№ 21 (1605) от 17 сентября 2020 года
Главная тема
С наукой всегда в плюсе!
14 сентября в Алтайском госуниверситете стартовал Всероссийский фестиваль науки NAUKA 0+. Он открылся региональной площадкой Министерства образования и науки Алтайского края в рамках Дней образования на Алтае. Этот форум впервые проходит в онлайн-формате на платформе Московского международного салона образования с участием вузов и научных институтов нашего края.

Трое ученых нашего университета выступили с мини-лекциями на общегородской программе открытия форума и Фестиваля. Все они – о новейших технологиях в области физики, обретающих новую актуальность в современные дни. Пересказываем их лекции, удивляем читателей и приглашаем на площадки Фестиваля в Алтайском государственном университете.

Кванты-революционеры
Первым докладчиком стал Сергей Александрович Безносюк, д.ф-м.н., профессор, заведующий кафедрой физической и неорганической химии АГУ. Он рассказал о сложной микросистеме организмов – о квантах, принципах их работы и о том, как они влияют на технологические открытия.
Вообще, квантовые технологии существуют практически с момента создания квантовой теории – уже более 120 лет. За это время на ее основе свершились две технологические революции. При этом сама теория не меняется и позволяет создавать новые технологии, суть которой, как сказал Сергей Александрович, будет понятна даже гуманитариям. Ведь вторая технологическая квантовая революция, которая проходит сейчас, основана на… индивидуальности квантов. Что это такое? Рассказываем.
Наш внешний мир – все то, что вы видим, слышим и осязаем – называется макромир. И у каждого его элемента существуют нижние уровни организации вещества – микромир: молекулы и атомы. Они и выступают объектами квантовой механики, которые имеют необычные свойства. Например, первое свойство этих объектов – квантов – суперпозиция состояния. Все состояния веществ можно представить монетой: вещество всегда либо «орел», либо «решка», одновременности быть не может. Но если бы эта монетка была квантовым объектом, то мы бы представили ее как объект, в котором есть сразу и» решка», и «орел». Это и есть суперпозиция квантов.
Следом возникает вторая особенность, которая наблюдается только в квантовом мире – эффект наблюдателя. Из-за него элементы квантового мира «поворачиваются» то «орлом», то «решкой» – в зависимости от наблюдателя и условий наблюдения. При этом они возникают в классических состояниях. Это свойство квантов называется «корпускулярно-волновой дуализм». Например, если классическая частица встретит препятствие, то оно обойдет объект слева или справа. А если квантовая частица встречает препятствие, объект испытывает дифракцию – частица будто огибает и не замечает препятствие. А также частица может попасть сразу в несколько частей объекта – произойдет интерференция, это свойство волнового процесса. Но если встретится наблюдатель, мы увидим классическую картину поведения частицы.
Эти свойства квантов позволили ученым сделать вывод об их коллективном поведении, этаком «эффекте толпы». При этом кванты все еще остаются самостоятельными единицами и организовывают окружающий нас мир. Так, например, на основе этих свойств был создан интересный материал графен – углеродный монослой толщиной в один атом. Это очень гибкий и пластичный материал – из него можно даже сложить оригами! Этот высокопрочный электропроводимый материал еще тестируется и проверяется, но уже получил массу применений в самых различных сферах жизни. А ученые, открывшие его (Константин Новоселов и Андрей Гейм) получили Нобелевскую премию в 2010 году.
Так прошла первая технологическая квантовая эволюция. Что же со второй, ученые открыли новое свойство? Нет, главное ее «оружие» тоже давно известное теоретическое свойство квантов – квантовая запутанность и квантовые измерения, или взаимозависимость объектов с сохранением индивидуальных свойств. Так французский ученый Серж Арош и американский ученый Дэвид Уайнденд также получили Нобелевскую премию по физике в 2012 году, но уже за создание технологий, позволивших измерять отдельные квантовые системы и управлять ими. Тогда мир физики понял, что началась новая эпоха – квантовых индивидуальных, а не коллективных объектов.
Понимание и применение индивидуальных свойств квантов дали старт развитию новых технологий. Так, уже через два года на основе этой теории был разработан синий светодиод (разработка также отмечена Нобелевской премией по физике 2014 года). Более того, это свойство позволит создать новый тип компьютеров.
– Наши современные машины еще работают на коллективном свойстве электронов. Квантовые компьютеры работают уже на индивидуальном. Когда электроны работают на своих индивидуальных состояниях и обмениваются ими, мы получаем абсолютно новый тип компьютера, который будет работать на кубите – квантовом разряде, а не на бите. Это, конечно же, изменит нашу среду, и мы сможем решать задачи, которые не решали ранее. И замечательно, что разработками таких технологий занимаются и в нашем университете на нашей кафедре, – отметил Сергей Александрович.
Пожалуй, один из самых интересных моментов вопроса: какими будут квантовые компьютеры и могут ли они сделать скачок в области искусственного интеллекта? И на это у наших физиков есть ответ: размер у такого компьютера будет… обычным, привычным нам. Ведь основная начинка любого компьютера – это чипизированная система. То же самое будет и у квантовых компьютеров: они будут состоять из наночипических объектов. А еще ученые активно развивают квантовую теорию без наблюдателя: когда квантовые объекты в чистом виде могут образовывать системы, обладающие ресурсом, который не принадлежал отдельному кванту, при этом без потери индивидуальности. Мозг человека, кстати – первый претендент на изучение и выяснение, а не является ли наша «мыслительная машина» первым объектом, работающим на квантовой индивидуальности. И вполне возможно, что это и будет первый искусственный интеллект.
В частности, по заверениям ученых, нас ждут квантово-наномеханические системы, у которых будет возможность манипулировать окружающей средой. Обычные кванты и молекулы, обладающие информационным запасом, будут взаимодействать коллективно и смогут создавать новые объекты – по принципу конвейерного производства. Это может быть использовано для уничтожения вирусов, что особенно актуально в наше время. Также такие системы смогут бороться с космическими объектами. Так что в будущем наш мир будет насыщен технологиями и необычными устройствами, основанными на второй квантовой эволюции, которая будет только порождать новые и новые разработки.

Самая сложная система

Если сейчас вы подумали про мозг человека – вы правы. И не удивительно, что его сложное строение и «ответственность» за организацию жизни человека вызывает большой интерес у ученых. Так, первые изучения и наблюдения за работой этого органа датируются четвертым тысячелетием до нашей эры. Много ли накоплено за это время знаний? Да. Узнали ли мы, например, как рождается сознание и разум человека, откуда берется мысль? До сих пор человечество стоит лишь в начале изучения этих вопросов. Потому не удивительно, что и здесь ученые-физики активно применяют свои технологии в поисках ответов на них.

– Очень радует, что наша аудитория сегодня даже более многочисленная, чем обычно на фестивалях науки. Чем больше людей узнают для себя что-то новое об окружающем мире, тем больше развивается наш мозг, – поприветствовала слушателей лекции Ирина Николаевна Томилова, заслуженный деятель сферы образования РФ, к.б.н., доцент кафедры зоологии и физиологии АГУ, директор ЦМИТ «ЭВРИКА». Она и поведала зрителям, как современная физика помогает ученым искать ответы на волнующие их вопросы об этом органе.

Кстати, интересный факт: наш мозг содержит около 100 млрд нейронов ста типов, а их связи-отростки образуют более 106 километров связей – внушительная «машина»! При этом – многоуровневая и недетерминированная система. Изучается эта громадина с помощью методов самых разных наук, но именно физика во многом дала толчок к первым открытиям строения мозга, потому так важны методы исследования именно этой науки. И чем совершеннее становились технологии, тем лучше ученые понимали процессы, которые происходят в миллисекунды.

Первые изучения проходили на статичном органе: с помощью окраски и срезов. Затем ученые перешли к методам функционального исследования – так мозг стали изучать как целостную систему. Современные методы довольно точны и позволяют изучать активный, бодрствующий мозг на клеточном уровне. И большинство из них – междисциплинарны. Потому что мозг, как сложный орган, функционирует и как химическое, как физическое тело, в том числе на уровне квантов.

Само изучение клетки начиналось с микроскопии и развивалось по мере улучшения разрешающей способности и контрастности. После на смену пришли первые цифровые и флуоресцентные микроскопы, а сейчас свою эволюцию проживает микроскопия сверхразрешения. С ее помощью можно рассмотреть клетку до мельчайших деталей, отследить межнейронные связи и их распространение, образование новых клеток мозга. Но исследование отдельного нейрона все равно не может дать полной картины – потому важно изучать взаимодействия клеток. Здесь начинается функциональное изучение органа с помощью магнитно-резонансной томографии. Например, с ее помощью можно создать карту активности отдельных частей мозга. Еще один метод – позитронно-эмиссионная томография с помощью радиоактивной меченой глюкозы. Так можно понять, какие области мозга вовлекаются в ту или иную активность. Но у этих методов не очень высокая разрешающая способность, с их помощью сложно изучать взаимодействия нейронов – ученые считали, что, описав все связи, можно понять, как зарождается сознание человека, но пока это остается лишь идеей.

Другая возможность исследовать активность нейронов тоже связана с развитием физики. В восемнадцатом веке Луиджи Гальвани обнаружил животное электричество. Это открытие в дальнейшем стало самостоятельным разделом физиологии – электрофизиология. А в 1924 году немецкий нейрофизиолог Ханс Бергер открыл метод регистрации электрической активности мозга – электроэнцефалографию. Ей на смену пришла магнитная энцефалография. Но ни один из этих методов не позволяет исследовать вовлечение отдельных нейронов в деятельность мозга.

Качественно отличающиеся методы изучения мозга – фотоника и оптогенетика. Они основаны на встраивании белков, реагирующих на освещенность. При засветке он и дает информацию о работающей клетке, и «заставляет» ее работать. Так с развитием этого метода удалось найти и сети нейтронов, которые вовлекаются в деятельность, и ключевые нейроны, запускающие паттерны поведения.

Воздействие на электрическую активность мозга помогает восстановить утраченные функции. Эти методы и получили большее распространение в лечении.

Кибербезопасность – не безопасность?

– Говорят, что безопасной можно считать ту информационную систему, которая выключена, замурована в бетонный корпус, заперта в помещении со свинцовыми стенами и охраняется вооруженным караулом. Поверьте мне, безопасной ее считать нельзя, даже если она компьютерная, даже если она защищена сотней паролей, – так начала свою мини-лекцию Мария Александровна Стародубцева, преподаватель гуманитарного отделения Колледжа АГУ.

Преступность, связанная с использованием компьютерных систем и сети, сегодня занимает значительную долю в уголовных преступлениях. Не удивительно – открытый и общедоступный характер сети Интернет помогает правонарушителям оставаться безнаказанными. Правоохранительные органы не всегда готовы к расследованиям киберпреступлений – преступлений в виртуальном пространстве, которые моделируются с помощью компьютера.

Самые популярные типы киберпреступлений: кражи, мошенничества и терроризм. Среди них выделяются фишинг, спаминг и кардинг.

Фишинг – манипуляции жертвой. Например, вам пишут, что вашего друга взломали, и, давя на ваши дружеские чувства, просят перевести деньги. При спаминге на электронную почту приходит рекламное сообщение со ссылкой и текстом о выигрыше, крупном наследстве от неизвестного родственника, либо простое сообщение с неизвестной ссылкой. При кардинге используются методы и фишинга, и спаминга – например, кражи при покупках в интернет-магазинах, поддельные сайты.

Виды компьютерных преступлений выделяет и Конвенция совета Европы: незаконный доступ к компьютерной системе, взлом, незаконный перехват данных и вмешательство в данные или в систему. Часто эти виды могут совмещаться – например, ваше письмо перехвачивается и изменяется текст. Вмешательство в систему – самый опасный вид, чаще всего именно им и пользуются кибертеррористы. А самые уязвимые для них системы – связанные с банками либо удаленные хранилища данных («Облака»). Также уязвимая область – онлайн-игры, преступники могут украсть ваши данные либо вашу виртуальную собственность. Редко, но взламывают крупные биржы. При этом не важно, какого типа и объема атака – механизм ее распространения всегда одинаков: рассылка вредоносной программы ссылкой, клик по ней пользователем, проникновение программы в вашу машину (в обход нелицензионных антивирусных программ), поиск и захват/уничтожение ваших данных.

Крупной кибератаке, например, неоднократно подвергалась система NASA. Однажды семнадцатилетний хакер захватил хранилище организации и сделал из него библиотеку своей фильмографии. Кстати, пиратский контент – это тоже следствие киберпреступления. Правда, с небольшим знаком «плюс» - пользователи сети могут бесплатно скачивать книги, музыку и фильмы на некоторых сервисах.

Сейчас от кибератак помогает защищаться одно из главных достижений физики как науки – искусственный интеллект. Но – что важно и что не все понимают – он не равен искусственному разуму. ИИ – это четкая обучающаяся в диалоге с человеком машина, на основе чего и программируются экспертные системы. Правда, сложность таких защит в том, что работать приходится в условиях неопределенности – невозможно знать наверняка, как поведет себя машина. Потому при защите данных – при входе в социальные сети, например – применяются программы блокировки ботов (этакие автоматические Тесты Тьюринга) или системы распознавания лиц, но и они на данный момент недостаточно эффективны. Интересно, что искусственный интеллект часто сам не может определить следы киберпреступлений – тут на помощь машинам и приходят криминалисты, которые могут найти, например, изменения названий и расположений файлов, замедленную реакцию машины на процессы.

Защититься от киберпокушений на вас достаточно просто: не переходите по подозрительным ссылкам, используйте сложные пароли с включением символов и изменения регистра, пользуйтесь проверенными сетями, не храните личную и банковскую информацию на электронных устройствах. Кибертерроризма нам, как простым пользователям сети, опасаться не стоит – чаще всего он совершается с целью подрыва политической обстановки в стране и нагнетания страха на общество. При этом кибертерроризм, как и киберпреступления, не отмечен в крупных федеральных законах нашей страны – в этом отношении нам еще есть в чем совершенствоваться.

Юлия Абрамова

Кстати

В 2020 году Фестиваль науки NAUKA 0+ пройдет в 15-й раз, а главной темой стала «Физика будущего». Технологии будущего в медицине, биологии, энергетике, сфере искусственного интеллекта и IT – те направлениях физики, которые сейчас определяют развитие и появление новых разработок в ближайшее столетие.











          Мы Вконтакте


          Мы в Facebook




«За науку!» © 1980-2020
При использовании материалов газеты
ссылка на "За науку!" обязательна
Мнения отдельных авторов не всегда совпадают с точкой зрения редакции.
Редакция оставляет за собой право публиковать такие материалы в порядке обсуждения.
Контактные адреса
656099, Барнаул,
пр-т Ленина 61, ауд. 901.
Телефон: (3852) 29-12-60
E-mail: natapisma7@gmail.com
Internet: http://zn.asu.ru