Первые в мире «часы старения мозга» и полное излечение гепатита В. Топ разработок российских учёных

За кубитами пришли кудиты. Российские учёные нашли ключ к упрощению квантовых компьютеров. Исследователи из Университета науки и технологий МИСИС (НИТУ МИСИС) совместно с исследователями Российского квантового центра (РКЦ) заставили кудиты — «старших братьев» кубитов — работать с обычными квантовыми алгоритмами. Это позволило сократить ошибки и упростить системы, причём на любой технологической платформе, открыв путь к более мощным вычислителям.

«Трамплин» продолжает рассказывать о последних достижениях российской науки. В новом выпуске речь пойдёт о цифровом инструменте для реставрации памятников архитектуры, который позволяет точно и быстро рассчитывать усиление деревянных конструкций, сохраняя историческое наследие; о технологии полного излечения неизлечимого гепатита В; о первых в мире «часах старения мозга» для массовой диагностики риска деменции; о сверхбыстром датчике для ударных волн и уникальной системе беспроводной связи на базе квантово-каскадных лазеров, которая работает в любых погодных условиях. Подробнее обо всём рассказываем в нашем материале

Универсальный метод для ускорения квантовых вычислений

Учёные из Университета науки и технологий МИСИС (НИТУ МИСИС) совместно с исследователями Российского квантового центра (РКЦ) представили новый подход к реализации квантовых алгоритмов, основанный на использовании многомерных квантовых систем – кудитов. Разработка открывает новые возможности для упрощения архитектуры квантовых компьютеров и реализации более сложных алгоритмов.

В отличие от кубитов, которые лежат в основе современных квантовых вычислений, кудиты представляют собой многоуровневые квантовые системы, способные кодировать и обрабатывать больший объём информации в рамках одного физического элемента. Российские исследователи разработали схемы, позволяющие «включать» дополнительные уровни кудитов на определённых этапах выполнения операций, а затем возвращаться к стандартной кубитной работе.

«Мы показали, как упростить сложные операции, без которых невозможно большинство квантовых алгоритмов. Использование дополнительных состояний, имеющихся в кудитах, позволяет сократить число шагов для выполнения подобных операций, тем самым снижая риск ошибок», – пояснил Алексей Фёдоров, директор Института физики и квантовой инженерии НИТУ МИСИС.  

Предложенный подход позволяет сократить количество шагов, необходимых для реализации сложных квантовых алгоритмов, и уменьшить риск ошибок, поскольку меньшее число операций означает меньшую вероятность возникновения декогеренции и других технологических проблем. Важно отметить, что разработанные схемы не привязаны к конкретной технологической платформе и могут быть использованы как в сверхпроводниковых цепях, так и в ионных ловушках или фотонных системах.

«Мы сознательно фокусируемся на квантовых алгоритмах, представленных в виде кубитных цепочек, поскольку именно в таком виде сегодня описывается подавляющее большинство квантовых алгоритмов. Это позволяет напрямую связать теоретические идеи с реальными аппаратными платформами и показать, как кудиты могут быть использованы без необходимости полностью переосмысливать существующие алгоритмы», – отметила Анастасия Николаева, старший научный сотрудник группы квантовых информационных технологий РКЦ и НИТУ МИСИС.

Разработка российских учёных позволит использовать кудиты без переосмысления существующих алгоритмов, сократить число операций в классических алгоритмах и запускать их на платформах с меньшим числом физических элементов. Это важный шаг на пути к созданию более мощных и эффективных квантовых компьютеров.

Цифровой инструмент для реставрации памятников архитектуры 

Учёные Пермского Политехнического университета (ПНИПУ) и Пермского государственного аграрно-технологического университета (ПГАТУ) представили инженерный метод точного расчёта усиления исторических деревянных конструкций с помощью углеволокна. Разработка призвана решить ключевую проблему реставрации, когда неверный расчёт усиления ведёт либо к повторному разрушению, либо к избыточной нагрузке на соседние элементы.

За основу исследования был взят реальный памятник архитектуры с повреждённой шпренгельной балкой — несущим элементом каркаса крыши. После фиксации исходных параметров и степени ослабления (15%) специалисты смоделировали процесс восстановления. Ключевым нововведением стал алгоритм, который вместо трудоёмкого моделирования каждого слоя углеволокна и клея заменяет всю систему усиления одним эквивалентным виртуальным стержнем. Это в разы сокращает время на проектирование, сохраняя высокую точность расчётов.

«Мы можем говорить о достоверности полученных результатов, поскольку они соответствуют российским строительным нормативам и основаны на классическом методе конечных элементов, признанном в мировой практике», — подчеркнула руководитель исследования, кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительный инжиниринг и материаловедение» ПНИПУ Ольга Третьякова.

Моделирование показало, что для верхней части повреждённой балки оптимальным является усиление шестью слоями углеволокна — это позволило вернуть её прочность к нормативным значениям. При этом инструмент способен выявлять и более сложные случаи, где одного композита недостаточно, предупреждая риски как недоусиления, так и неоправданного перерасхода материалов. Инженеры на объекте вводят параметры дефекта в программу, которая автоматически рассчитывает необходимое количество и тип слоёв углеволокна, соответствующие строительным нормативам.

Разработка открывает новые возможности для сохранения исторического наследия России, позволяя перейти от методов «на глазок» к точному цифровому инжинирингу, что гарантирует долговечность реставрации и сохраняет аутентичность памятников.

Первые в мире «часы старения мозга»

Российские учёные создали первый в мире массовый онлайн-тест для ранней диагностики старения мозга. Разработка НИИ биологии старения ННГУ — «Часы когнитивного старения» — с помощью искусственного интеллекта всего за 20 минут определяет, соответствует ли умственная деятельность человека его биологическому возрасту.

«Наш инструмент нужен в принципе здоровым людям, которые хотят быстро и надёжно проверить себя. Обследование в стационаре стоит денег, и люди не очень любят ходить по врачам», — пояснил директор института Михаил Иванченко.

Если система фиксирует, что когнитивные функции «старше» реального возраста на семь и более лет, это указывает на высокий риск развития деменции и требует обращения к врачу. Технология анализирует более 300 параметров выполнения классических нейропсихологических заданий, создавая цифровой профиль мозга.

«Мы показали, что не просто оцениваем субъективный возраст, но наши тесты чувствительны к деменции и умеренному когнитивному расстройству. Люди с врачебным диагнозом проходили этот тест, и по его результатам действительно обнаруживалось ускоренное когнитивное старение», — подчеркнул Михаил Иванченко.

Метод уже подтвердил эффективность при тестировании пациентов с установленными диагнозами. Эксперты отмечают, что разработка решает острую проблему нехватки специалистов-дементологов и позволяет проводить ежегодный скрининг миллионам людей старше 55 лет быстро, анонимно и без посещения клиники. 

Сверхбыстрый датчик для ударных волн

Исследователи из Московского физико-технического института (МФТИ) представили инновационный датчик, способный фиксировать гиперзвуковые ударные волны в десять раз быстрее лучших коммерческих аналогов. Разработка открывает новые возможности для создания перспективных гиперзвуковых летательных аппаратов и мониторинга экстремальных аэродинамических нагрузок.

Главной инженерной задачей было создать сенсор, способный выдерживать повторяющиеся сверхзвуковые удары, сопровождающиеся резкими скачками температуры и давления. Российским специалистам удалось решить эту проблему, интегрировав в конструкцию новый класс материалов — максены.

«Интеграция максенов обеспечила необходимую структурную целостность. В результате мы получили сенсор, который не только выдерживает эти экстремальные условия, но и реагирует на них значительно быстрее коммерческих аналогов», — пояснил аспирант МФТИ Хамар Заман Хан.

Максены — это уникальные двумерные материалы на основе атомов переходных металлов и углерода, сочетающие прозрачность стекла с электропроводностью металла. Учёные использовали их как добавку к композитному материалу на основе поливинилиденфторида, получив тонкие плёнки толщиной всего 90 микрометров. Эти плёнки демонстрируют термостойкость до 350 градусов Цельсия.

Испытания в сверхзвуковой ударной трубе подтвердили рекордную скорость отклика. Новый датчик регистрирует ударную волну за 33 микросекунды, тогда как лучшие существующие образцы требуют для этого около 270 микросекунд.

Разработка уже вызвала интерес у ведущих российских аэрокосмических и энергетических компаний. Датчик готов к внедрению как для точного мониторинга нагрузок на гиперзвуковых скоростях, так и для обеспечения безопасности критической инфраструктуры, работающей в экстремальных условиях. 

Метеоустойчивая лазерная связь нового поколения

В России создали уникальную систему беспроводной связи на базе квантово-каскадных лазеров, которая работает в среднем инфракрасном диапазоне и устойчива к любым погодным условиям. Технология основана на использовании среднего инфракрасного диапазона, что принципиально отличает её от существующих лазерных систем связи. Именно это позволяет ей сохранять стабильность и надёжность передачи данных даже в условиях сильного дождя, тумана, снега или запылённости атмосферы, которые традиционно являются главным препятствием для подобных каналов.

«Создана и испытана революционная отечественная технология метеоустойчивой лазерной связи в среднем ИК-диапазоне, не имеющая аналогов в России», — подчеркнул научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ), академик РАН Александр Сергеев. Он добавил, что демонстрационный канал связи был развёрнут с применением полностью российских квантово-каскадных лазеров и детекторов.

Квантово-каскадные лазеры — это передовые полупроводниковые источники излучения, способные генерировать мощный сигнал именно в среднем ИК-диапазоне. Разработка открывает широкие перспективы для применения как в гражданской, так и в специальной сферах. Она может быть использована для создания высокозащищённых и помехоустойчивых каналов связи, организации магистралей передачи данных в сложных климатических зонах, а также в системах дистанционного зондирования и мониторинга. Успешные испытания подтвердили практическую работоспособность технологии и её готовность к дальнейшему внедрению. 

Технология полного излечения от гепатита В

Специалисты Сеченовского университета разработали первую в России терапевтическую технологию, позволяющую полностью излечить хронический вирусный гепатит В. В её основе лежит метод геномного редактирования, который не подавляет, а навсегда удаляет вирусную ДНК из клеток печени.

В отличие от существующих пожизненных схем лечения, лишь сдерживающих размножение вируса, новая система нацелена на полную элиминацию возбудителя. Разработка представляет собой невирусную систему доставки, впервые в России обеспечивающую упаковку CRISPR/Cas-комплексов с эффективностью около 80%.

«Одна наночастица вмещает 200–250 CRISPR/Cas-комплексов. Этого достаточно, чтобы удалить из инфицированной клетки все копии вирусного генома», — пояснил руководитель лаборатории генетических технологий в создании лекарственных средств Сеченовского университета Дмитрий Костюшев.

Ключевой особенностью технологии стало «биокамуфлирование» — система доставки не содержит чужеродных элементов, что позволяет ей избегать атаки иммунной системы человека. В ходе доклинических исследований наночастицы продемонстрировали способность проникать в 90–95% поражённых клеток. При этом препарат полностью выводится из организма в течение суток, сводя к минимуму риски долгосрочных побочных эффектов.

Эффективность и безопасность метода уже доказаны в лабораторных условиях. В настоящее время ведётся работа по подготовке к началу клинических исследований. По оценкам разработчиков, первые пациенты смогут получить терапию в ближайшие годы.

Хронический гепатит B сегодня считается неизлечимым заболеванием, которым в мире страдают сотни миллионов человек. Внедрение российской технологии может совершить переворот в гепатологии, избавив пациентов от необходимости пожизненного приёма дорогостоящих препаратов и предотвратив развитие цирроза и рака печени.

Текст: Ирина Леонова

Изображения сгенерированы shedevrum.ai и freepik.com