемом 20 кубических метров. В корпусе находится оборудование, охлаждающее чип до температуры 15 милликельвин и экранирующее его от внешних воздействий. Не машинный зал длиной 30 метров и площадью 167 квадратных метров, как для лампового компьютера ENIAC, запущенного в эксплуатацию в декабре 1945 года, но размер изделия D-Wave где-то с торговый киоск. Объявленная производителем цена устройства – 15 мегадолларов, для провинциального университета цена неподъемная. В списке известных покупателей квантовых компьютеров D-Wave – Lockheed Martin, NASA, Google, Los Alamos National Laboratory, NSA и компания Temporal Defense Systems, которая занимается вопросами кибербезопасности. Серьезные игроки с крепкой государственной поддержкой.
Между нынешними квантовыми компьютерами и первыми классическими есть и очень важные отличия. Во первых, ENIAC изначально проектировался для рещения вполне конкретной инженерной задачи - вычисления баллистических таблиц. Во вторых и возможно в главных, возможности ENIAC этой важной, но частной задачей не ограничивались – машина была использована в частности для расчетов практической осуществимости термоядерного оружия. ENIAC несмотря на весьма скромные по нынешним меркам возможности был полной машиной Тьюринга, в принципе способной реализовать любой вычислительный алгоритм (опустим опять же оговорку – за разумное время) и пригодной для решения множества инженерных и научных задач. А что нынешние квантовые компьютеры? На данный момент это устройства, специализированные на выполнении весьма специфичной категории задач. И более того, пока что убедительные результаты возможностей квантовых вычислений достигнуты при реализации алгоритмов, максимально неудобных для классических компьютеров. Если проводить опасную аналогию с классическими компьютерами, то квантовые чипы – это не процессоры общего назначения, а скорее аппаратные ускорители.
Возьмем ту самую задачу, на которой Google доказала квантовое превосходство. Задача с подвохом. В чем ее суть? Если бы кубиты в чипе не находились в состоянии квантовой запутанности, то чип генерировал бы случайную последовательность чисел. Квантовая запутанность приводит к тому, что между состояниями кубитов возникают корреляции и в полученной последовательности чисел возникают предсказуемые аномалии. Расчет этих аномалий, однако, слишком сложен для обычного компьютера. Уловили изящество рекурсии? Чип, предположительно реализующий эффект квантовой запутанности, делает расчеты аномалий, указывающих на наличие квантовой запутанности. Можно сказать даже, что никаких расчетов аномалий квантовый компьютер не делал, а ребята из Google просто провели натурный эксперимент на квантовой системе. В Google такую критику предвидели и провели контрольные опыты, в которых количество связей между кубитами было ограничено и характер возникающих аномалий можно было рассчитать на обычном компьютере.
Ну ладно, задачка Google – это учебное упражнение без какой-либо практической пользы, Hello world квантовых вычислений. Может быть, есть примеры практически полезных или теоретически интересных решенных задач? Ну как сказать. Список практических достижений в области квантовых вычислений – это пока что почти исключительно вещь в себе: демонстрация работы алгоритмов квантовых вычислений, освоение и улучшение новых технологий, которые, возможно, будут использованы для производства квантовых компьютеров в будущем. Если посмотреть на достижения, интересные специалистам за пределами этой весьма специфичной области экспериментальной физики, то список весьма небольшой. В 2010 году с помощью оптического квантового компьютера с тремя кубитами удалось рассчитать энергетический спектр молекулы водорода. Уже неплохо, расчеты с использованием математического аппарата квантовой механики в свое время эту задачу осилили и на ней же застряли – более сложные молекулы оказались непосильно сложными для вычислений системами. В 2013 году квантовый компьютер справился с разложением числа 56153 на два простых числа – предыдущий рекорд был достигнут на числе 143 (мне лично для разложения числа 143 на два простых множителя потребовалось порядка пары секунд – навскидку выбрал числа 13 и 11). Пожалуй, самое примечательное достижение на сегодняшний день – симуляция укладки белковой молекулы в трехмерную структуру. Результат был получен в 2012 году с помощью компьютера D-Wave One.
А что насчет квантовой криптографии, для которой вроде как квантовые компьютеры чудо как хороши? А пока квантовая криптография им не по зубам. На данный момент минимально безопасной длиной открытого ключа считают 2048 бит. Для разложения такого числа на простые множители по алгоритму Шора нужен как минимум 4K кубитный квантовый компьютер. Возможно, 5K-кубитный Pegasus эту задачу осилит, но не факт. Если чуть побольше почитать про D-Wave Systems, возникает впечатление, что их изделия – пока что не совсем то, что обсуждали апологеты новой эры квантовых вычислений в теоретических публикациях. Инженерные ограничения на топологию связности между кубитами означают, что глубина квантового превосходства реально составляет лишь мизерную долю безбрежного океана вероятности в том гипотетическом случае, когда каждый кубит связан со всеми остальными. К тому же технология производства квантовых чипов еще сырая. 2048 кубит D-Wave 2000Q на самом деле означает “примерно две тысячи рабочих кубитов”. А сколько их будет рабочими на самом деле – производители сказать не могут, каждое изделие имеет свою уникальную архитектуру из рабочих и дефектных кубитов.
Несмотря на скромные результаты, планы на ближайшее будущее поражают размахом и дерзостью. Google еще в 2009 году объявила о сотрудничестве с D-Wave Systems в области распознавания образов. В 2011 году Lockheed Martin заключили контракт с D-Wave Systems на поставку и обслуживание 128-кубитного D-Wave One “для решения некоторых наиболее сложных вычислительных задач”. Ну и вишенка на торте – основанная в 2013 году коллаборация между NASA, Google и USRA (Universities Space Research Association). Участники коллаборации совместно основали Quantum Artificial Intelligence Lab или попросту Quantum AI Lab на территории принадлежащего NASA Исследовательского центра Эймса. Ames Research Center, чтобы было понятно, активно занимается в том числе исследованиями в области искусственного интеллекта и имеет собственный вычислительный центр с суперкомпьютером Pleiades. Ну и нафига им при таком раскладе нужен был 512-кубитный D-Wave Two? А вот поди ж ты, для исследований в области машинного обучения.
В принципе от феномена D-Wave Systems, а заодно и от всей этой движухи в целом можно отмахнуться емким объяснением “дык че, нормально бюджет осваивают”, но мне лично представляется, что не стоит повторять ошибку Роскосмоса, который в упор не принял всерьез дилетантов из SpaceX. Что-то интересное в мире несомненно происходит, но вот что именно и к чему это может привести? Добавим к этому, что не только мне так кажется. В декабре 2018 года Дональд Трамп подписал National Quantum Initiative Act – план развития Соединенных Штатов в области квантовых вычислений на ближайшее десятилетие. Трамп – в первую очередь бизнесмен, а не политик, и государственное решение на таком уровне определенно означает прагматический интерес.
Давайте попробуем представить не один вариант развития событий, а целых три, чтобы уж накрыть залпом пространство возможных сценариев. Только чур, не слишком серьезно - нам принимать государственное решение на ближайшее десятилетие никто не поручал, а на диване отчего бы не поразмышлять на эту интересную тему?


  Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
5. Квантовое превосходство
Часть вторая

Вариант первый – трезвый скепсис.
(скучающим тоном)
Да ничего особенного не происходит и не произойдет. В теории создание квантового компьютера выглядело перспективным и увлекательным направлением, как в свое время управляемый термоядерный синтез, но на практике дело уперлось в проблему масштабирования. Есть скептическая точка зрения, и хорошо обоснованная, что с инженерной точки зрения проблема масштабирования не решаема, так как с ростом числа кубитов не только возможности системы, но и сложность ее реализации растут по экспоненте.

Практическое осуществление квантового компьютера основано на манипулировании на микроскопическом уровне и с грандиозной точностью многоэлементной физической системой с непрерывными степенями свободы. Очевидно, что для достаточно большой системы, квантовой или классической, эта задача становится невыполнимой, именно поэтому такие системы переходят из ведения микроскопической физики в область статистической физики. Представляет ли система из N = 10^3−10^5 квантовых спинов, необходимая чтобы превзойти классический компьютер в решении ограниченного числа специальных задач, достаточно большой в этом смысле? Сможем ли мы когда-либо научиться контролировать 10^300 (по меньшей мере) амплитуд, определяющих квантовое состояние такой системы?
Мой ответ — нет, никогда.

— М. И. Дьяконов, “Будет ли у нас когда-нибудь квантовый компьютер?”


По мнению автора процитированной публикации, нынешний квантовый бум сойдет на нет и довольно скоро. Адепты идеи, конечно, будут биться до последнего, но молодежь, разочарованная явным отсутствием практического прогресса, найдет другие области реализации своих талантов.
Допустим, квантовый компьютер не будет создан. Ничего страшного, наука и не такое переживала. А вот инженерные наработки могут выстрелить в совершенно неожиданном направлении. Магнитно-резонансная томография, к примеру, основана на эффекте ядерного магнитного резонанса и первооткрыватели ЯМР об его возможном применении в медицине не думали.
Позвольте, как же так – квантового компьютера, получается, нет, а как тогда быть с огромными черными ящиками производства D-Wave и с претензиями Google на демонстрацию квантового превосходства?
Пытаясь представить себе, как работает квантовый компьютер, я пришел к выводу, что эта штука определенно кое-что напоминает. Ну ладно, думаю, я в этом деле дилетант, а интуиция в квантовом мире – штука опасная. Но внезапно и процитированному выше Дьяконову показалось именно теми же словами.
Устройство D-Wave, работающее на принципе квантового отжига – это очень сложный и очень дорогой аналоговый компьютер.
Аналоговые вычислители, заточенные на выполнение специальных задач, могут быть чертовски эффективными устройствами, и в публикации Дьяконова приведена прекрасная иллюстрация к этому тезису. Допустим, у вас пачка лапши с соломинками разной длины и вам нужно выбрать самую длинную. Цифровым методом вам придется работать так: выбрали пару соломин наугад, сравнили длины, короткую отбросили, длинную оставили, вытянули следующую соломину, повторили сравнение. И так до тех пор, пока не переберете всю пачку. Аналоговый способ решения задачи: высыпаем лапшу на стол, укладываем параллельной стопкой, равняем нижние края стопки по линейке, кладем вторую линейку параллельно первой и сближаем линейки, пока вторая линейка не коснется самой длинной соломины. Бинго, решение найдено! Пример иллюстрирует и ограничения метода. Для выбора самого тяжелого помидора вам придется мастерить другую машинку.
Вообще говоря, аналоговые вычислители – это не только автопилоты и прицелы для бомбометания. Простенький аналоговый вычислитель вы наверняка видели и возможно даже держали в руках. Логарифмическая линейка же! Теоретически логарифмическая линейка уже содержит бесконечное множество значений произведений, степеней, логарифмов и тригонометрических функций натуральных чисел. Глубина возможностей в сравнении с механическим калькулятором Феликс – прямо как у квантового компьютера в сравнении с классическим. Вот только на практике точность расчетов на логарифмической линейке ограничена тремя значащими цифрами. А что если вам нужно шесть? Не мастерить же линейку в четверть километра длиной? А даже для простенького калькулятора для домохозяек и бухгалтерии это запросто.
Могут ли найти аналоговые “квантовые” вычислители практическое применение? Для решения специальных задач – вполне, как вышеупомянутые электромеханические устройства вроде автопилотов и прицелов для бомбометания. Да и британский вычислитель Colossus, построенный в годы Второй мировой войны, не был универсальной вычислительной машиной в современном понимании – эта машина была спроектирована для взлома германских шифров. Но если скептики правы, у специализированных квантовых вычислителей просто нет шансов конкурировать с обычными компьютерами там, где требуется гибкость вычислительных возможностей.
И честно, я как-то не могу представить себе чип, который необходимо охлаждать до температуры 15 милликельвин и тщательно изолировать от внешних магнитных полей, в системе управления космического корабля (не говоря уже об AI вроде HAL из Космической одиссеи).

Вариант второй – конспирологический.
(доверительным шепотом)
Господа, ну вы же не дети, должны понимать. Пока ребята из Google играют в свои квантовые игрушки, те, кто стоит за ними, уже давно овладели уровнем квантовых технологий и активно ими пользуются.
Звучит как дикий бред. Но рациональное зерно в этой дичи можно найти.
Взлом шифрованных сообщений – это одна практическая сторона криптографии. Вторая сторона, по очевидным причинам не столь активно обсуждаемая в общедоступных источниках – создание новых алгоритмов и аппаратных технологий шифрования, а также создание сетей передачи шифрованных сообщений. И квантовые технологии выглядят в этом плане весьма перспективными.
Классические алгоритмы шифрования основаны на комбинаторной сложности поиска ключа, дающего единственное осмысленное решение из множества возможных. Квантовые технологии шифрования используют защиту на физическом уровне. Любая попытка перехвата сообщения, отправленного по квантовой линии, приведет к преждевременному коллапсу волновой функции и факт перехвата сообщения будет обнаружен отправителем и получателем.
А что мешает перехватчику отправить получателю точную копию отправленного сообщения, чтобы скрыть факт перехвата? Мешает фундаментальный принцип запрета на клонирование состояния квантовой системы (и этот же принцип заодно не позволяет использовать промежуточные усилители для ретрансляции сигнала на большие расстояния). Фантастам на заметку, кстати: квантовая телепортация материального объекта вроде той, что была в сериале Стар Трек, в принципе возможна, создание точной копии объекта – нет.
Квантовые сети уже используются для передачи защищенных сообщений. Первая такая сеть DAPRA Quantum Network была создана еще в 2001 и по открытым данным на данный момент соединяет лаборатории в университетах Кембриджа, Гарварда и Бостона. В Европе в период с 2003 по 2008 годы была разработана и испытана квантовая сеть SECOQC Vienna QKD Network, испытывали в частости технологию пересылки сигнала на большие расстояния с помощью защищенных от перехвата промежуточных квантовых повторителей. В период с 2009 по 2011 годы опять же в Европе испытывали квантовую сеть Geneva Area Network (Swiss Quantum). Эта сеть в частности соединяла CERN и прочие европейские научные организации и использовала уже существующие телекоммуникационные линии. О текущем состоянии проектов в Википедии не сообщается. В 2010 году в Японии с использованием европейских наработок была испытана сеть Tokyo QKD Network. Пропускная способность сети поддерживала защищенные от перехвата видеоконференции. Наконец, в сентябре 2017 года Китай официально открыл квантовую линию связи между Пекином и Шанхаем Beijing-Shanghai Trunk Line. Судя по тому, что Китай объявил о планах подключения к квантовой сети других крупных городов, Китай в отличие от вышеперечисленных игроков вышел из стадии лабораторных опытов и активно строит будущее, основанное на технологиях нового поколения. Вспомним также, что сравнительно недавно Китай объявил об успешной передаче запутанного квантового состояния между наземными станциями через космический спутник.
Вот если глянуть на ситуацию под эти углом, то возникает ощущение, что черные ящики D-Wave – не совсем то, чем кажутся. Как дилетант, я не могу обоснованно предположить, можно ли эти устройства использовать как аппаратные ключи для квантового шифрования (а эта задача, как мне кажется, значительно проще расшифровки). Если да – то интерес таких организаций, как NSA, к изделиям D-Wave вполне объясним.
Ладно, допустим, правительства и крупные корпорации и в самом деле используют квантовые технологии для защиты своих секретов. Что это может дать не посвященной в государственные и корпоративные секреты части человечества и чем это может грозить?
Насчет высокоскоростного квантового интернета для постинга котиков и чатиков я бы пока не торопился. Даже с учетом китайского опыта говорить о новой цифровой революции пока рано – проблема последней мили все равно ляжет на плечи местных провайдеров, которым эта технология еще долго будет не по карману. С другой стороны, насчет злобного Скайнета я бы тоже сильно не напрягался. Защищенных квантовых сетей самих по себе для создания сильного AI явно недостаточно, к тому же военные крайне консервативны и вряд ли добровольно передоверят сильному AI, даже если он будет создан в обозримом будущем, самостоятельное принятие стратегических решений. Насчет общества тотального контроля я бы тоже не сильно переживал. Для реализации подобного рода хотелок всяких нацлидеров есть куча более зрелых технологий. По счастью, от реализации антиутопий на практике спасает человеческая природа – нацлидеры скорбны умишком и трусливы, а спецслужбы ленивы и некомпетентны. Секретные планы корпораций насчет захвата мирового господства и прочие ужасы – ну, если вы когда-нибудь имели доступ ко служебной переписке любой государственной организации или частной компании, вы примерно представляете, что там за секреты на самом деле. 99% служебной переписки любой организации – это никому нафиг не нужные отходы жизнедеятельности. Ну, теперь каналы циркуляции этих отходов будут надежнее изолированы, нам-то что с этого?

Вариант третий – умеренно оптимистичный.
Энтузиасты считают, что трудности создания полномасштабного квантового компьютера решаемы. Стабильность работы квантовой системы можно повысить резервированием, объединением нескольких физических кубитов в один логический кубит, многопоточными вычислениями – в принципе идеи есть. Допустим, полномасштабный квантовый компьютер удастся создать в обозримом будущем. Допустим, лет через двадцать эти устройства будут доступны университетскому вычислительному центру. Какие задачи сможет решать квантовый компьютер помимо упомянутого взлома шифров?
Вот вам популярный список хотелок (помимо квантовой криптографии).

    Искусственный интеллект
    Молекулярное моделирование
    Финансовое моделирование
    Прогнозирование погоды
    Физика частиц

Знаете, я совершенно не удивлен, что в списке нет таких интереснейших задач, как симуляции образования галактик, взрывов сверхновых звезд, эволюции предшественников жизни на ранней Земле (РНК-мир), вариантов биологической эволюции – эти темы в отличие от фармацевтики, рынка и погоды мало кому интересны.
Но давайте пробежимся по списку и начнем с конца.

Физика частиц

Это как раз то, о чем говорил профессор Фейнман в далеком 1981 году. Для симуляции квантовых систем нужны модельные квантовые системы. Ускорители элементарных частиц по любому без работы не останутся, но квантовые компьютеры помогут ускорить процесс обработки экспериментальных данных и проверки рабочих моделей. В современной физике элементарных частиц есть две трудности. Первая трудность – проверка рабочих моделей требует сложных и трудоемких вычислений. Вторая трудность, вытекающая из первой, о которой популяризаторы стыдливо молчат. БАК за каждый цикл работы фиксирует миллионы событий. Подавляющая часть этой информационной шихты никак не обрабатывается и по сути дела необратимо теряется, так как объем накопителей ограничен. Хранятся и обрабатываются только потенциально интересные события. Проблема с этим подходом в том, что неудачно настроенный фильтр событий может обрезать интересные события и мы об этом никогда не узнаем. Возможно, квантовые компьютеры помогут более эфективно просеивать эту шихту на предмет ценной информации.
Та же проблема, кстати, и с астрономическими базами данных – подавляющая часть информации, собранной автоматическими телескопами, никем и никогда не будет востребована.

Прогнозы погоды

Здесь на мой взгляд диванного аналитика основная проблема даже не в трудоемкости вычислений, а в количестве и качестве исходных данных. Ну допустим, квантовый компьютер сможет рассчитать, как будет изменяться погода в крупном городе на ближайшие трое суток с пространственным разрешением в сотню метров, но где вы возьмете исходные данные для заполнения сетки на старте симуляции, если у вас на весь город десяток автоматических метеостанций? Про сельскую глубинку я вообще молчу – там хорошо если в районном центре метеостанция еще живая.
А вот климат спустя десять лет симулировать, как ни странно, теоретически проще, чем погоду на завтра. Погода – сложный процесс, который зависит от множества микрособытий. При долгосрочном прогнозе климата влияние этих микрособытий сглаживается.

Финансовые прогнозы

Та же проблема, что с погодой: недостаток качественных данных и множество микрособытий. Вы можете прогнать сотню симуляций, чтобы найти оптимальную стратегию долгосрочных инвестиций, но у вас нет и в обозримом будущем не будет надежных данных, позволяющих точно спрогнозировать аномалии в курсах акций на фондовой бирже завтра в полдень. Так что оставим эту скучную тему.

Молекулы

Вот тут ситуация неоднозначная. Химия – это взаимодействие электронных оболочек атомов и молекул, так что чисто в теории всю химию можно свести к квантовой механике. На практике вычислительные трудности с ростом числа атомов растут по экспоненте и уже свойства молекулы метана вычислить из первооснов непосильно сложно даже на нынешних суперкомпьютерах. Квантовые компьютеры и в самом деле могли бы привести к революции, превратив химию из свода эмпирических правил в точную науку. Да и не только химию. Квантовый компьютер мог бы, давайте уж помечтаем, помочь в создании новых материалов (жаропрочные сплавы и керамики, высокотемпературные сверхпроводники, фотоэлементы и так далее). Но даже в традиционных отраслях химической промышленности с крупнотоннажным производством сплошь и рядом стоят задачи оптимизации производственной схемы с десятками переменных на входе. Квантовые компьютеры, как мы уже знаем, как раз на таких задачах оптимизации в принципе могут проявить свои сильные стороны.
А что насчет фармацевтики? Будет ли польза от квантовых компьютеров в этой области?
И да и нет.
Поиск эффективного лекарства – это гораздо ближе к биологии, чем к химии. И как биохимик я могу сказать, что сплошь и рядом мы просто не знаем, как именно действует данное лекарство на молекулярном уровне. Организм – колоссально сложная система и даже если бы гипотетически квантовый компьютер в будущем смог бы симулировать такие сложные системы (а для этого его архитектура должна иметь как минимум сопоставимый уровень сложности!), у нас просто нет и в обозримом будущем не будет надежных данных, которые можно загрузить в такую симуляцию.
Но допустим, лекарство известно и эффект доказан клиническими тестами. Проблема в том, что лекарство добывается из крайне дефицитного сырья в мизерных количествах и по этой причинен непомерно дорогое. Квантовый компьютер как минимум мог бы проанализировать огромные базы данных органических соединений и подобрать перспективные вещества для сравнительных клинических испытаний. А как максимум – найти способ химического синтеза данного лекарства из сравнительно дешевых прекурсоров. Или просканировать базы данных микроорганизмов и выбрать перспективные штаммы для получения лекарства методами биотехнологии.

Искусственный интеллект

Здесь в первую очередь имеются в виду методы обучения AI вообще и в первую очередь распознавания образов. Приведет ли использование квантовых компьютеров в этой области, которая развивается не так быстро, как представлялось энтузиастам, воспитанным на фантастике еще 60-х годов, к принципиально новым результатам?
Само по себе – нет. Для создания чего-то похожего на нейронные сети основное условие – не быстродействие, а топологическая сложность сети. Человеческий мозг, напоминаю, содержит около 15 миллиардов нейронов. Нынешние квантовые процессоры по своей топологической сложности далеки не только от человеческого мозга, но и от сравнительно просто устроенного нервного ганглия насекомого (и насекомые, кстати, успешно решают задачи навигации в среде обитания, которые нынешнему поколению AI непосильны). Возможно, положение принципиально изменится, когда квантовые процессоры будут иметь миллионы и миллиарды кубитов, упакованных в объемную архитектуру, но пока у нас нет для этого нужных технологий.
А вот как специализированный процессор, ускоряющий перебор вариантов в процессе обучения AI и оценку оптимальных решений, квантовый процессор вполне может найти применение. То есть для сильного AI квантовые процессоры станут не основой мозга, а специализированными на обработке определенного класса задач модулями. Быстродействие таких систем опять же будет ограничено шинами передачи данных между квантовыми модулями, обывчными процессорами общего назначения и периферийными устройствами. Так что просчитать за доли секунды мировую экономику на годы вперед - это только в технотриллере просто.

Ну и такой вопрос напоследок. От лампового ENIAC до микросхемы Z-80, давшей начало легендарному ПК Spectrum, прошло 25 лет – время смены одного человеческого поколения. Есть ли надежда увидеть персональные квантовые компьютеры ну хотя бы к 2050 году?
Если вспомнить про охлаждение до 15 милликельвин дефицитным гелием-3, то решительно нет. Но не исключено, что выстрелят технологии, которые позволяют обойтись без таких жестких требований. Квантово запутанные фотоны, к примеру, не требуют таких экстремальных условий. Так что я бы не стал зарекаться.
Мне лично кажется, что крайне вряд ли, но кто его знает, как оно обернется.


  Re: Астрономия: информация о небесных телах и их фотографии
Не в сети
---Elite---
Аватар пользователя

Зарегистрирован: 15.05.11
Сообщений: 1484
В качестве компенсации за длинный и нудный оффтопик - красивая фотография солнечного протуберанца, сделанная астрономом-любителем из Италии 4 мая 2020 года.


Вложения:
ALESSANDRO-Ecol_1588682514_credited.png

Новая тема  Ответить  
Показать сообщения за:  Сортировать по:  









Список форумов / На другие темы

cron