Учёный

Alexei Kitaev

1963 – настоящее время · квантовые вычисления, физика конденсированного состояния, топологическая квантовая материя
Российско-американский физик, известный работами в области квантовых вычислений. Предложил концепцию топологических квантовых вычислений, основанных на энионах, и разработал квантовый алгоритм оценки фазы. Ввёл Китаевскую цепочку — модель, демонстрирующую майорановские фермионы, важные для защищённых кубитов.

Биография

Окончил Московский физико-технический институт и Институт теоретической физики им. Ландау. Работал в Microsoft Research и Калифорнийском технологическом институте. Получил премию Мак-Артура, премию Дирака и премию за фундаментальную физику.

Ключевые открытия

💡 Китаев известен своим особым стилем изложения — его лекции и статьи часто содержат неожиданные инсайты, которые потом становятся стандартными подходами.
"Учёный считал, что топологические квантовые вычисления могут стать путём к созданию действительно масштабируемых квантовых компьютеров."
Понятия
суперпозицияквантовая оптика
Законы
фаза Берри
Учёные
Shuji NakamuraAlain AspectCharles TownesDavid DeutschLouis de BroglieAlbert A. MichelsonJohn ClauserAnton Zeilinger

Статьи с его участием

Энергия ураганов подчиняется степенному закону
Лесной пожар не имеет «типичного» размера: маленький пал травы и огненный шторм на тысячи гектаров — части одного и того же явления. Так же и тропические циклоны: энергия, которую они высвобождают за свою жизнь, не группируется вокруг какого-то среднего значения. Она распределена по степенному закону, и это правило работает во всех океанах Земли.
Мезоскопика2010-01-221 минarXiv:1001.4048экспресс
Алмазная память для квантового процессора
Сверхпроводящий кубит — крошечное колечко без сопротивления — щёлкает задачами быстрее, чем вы моргаете. Но стоит отключить питание, и всё, что он насчитал, исчезает. Как повар, который готовит без записи рецепта: пока стоит у плиты, помнит каждый шаг, а через час — пусто. Авторы работы предлагают записывать результат в алмаз.
Квантовая физика2011-10-131 минarXiv:1110.2978экспресс
Квантовая память в алмазе
Крошечный алмаз с дефектами — атомами азота, занявшими место углерода, — таит в себе необычную особенность. Вокруг каждого дефекта крутится лишний электрон, как волчок, который можно наклонять радиоимпульсами.
Ветер без среднего: почему корреляции в долинах Мак-Мердо не работают
В комнате, где собрались сто человек, можно измерить рост каждого и вычислить средний. Но если в комнату войдёт человек бесконечно высокий, средний рост перестанет существовать: сколько бы людей ни добавилось, сумма будет расти без предела. Примерно такая ситуация сложилась с измерениями скорости ветра в Сухих долинах Мак-Мердо, где метеостанции фиксируют порывы, которые не укладываются в обычную статистику.
Квантовый симулятор: мост, который проверяют на прочность
В 1982 году физик Ричард Фейнман предложил простую идею: чтобы понять квантовую систему, нужно построить другую квантовую систему, которая ведёт себя так же. Так родился квантовый симулятор — устройство, которое не считает уравнения, а воспроизводит их в своём собственном поведении.
Воздушный оркестр долины По: как глобальные ритмы дирижируют температурой до 20 километров
Дважды в день, в одиннадцать утра и в одиннадцать вечера, с крошечной станции в Сан-Пьетро-Капофьюме, что в одиннадцати метрах над уровнем моря, в небо уходит белый шар с прибором. За двадцать два года таких запусков набралось больше шестнадцати тысяч, и каждый из них записал, как меняется температура воздуха с высотой: от тёплой земли до разреженного холода на двадцати километрах.
Дыхание тропических дождей: как фазы Эль-Ниньо управляют крайностями осадков
В 1998 году Тихий океан у берегов Перу резко остыл, и тропические дожди словно сделали глубокий вдох. Влажные зоны, где за год выпадает больше трёх метров воды, поползли на запад, а сухие пятна, где не набирается и двухсот миллиметров, расширились у берегов Австралии и обеих Америк.
Кто на самом деле греет планету: информационный след климатических водителей
Судья на процессе о климате не слушает, кто громче кричит. Он следит за тем, кто кому подсказывает. Девять «свидетелей» — от углекислого газа до космических лучей — давали показания с 1984 по 2005 год. Их слова записывали каждый месяц. Судья не верит простым совпадениям, потому что два свидетеля могут повторять друг друга, не зная, кто начал первым. Он ищет односторонний поток информации.
Оркестр, где каждый инструмент вступает по своему расписанию
Оркестр играет сложную пьесу, и каждая группа инструментов вступает по своему расписанию. Скрипки могут замедлиться, пока духовые держат прежний темп, а ударные вдруг взорвутся дробью. Дирижёр слышит всё сразу, но определить, в какой именно момент изменился ритм у флейт, а не у виолончелей, почти невозможно.
Пульс планеты с неровным ритмом
Каждые несколько лет Тихий океан делает глубокий вдох. Тёплая вода, обычно копившаяся у берегов Индонезии, разливается на восток, к Южной Америке, и пассаты, которые гнали её на запад, на время стихают. Этот вдох и выдох называют Эль-Ниньо — Южным колебанием, или ЭНСО.
Болото струнной теории: почему вакуум де Ситтера не живёт
Вселенная расширяется всё быстрее, и стандартное объяснение этому — положительная космологическая постоянная, то есть вакуум де Ситтера. Теория струн, претендующая на роль квантовой гравитации, должна уметь описывать такой вакуум, но за десятилетия усилий ни одной надёжной конструкции не появилось.
Мезоскопика2018-08-271 минarXiv:1808.09043экспресс
Квантовый клубок: как разглядеть невидимую связь
Камень падает в воду — и вокруг расходятся круги. В квантовом мире магнитная примесь (тот самый камешек) в металле возмущает окружающие электроны, и они образуют вокруг неё особое облако. Его называют облаком Кондо. Как круги на воде в темноте, оно долго оставалось неуловимым.
Квантовая физика2018-11-052 минarXiv:1811.01693экспресс
Мороз для квантового мозга
Квантовый компьютер напоминает оркестр, где каждый музыкант играет на невидимом инструменте. Вместо скрипок и труб — кубиты, хрупкие частицы, которые легко сбить с ритма малейшим теплом или шумом. Чтобы оркестр из миллионов таких музыкантов зазвучал слаженно, дирижёр должен стоять не в тёплом зале, а прямо на морозе, рядом с ними.
Сложность как предвестник: прогноз силы Эль-Ниньо за год
Каждый день океан в тропической части Тихого океана ведёт тихий разговор сам с собой: температура воды в одних местах чуть выше, в других чуть ниже, и эти пятна тепла и холода медленно перетекают друг в друга. Этот разговор кажется случайным, но в нём скрыт сигнал.
Квантовая физика2019-09-251 минarXiv:1909.11775экспресс
Алмазный квантовый оркестр
Внутри алмаза иногда встречаются крошечные изъяны — место, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Физики называют это NV-центром (дефект из азота и вакансии). Такой дефект ведёт себя как магнитная стрелка, которая может хранить информацию в своём вращении.
Перетягивание каната в тропиках: как сезонные колебания воздуха управляют Эль-Ниньо
Тропики дышат с годовым ритмом: температура воздуха то поднимается, то опускается, и в этом дыхании скрыты два главных пульса. Первый пульс силён в феврале и слаб в августе, второй сдвинут на полгода. Эти два пульса не просто фон для знаменитого Эль-Ниньо, а его дирижёры.
Два барометра, показывающие разную погоду
В 2021 году два инструмента, призванные предсказывать погоду на год вперёд, показали разное. Один, построенный на связях между температурами в разных точках Тихого океана, молчал: никакого Эль-Ниньо в 2022 году не будет.
Волны денге: что связывает лихорадку с океаном и листвой
Каждый год в Коста-Рике лихорадка денге приходит как сезон дождей: её ждут, к ней готовятся, но точный ритм вспышек оставался загадкой. В одних кантонах болезнь вспыхивает каждый год, в других — раз в два или три года. Исследователи решили послушать этот ритм, как врач слушает сердце, но вместо стетоскопа взяли спутниковые снимки и математический инструмент, который раскладывает сигнал на волны разной длины.
Эхо далёких океанов: как сезонные молнии предсказывают по медленным течениям
Каждый год молнии убивают тысячи людей, особенно в тропиках, где грозы наиболее интенсивны. В Индии доля смертей от молний среди всех жертв природных катастроф растёт, несмотря на общее снижение числа погибших от циклонов и наводнений. Казалось бы, молния слишком быстра и локальна, чтобы предсказывать её за месяцы вперёд.
Переводчик, который не теряет смысл
Метеоролог смотрит на карту давления и пытается понять, куда двинется циклон. У него есть модель, но она ошибается, и есть свежие измерения, но они неполны. Соединить их так, чтобы прогноз остался физически осмысленным, труднее, чем кажется: классические методы иногда выдают отрицательную температуру или невозможную вероятность. Новый подход смотрит на задачу глазами квантовой механики.
Кубики внимания для прогноза погоды
Метеоролог смотрит на карту, где облака сбиваются в стаи, как птицы перед грозой. Каждое пятно на радаре — это будущий ливень или просто шум. Прогноз земной системы похож на попытку собрать пазл из тысяч кусочков, которые постоянно меняют форму. Долгие годы синоптики полагались на численные модели, которые перемалывают уравнения физики атмосферы и океана.
Сеть, которая звенит перед рывком
Рыбак натягивает сеть и слушает, как она звенит. Каждая нить дрожит по-своему, но перед сильным рывком все нити начинают вибрировать в лад. Так и в сложных системах: перед резким скачком состояния отдельные части вдруг начинают колебаться согласованно, и эта согласованность выдаёт приближение скачка. Учёные построили модель из 500 связанных осцилляторов ФитцХью–Нагумо на кольце.
Эхо невидимого камня
В цепочке из восьми спинов притаился дефект — крошечный магнитный момент. Эффект Кондо, известный с 1930-х годов, заставляет электроны вокруг него выстраиваться в коллективный экран. Сопротивление материала аномально растёт. Но нащупать такую примесь, спрятанную глубоко в структуре, — всё равно что найти камень на дне тёмного пруда.
Климат, урожай и послеуборочный конфликт
На африканском поле только что собрали кукурузу. Зерно лежит в мешках, и для вооружённых групп это приманка: есть что отнять у крестьян. Но если урожай не удался, приманка исчезает, и нападений становится меньше. Именно это происходит, когда Эль-Ниньо (тёплое течение в Тихом океане, которое меняет погоду по всему миру) приносит засуху в земледельческие районы Африки.
Океан и атмосфера учатся говорить на одном языке
Два танцора стоят друг напротив друга, но не видят лиц. Один — атмосфера, быстрая и шумная, забывающая свои движения уже через пару недель. Второй — океан, медленный, тяжёлый, помнящий каждое касание месяцами. Чтобы танец состоялся, им нужно научиться вести друг друга, глядя только на руки партнёра.
Оркестр всех нот: как классика играет квантовую музыку
В 2023 году группа исследователей из Окриджской национальной лаборатории запустила на суперкомпьютере Theta симуляцию квантовой схемы из 61 кубита. Для хранения её вектора состояния потребовалось бы 32 эксабайта памяти — больше, чем суммарный объём всех жёстких дисков на планете. Но благодаря сжатию данных уложились в 768 терабайт.
Тормоз и газ в одной педали: как слабые измерения защищают квантовые батареи от разрядки
Квантовая батарея — это не ящик с электролитом, а горстка атомов или сверхпроводящих контуров, запасённая в возбуждённых состояниях. Зарядить её можно за доли секунды, используя коллективные квантовые эффекты. Но стоит батарее оказаться в реальном мире, как энергия начинает утекать в тепло: эрготропия — максимальная работа, извлекаемая из квантового состояния, — необратимо рассеивается.
Квантовая физика2025-01-091 минarXiv:2501.05598экспресс
Квантовые сети: как световые переключатели объединяют процессоры
Один квантовый процессор — как один музыкант. Сыграть простую мелодию он может, но для симфонии нужен оркестр. Чтобы решать задачи, требующие огромных вычислений, процессоры нужно соединять в сеть.
Квантовая физика2025-04-071 минarXiv:2504.05353экспресс
Телепортация энергии сквозь время
Почтовый перевод приходит не сразу, а через заданный срок — и сумма на счёте получателя оказывается больше, чем отправитель положил наличными. Примерно так работает новый протокол, названный темпоральной квантовой телепортацией энергии (TQET). В обычной квантовой телепортации энергии два участника, Алиса и Боб, делят общее квантовое состояние.
Робот-регулировщик для квантовых ворот
Квантовый компьютер — это оркестр, где каждый кубит должен вступить точно в свою долю. Но вместо дирижёра с палочкой у нас есть генератор произвольных импульсных форм (AWG), который подаёт микроволновые сигналы длительностью в десятки наносекунд.
Пять вопросов, которые физика задаёт философам
Ночью астроном наводит телескоп на край видимой Вселенной и видит не звёзды, а рябь — отпечаток первых мгновений. Он знает, что эта рябь должна подчиняться статистике, как рост людей в толпе. Но толпа у него одна-единственная, и сравнить не с чем. Это и есть космическая дисперсия.
Квантовая физика2025-04-252 минarXiv:2504.18527экспресс
Холодный мозг квантового компьютера
Оркестр, где каждый музыкант играет на инструменте, который ломается от малейшего тепла. Дирижёр — это квантовый процессор, а музыканты — кубиты, хрупкие носители квантовой информации. Чтобы они звучали слаженно, нужен целый штат настройщиков, которые сидят в соседней комнате и передают команды через звукоизолирующую стену.
Квантовое сито для энергосистемы
Энергосистема каждые сутки решает головоломку: какие электростанции запустить, чтобы надёжно покрыть спрос и не разориться. Для 15 генераторов и 24 часов число возможных расписаний превышает 2.3×$$10^{108}$$ — больше, чем атомов в видимой Вселенной. Перебрать все варианты не может ни один классический суперкомпьютер, поэтому диспетчеры ищут компромисс.
Танец скирмиона: как магнитный вихрь дирижирует квантовым оркестром
Квантовый компьютер похож на оркестр, где струнные и духовые играют на разных языках. Сверхпроводящие процессоры оперируют микроволновыми фотонами в сантиметровых контурах, а спиновые кубиты — например, азотно-вакансионные центры — хранят информацию в масштабах отдельных атомов.
Космическое танго: как спины танцуют с тёмной материей
Среди фундаментальных симметрий природы зеркальная чётность занимает особое место. Стандартная модель уже знает одно её нарушение — в слабом взаимодействии, но гипотетические дальнодействующие силы, не сохраняющие левое и правое, могли бы многое рассказать о тёмной материи.
Свет в криостате: как несовершенные преобразователи строят квантовые мосты
Квантовый процессор на сверхпроводниках — как микроскопический мегаполис, запертый в криогенном холодильнике: улицы из сверхпроводящих линий, кварталы кубитов. Каждый житель требует тишины и холода, но расширять город внутри одного криостата всё равно что надстраивать небоскрёбы в тесном дворе — провода греют среду, шумы нарастают, когерентность грозит обрушиться.
Квантовое измерение как деформация восприятия: сфера Блоха и рождение категорий
Квантовая механика подарила нам чарующий образ: состояние системы — не замершая точка, а волна возможностей, танцующая в абстрактном пространстве. Благодаря работам Шрёдингера и Дирака мы изображаем её векторами в гильбертовом пространстве.
Квантовый камертон: шум ускоряет поиск одиночных эмиттеров
Детектирование одиночного квантового излучателя напоминает настройку рояля в цеху с орущими станками: чистый тон захлёбывается в шуме. Но настройщик не пытается перекричать грохот — он берёт камертон и вслушивается в биения. Так даже едва слышный отзвук становится явным.
Смерть и возрождение квантового эха: иерархия временных корреляций в кубите
Ударьте в гонг — и звук будет таять слоями: низкий гул держится дольше, высокие обертоны исчезают первыми, оставляя после себя тишину. Так и кубит, проживая свою квантовую жизнь, оставляет не одно, а сразу три эха собственного прошлого.