Одним из самых ярких открытий является новость о том, что команда National Institute of Standards and Technology (NIST) представила новое устройство, которое может стать переломным моментом в разработке квантовых компьютеров.
Наши проекты
- Квантовые точки: что это такое и почему за них дали нобелевскую премию?
- Квантовые точки: что это такое и почему за них дали нобелевскую премию?
- Нобелевка по физике за изучение квантовой запутанности — что это значит
- Чем занимались физики в 2023 году
- Популярное
Российские учёные развивают технологии на основе квантовой физики вместо классической
Волна или частица До конца XIX века атомы считались неделимыми «элементами». Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под «оболочку» атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Эта теория квантовой физики весьма красивая, но она имеет ряд парадоксов.
Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им — чем объяснить удивительную прочность всей системы? Говоря словами одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга, «никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние». Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом — пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны.
При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него.
Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, которые пытались объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно.
Ведь для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн. Что здесь возбуждается, если нет никакой среды?
Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной. Строение ядра и ядерные частицы Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью.
Вокруг ядра электроны формируют «облака» таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений. Составляющие его крупные элементарные частицы — положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны — также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности.
К сожалению, есть одна проблема - такая теория до сих пор не создана и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями. Энергия — величина динамическая, связанная с процессами или работой.
Для ряда задач удалось доказать, что равенство энтропий запутанности — критерий обратимости операций, переводящих одно запутанное состояние в другое. До недавнего времени считалось, что это может быть указанием на фундаментальную аналогию между квантовой теорией и термодинамикой — теоретики пытались придумать или опровергнуть существование энтропии запутанности и закона ее неубывания в общем случае. Работа под авторством Людовико Лами Ludovico Lami из Ульмского института теоретической физики и Бартоша Регула Bartosz Regula из Токийского университета, кажется, ставит точку в этом вопросе и исключает фундаментальную аналогию между устройством квантовой запутанности и вторым законом термодинамики.
Чтобы обосновать это, авторы теоретически рассмотрели задачу, в которой две стороны условно именуемые Алиса и Боб имеют доступ к двум подсистемам каждый — к своей подсистеме запутанного квантового состояния и обладают большим числом идентичных копий этого состояния. При этом Алиса и Боб стремятся преобразовать исходный набор состояний в набор из как можно большего числа копий заранее оговоренного конечного состояния вообще говоря, с погрешностью — отклонением реально получившихся конечных состояний от оговоренного образца, но с условием, чтобы в пределе бесконечного числа исходных состояний реально получившиеся конечные состояния не отличались от желаемых. Кроме того, исследователи потребовали, чтобы при преобразованиях в системе не генерировалась новая запутанность вдобавок к уже имеющейся по аналогии с тем, как в адиабатических переходах в термодинамике в систему извне не поступает теплота — для этого они рассмотрели только такие операторы преобразований, которые копии исходных сепарабельных то есть не запутанных, состоящих из двух полностью независимых подсистем состояний превращают только в другие сепарабельные.
Они понимают законы природы, поэтому могут спроецировать настоящее в будущее и предположить, каким же оно будет. Митио Каку.
Под маленькими я, конечно, имею в виду строение и функции человеческого мозга и генетику. Под очень большими — теорию Большого взрыва. Сейчас мы стали рассматривать вселенную с точки зрения квантовой теории. Следующий большой скачок произойдет, когда мы сумеем объединить большое с маленьким. Когда мы сумеем применить квантовую теорию к пониманию генетики и человеческого мозга.
И в этом нам должны помочь квантовые компьютеры. В каком-то смысле таким квантовым компьютером является сама мать-природа. Сейчас мы используем компьютеры, работающие на бинарном коде. Но природа работает иначе. Она, в отличие от цифрового разума, мыслит не нулями и не единицами.
У нее — квантовый разум. Этот разум понимает атомы, электроны и фотоны. Именно из них слагается язык вселенной. И именно это и будет следующим большим прорывом в науке. Би-би-си: Следует ли ожидать этого большого скачка только в физике, или он распространится и на другие науки, например, на медицину?
Давайте попробуем это лекарство. А оно сработает? Мы не знаем. Ладно, давайте попробуем другое. А оно поможет?
Мы опять не знаем. Хорошо, тогда давайте попробуем третье. Многие чудодейственные лекарства были найдены случайно. Однако если применить к медицине квантовую теорию, то исследования будут вестись на молекулярном уровне. Вы сможете увидеть и понять, как работает каждая отдельная молекула.
После этого вы начнете заполнять пробелы в имеющихся знаниях и создавать новые лекарства буквально с нуля. Означает ли это, что химики просто останутся без работы, потому что они нам больше не будут нужны? Означает ли это, что всю работу будут выполнять квантовые компьютеры?
Отдельные публикации могут содержать информацию, не предназначенную для пользователей до 16 лет. Интернет-журнал Новая Наука каждый день сообщает о последних открытиях и достижениях в области науки и новых технологий. Читайте последние новости высоких технологий, науки и техники.
Последние комментарии
- Последние новости:
- Восторг и ужас Вселенной: Как квантовая физика перевернула мир и почему она наводит жуть
- Ученые продолжили попытки понять квантовую запутанность: есть большой прогресс
- Чем занимались физики в 2023 году | Наука и жизнь
Квантовые технологии изменят мир. Новости квантовых компаний.
Новый эксперимент подтверждает краеугольное предположение о квантовых вычислениях; удваивая жизнь кубита, исследователи доказали ключевую теорию квантовой физики. Китайские физики объявили о доказательствах существования новой субатомной частицы, обнаруженной при распаде (J/psi)-мезона на пару положительных и отрицательных пионов. квантовая физика: Последние новости. Физики из Национальной лаборатории в Брукхейвене (Brookhaven National Laboratory, BNL) открыли совершенно новый тип квантовой запутанности, достаточно известного явления, связывающего квантовые частицы. В этом видео представлена инновационная разработка в области эволюционной науки, которая предлагает новый взгляд на природу нашей Вселенной. Эта гипотеза нав. квантовая физика: Последние новости. Физики из Национальной лаборатории в Брукхейвене (Brookhaven National Laboratory, BNL) открыли совершенно новый тип квантовой запутанности, достаточно известного явления, связывающего квантовые частицы. Физики показали, что операции над квантовыми системами, в которых не генерируется дополнительная квантовая запутанность вдобавок к уже имеющейся в системе, в общем случае являются необратимыми.
Нобелевскую премию по физике присудили за квантовую запутанность
Ладно, но хотя бы сами атомы твердые! Берем ускоритель элементарных частиц, и видим, что и атом состоит в основном из пустоты. Вокруг ядра — электроны, то ли частицы, то ли волны, ядро — протоны и нейтроны. Хорошо, но хотя бы протоны с нейтронами твердые.
Но при ближайшем рассмотрении те и другие распадаются на кварки. А Большой адронный коллайдер демонстрирует, что и кварк — это не «частица», а некая одномерная колеблющаяся струна. Получается, все вокруг - это энергия, колебания, а «твердое вещество» - своего рода иллюзия.
Фантасты гадают, может, мы живем в Матрице, и мир — лишь компьютерная симуляция? На самом деле и гадать не надо, по сути так и есть. Мир «твердых предметов» удобен и комфортен.
Взял стакан, поставил на стол, никуда он не денется. Но есть проблема: он иллюзорен, и мы его сами создали под нас, под возможности наших органов чувств. Да, мы в Матрице, которую сотворили природа и наш мозг.
В прошлом году международная группа ученых доказала: мир иллюзорен, и у каждого наблюдателя своя «голограмма». Им удалось воплотить «в железе» мысленный эксперимент, предложенный физиком Юджином Винером. Винер утверждал: если один видит, что знаменитый кот Шредингера мертв, друг этого наблюдателя увидит, что кот жив.
Это назвали «парадокс друга Винера». Ученые с огромным трудом синтезировали шесть пар специальных фотонов, и оказалось: ничто во Вселенной не является «состоявшимся», «твердо установленным», пока информация об этом не обошла всю Вселенную. А, поскольку Вселенная велика, все вокруг по сути существует в неком подвешенном состоянии.
Моя книга упала со стола. Но, пока информация об этом не дошла до самой далекой галактики, моя книга находится в квантовой суперпозиции где-то между столом и полом. Когда случился Большой взрыв, мир был очень прост, состоял из чистой энергии, и описывался одной формулой.
Но Вселенная расширялась, остывала, и из первоначально единой энергии выделились гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые взаимодействия два последних «держат» вместе элементарные частицы в атомном ядре. Все запуталось, и теперь физики пытаются распутать запутанное, найти формулу Единого, того, с чего все началось. Термин «запутанность» остро актуален в современной физике.
Вы наверняка слышали о квантовой запутанности. Скажем, два кванта «дружат», взаимодействуют, а потом разлетаются по разным уголкам Вселенной. Но связь сохраняется навсегда.
Если что-то случится с одним, другой в точности повторит состояние первого. Причем он «узнает» об этом мгновенно, быстрее скорости света. Это уже не теория: инженеры вот-вот представят новое поколение связи, которая заменит Интернет и сотовую телефонию, а опыты по квантовой запутанности в хороших школах учитель показывает просто на столе.
Чтобы «пощупать» то, Единое, надо вернуться в состояние Большого взрыва, когда господствовали колоссальные энергии. А где, как? Пока что лучший инструмент — Большой адронный коллайдер.
Протон в коллайдере — больше, чем протон. Мы почти научились превращать его в первоматерию, накачивая колоссальными энергиями. Тут на сцену выходят страхи, что мы устроим черную дыру в центре Европы, или спровоцируем «эффект бабочки», и все вокруг расплывется, как на картинах Сальвадора Дали.
Если вы думаете, что это досужие разговоры, а сами физики не обсуждают это за чашкой кофе, то заблуждаетесь. Что из этого следует? Дежавю, исчезающие предметы, двойники, которые понятия не имеют о существовании друг друга, призраки — все это может оказаться проявлением неизвестных частиц и энергий.
Просто пока нет инструмента, чтобы это измерить. Не хватает энергии. Или нужен в принципе другой инструмент.
Вообразим, например, что есть такое понятие, как «душа», у нее есть энергия, и есть частицы, которые эту энергию переносят. Слово «душа» все чаще фигурирует в исследованиях физиков. Упомянутый Джо Дэвис говорит о «термодинамической душе»: это «энергетическая память» хоть человека, хоть камня, которая делает одушевленной всю Вселенную.
Идея одушевленности мира следует из принципов квантовой механики: фотон каким-то образом «сознательно» выбирает свой путь от лампы до страниц вашей книги.
Преподаватели школы — ученые из новосибирского Академгородка. И все это — абсолютно бесплатно для 550 лучших школьников со всей страны. Как поступить призеру олимпиад?
По итогам Летней смены олимпиадной подготовки ЛСОП с 25 июня по 5 июля — 10-дневного интенсива для подготовки к региональному и заключительному этапам ВсОШ по математике, физике, биологии и химии. Приглашаем на ЛСОП-2024: Участников заключительного этапа, победителей и призеров регионального этапа ВсОШ по математике, физике, химии, биологии, информатике и астрономии; Победителей и призеров заключительного этапа олимпиад из перечня РСОШ по тем же предметам; Победителей и призеров заключительного этапа Всесибирской открытой олимпиады школьников.
Перепечатка материалов без согласования допустима при наличии активной ссылки на страницу-источник. Направляя нам электронное письмо или заполняя любую регистрационную форму на сайте, Вы подтверждаете факт ознакомления и безоговорочного согласия с принятой у нас Политикой конфиденциальности.
Очень скоро, в 1919 году, справедливость эйнштейновской интерпретации была доказана экспериментально — во время солнечного затмения это сделал астроном из Кембриджа Артур Эддингтон. Через два года Эйнштейну присудили Нобелевскую премию, правда, не за ОТО, а за фотоэффект, лежащий в основе работы фотоэлементов. Нобелевские судьи, по-видимому, были не готовы признать глубокий смысл ОТО. В парижской Палате мер и весов постоянно взвешивают эталонный килограмм. Это делается с целью не пропустить возможные колебания, флюктуации его массы. Если такой эффект все же обнаружится, это способно стать возможным подтверждением правомерности сверхсложных математически теорий струн и петель. Обе эти теории конкурируют и с классической ньютоновской теорией тяготения, и с ОТО. Заметим, что за 30 лет до публикации Ньютоном «Начал» 28-летний голландец Христиан Гюйгенс создал первые часы с маятником. Считается, что его колебания отражают меру искривления пространства-времени. С помощью маятника французский физик Жан Фуко, член Петербургской Академии наук, определил суточное вращение Земли и скорость света в воздухе 1850—1851. В 1918 году немецкий физик Макс Планк, бывший также членом Российской академии наук, получил Нобелевскую премию за формулирование идеи кванта, в том числе — кванта действия. Согласно Нильсу Бору, квант света, фотон, излучается электроном, который возвращается на свой исходный энергетический уровень в атоме. Учеными сначала были созданы пьезочасы кварцевые , затем атомные и, наконец, лазерные, продолжительность импульса которых сократилась до аттосекунд 10—18 с. Это позволило резко повысить разрешение физических инструментов и точность получаемых в ходе опытов результатов.
Чем занимались физики в 2023 году
В частности, в квантовой физике постулируется, что квантовые законы реализуются на сверхмалых расстояниях и в мире сверхмалых частиц. Физики из Китая, например, создали квантовый компьютер, работающий на фотонах, и за 200 секунд он провел бозонную выборку — это мегасложное вычисление, на которое могло уйти полмиллиарда лет работы самого быстрого суперкомпьютера. В 1973 году физик Филип Андерсон описал ее в своей теории, отметив, что она бы сыграла ключевую роль в создании квантовых компьютеров.
Квантовые технологии изменят мир. Новости квантовых компаний.
Одно из ключевых явлений квантовой физики — квантовая запутанность частиц: изменение, произошедшее с одной частицей, приводит к изменению другой частицы, находящейся на расстоянии от первой. Новости и мероприятия. Новый эксперимент подтверждает краеугольное предположение о квантовых вычислениях; удваивая жизнь кубита, исследователи доказали ключевую теорию квантовой физики. В МФТИ назвали главный прорыв года в квантовой физике. Читайте последние новости высоких технологий, науки и техники.
Российские учёные развивают технологии на основе квантовой физики вместо классической
Из-за своей квантовой природы до измерения спин вообще не имеет определенной ориентации, а после него он ориентируется либо в направлении поля, либо против него скажем, вверх или вниз, если поле вертикально. Теперь проведем ЭПР-эксперимент «по Бому». Пусть один детектор сообщил, что спин «его» электрона направлен вверх. Теперь можно утверждать, что спин второго электрона глядит вниз. И опыт это подтверждает. Пусть второй электрон движется в сторону более удаленного детектора с такой же ориентацией поля. Этот прибор с некоторой задержкой отметит, что электронный спин направлен вниз, как и ожидалось. Таким образом, мы достоверно предсказали спин второй частицы, никак на нее не воздействуя. Согласно логике ЭПР, направление ее спина считается элементом физической реальности.
В чем же парадокс? Допустим, что детекторы ориентированы иначе, скажем слева направо. Если спин одного электрона смотрит вправо, мы должны заключить, что спин второго направлен влево. Странный это элемент физической реальности, если его можно изменять по собственному усмотрению! Но это еще полбеды. Установим теперь ближний детектор вертикально, а дальний — ортогонально ему, слева направо. Если наблюдатель у первого детектора увидит, что спин смотрит вверх, он посчитает, что спин электрона-партнера направлен вниз. Однако второй прибор регистрирует значения спина не по вертикали, а перпендикулярно ей.
Квантовомеханические расчеты показывают, что при повторении этого эксперимента спин второго электрона в половине случаев будет смотреть вправо, а в половине — влево. Тогда второй наблюдатель вроде бы сможет с полным основанием заключить, что спин первого электрона направлен, соответственно, влево или вправо. В итоге выводы двух наблюдателей окажутся несовместимыми друг с другом. Что же делать с физической реальностью? С точки зрения Бора, никакого парадокса тут нет. Если ориентация спина возникает лишь в ходе измерения, то не приходится говорить о ней вне экспериментального контекста. Однако вспомним, что мы вольны в выборе детекторов. Откуда спину заранее знать, в каком направлении его измерят?
Похоже, что первый электрон мгновенно сообщает своему близнецу о том, что он проскочил через детектор. Но ведь никакого физического взаимодействия между ними нет, так как же они ухитряются общаться? Так что, если задуматься, копенгагенская интерпретация тоже не беспроблемна. Из этого тупика можно выбраться с помощью догадки Шрёдингера: система из двух связанных общим процессом рождения электронов принципиально нелокальна, так уж устроен мир. Отсюда с необходимостью следует, что квантовые корреляции сильнее классических. Тогда всё встает на свои места. Мы изготовили пару электронов в спутанном состоянии, отсюда и вся необычность их поведения в ЭПР-эксперименте. Но Шрёдингер сформулировал свою гипотезу словесно, для физики этого маловато.
Можно ли перевести ее на язык чисел, чтобы проверить с помощью измерений? Белловский прорыв Эту задачу первым поставил и успешно разрешил чрезвычайно одаренный ирландский физик, имя которого, к сожалению, и сейчас не слишком известно широкой публике. Уроженец Белфаста Джон Стюарт Белл 1928—1990 прожил недолго, злая судьба послала ему раннюю смерть от кровоизлияния в мозг. Он долго работал в Европейском центре ядерных исследований, где много сделал в области теории элементарных частиц и конструирования ускорителей. В 1964 году Белл, который тогда получил отпуск в ЦЕРНе ради временного пребывания в Брандейском и Висконсинском университетах, заинтересовался основами квантовой механики, в частности ЭПР-парадоксом. Результатом этих раздумий стало строгое математической доказательство возможности надежной экспериментальной проверки гипотезы существования спутанных состояний J. Bell, 1964. On the Einstein Podolsky Rosen paradox.
Его иногда именуют теоремой Белла, хотя он сам в своей статье это название не использовал. Джон Белл 1979 год. Фото с сайта en. Белл сформулировал первое из названных его именем неравенств, которые в принципе как раз и позволяют осуществить проверку гипотезы скрытых параметров. В содержательном плане суть его выводов состоит в утверждении, что никакое описание микропроцессов, основанное на этой гипотезе, не может объяснить все без исключения статистические результаты, получаемые в рамках стандартной квантовой механики. Со временем в теоретической физике возникло целое направление, посвященное поиску новых вариантов теоремы Белла. Математика первой статьи Белла в принципе не слишком сложна, но для воспроизведения в популярном тексте, конечно, не подходит. Однако суть его выводов можно передать и без технических деталей.
Белл показал, как можно подтвердить или опровергнуть реальность спутанных состояний на основе бомовской версии мысленного эксперимента ЭПР. Во-первых, нужно использовать не два детектора спина, а не меньше трех, а еще лучше — четыре. Во-вторых, детекторы следует располагать не параллельно или ортогонально, а под произвольными углами. Вот идеальная схема такого контрольного эксперимента. Пусть вновь имеется источник электронных пар с нулевым суммарным спином, посылающий частицы в противоположных направлениях, скажем влево и вправо. Поставим там по паре магнитных детекторов, повернув их по отношению друг к другу на произвольный угол. После каждого «включения» источника срабатывает один левый и один правый детектор, но какие именно — заранее не известно. А дальше — самое главное.
В итоге получим функцию назовем ее S , зависящую от угла, под которым установлены детекторы для интересующихся, речь идет о математическом ожидании. Из теоремы Белла следует, что для неспутанных частиц значения этой функции при любом расположении детекторов всегда лежат в промежутке от минус двух до плюс двух это и есть одна из версий неравенства Белла. Такой вывод следует лишь из предположения, что каждый член любой электронной пары, уйдя от источника, сохраняет свое собственное состояние, не подвергаясь воздействию далекого близнеца. Если же это не так, если электроны-партнеры даже вдали от источника не локализованы в полностью автономных состояниях, а связаны друг с другом квантовомеханической спутанностью, то выполнение неравенства Белла не гарантируется. Более того, из квантовомеханических вычислений следует, что при каких-то ориентациях детекторов численное значение функции S может быть как больше двух, так и меньше минус двух. Следовательно, экспериментальная проверка неравенства Белла в принципе открывает путь к решению проблемы существования спутанных состояний. Однако это было только начало длинной цепочки исследований. Белл в своей статье описал мысленный эксперимент, в котором могли бы быть проверены сделанные им выводы, однако его схема не годилась для реализации «в железе».
Holt опубликовали работу с новой версией белловского неравенства, которая уже допускала экспериментальную проверку J. Clauser et al. Proposed experiment to test local hidden-variable theories. Эта статья, известная по ссылкам как CHSH, стала важным этапом в развитии белловского подхода к проверке основ квантовой механики. Клаузер, Аспе и другие Выполнить такую проверку удалось далеко не сразу. Изготовление и регистрация спутанных состояний — непростая задача. Первые опыты по верификации теоремы Белла проводились с поляризованными фотонами. Вместо бомовских пар спутанных электронов с нулевым полным спином в них использовали пары световых квантов с альтернативными модами поляризации например, вертикальной и горизонтальной , а вместо магнитных детекторов — поляризационные фильтры.
Химические реакции протекали намного быстрее, чем в обычных условиях. Также ученые заметили, что взаимодействие трех атомов происходит чаще, чем двух, и при столкновении трех атомов два соединяются, образуя молекулу, а третий каким-то образом помогает процессу. По словам авторов исследования, все молекулы, которые получаются в итоге, находятся в одном и том же состоянии, что полезно для создания больших партий идентичных молекул. Их предлагают, в частности, использовать в качестве кубитов в квантовых вычислительных устройствах. В Техасском университете в Эль-Пасо США заявили, что придумали магнитный материал, позволяющий манипулировать кубитами при комнатной температуре. Профессор Техасского университета в Эль-Пасо Ахмед Эль-Генди демонстрирует магнетизм нового материала для квантовых компьютеров А японские физики добились квантовой стабильности при комнатной температуре в молекуле красителя, встроенной в металлоорганический каркас. Хромофор окружает каркас из нанопористого кристаллического материала.
До недавнего времени считалось, что это может быть указанием на фундаментальную аналогию между квантовой теорией и термодинамикой — теоретики пытались придумать или опровергнуть существование энтропии запутанности и закона ее неубывания в общем случае. Работа под авторством Людовико Лами Ludovico Lami из Ульмского института теоретической физики и Бартоша Регула Bartosz Regula из Токийского университета, кажется, ставит точку в этом вопросе и исключает фундаментальную аналогию между устройством квантовой запутанности и вторым законом термодинамики. Чтобы обосновать это, авторы теоретически рассмотрели задачу, в которой две стороны условно именуемые Алиса и Боб имеют доступ к двум подсистемам каждый — к своей подсистеме запутанного квантового состояния и обладают большим числом идентичных копий этого состояния.
При этом Алиса и Боб стремятся преобразовать исходный набор состояний в набор из как можно большего числа копий заранее оговоренного конечного состояния вообще говоря, с погрешностью — отклонением реально получившихся конечных состояний от оговоренного образца, но с условием, чтобы в пределе бесконечного числа исходных состояний реально получившиеся конечные состояния не отличались от желаемых. Кроме того, исследователи потребовали, чтобы при преобразованиях в системе не генерировалась новая запутанность вдобавок к уже имеющейся по аналогии с тем, как в адиабатических переходах в термодинамике в систему извне не поступает теплота — для этого они рассмотрели только такие операторы преобразований, которые копии исходных сепарабельных то есть не запутанных, состоящих из двух полностью независимых подсистем состояний превращают только в другие сепарабельные. В качестве меры качества преобразования копий исходного состояния в копии желаемого ученые, следуя предыдущим работам, ввели коэффициент трансформации — отношение количества полученных асимптотически идеальных копий желаемого состояния к количеству исходных копий в пределе бесконечно большого числа исходных копий.
Это произошло в Лаборатории холодного атома NASA Cold Atom Lab на борту Международной космической станции и стало ещё одним шагом на пути внедрения в космосе квантовых технологий, доступных в настоящее время только на Земле. Принцип охлаждения атомов с помощью лазеров. На МКС лаборатория попала в 2018 году и с тех пор учёные на Земле — прибор управляется дистанционно — провели с её помощью множество экспериментов.
В частности, установка помогла создавать квантовый газ — конденсат Бозе-Эйнштейна, который в условиях микрогравитации вёл себя достаточно интересно. Но недавно учёные NASA заявили, что им удалось создать в камере лаборатории конденсат Бозе-Эйнштейна из смеси двух атомов: калия и рубидия. А где есть смесь различных химических веществ, там появляются реакции.
Фактически учёные создали основу для проведения в космосе экспериментов по квантовой химии, что раньше было возможно только в земных условиях на очень сложных и громоздких установках. Кроме того, перенос квантовой химии в космос — в условия микрогравитации — позволяют изучать квантовые явления с недоступной на Земле точностью для целого ряда экспериментов. Наконец, это путь к появлению в космосе приборов, опирающихся на квантовые явления.
От этого выиграет связь, навигация и многое другое, что ещё предстоит открыть. Если в обычных металлах возникала сверхпроводимость и мгновенно исчезала на какой-то чёткой температурной отметке, то сопротивление странных металлов при изменении температуры менялось линейно. Этому не было внятного объяснения, пока это недавно не сделали физики из США.
Как минимум, учёные обосновали ряд характерных свойств «странных металлов». Стройная теория может помочь ответить на вопросы о достижении сверхпроводимости при высоких температурах и помочь в разработке квантовых компьютеров. Квантовая механика стала тем инструментом, который помог разобраться в вопросе.
Новая теория опирается на два ключевых свойства странных металлов. Во-первых, электроны в таких металлах могут запутываться друг с другом — переходить в абсолютно идентичные квантовые состояния — и оставаться в таком состоянии даже при удалении на значительные расстояния друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, похожее на лоскутное, расположение атомов.
Неравномерность атомной структуры странного металла означает, что запутанность электронов зависит от того, в каком месте материала она произошла. Такое разнообразие вносит хаотичность в импульс электронов при их движении через материал и взаимодействии друг с другом. Вместо того чтобы течь вместе, электроны сталкиваются друг с другом во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению.
Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее материал, электрическое сопротивление растёт вместе с температурой, что и наблюдается на практике. Там где у обычных металлов происходит скачок при переходе от сверхпроводимости к резкому увеличению сопротивления, странные металлы продолжают пропускать ток с плавным увеличением сопротивления току. Ключевым в новой теории стало то, что физики объединили два явления — запутанность и неоднородность, что раньше не рассматривалось для одного материала, а по отдельности это не приводит к странному поведению металлов.
Тем самым учёные предлагают механизм по коррекции условий сверхпроводимости в странных металлах. Искусственно созданные неоднородности могут воспроизвести сверхпроводимость в нужном месте с заданными целями, что может найти применение, например, в квантовых вычислителях. Когда вы можете на что-то влиять, это способно привести к желаемому результату.
Радарные технологии тоже ждут квантового превосходства. Классические радары слепнут в условиях сильных помех, тогда как эффект квантовой запутанности способен прорвать эту пелену. Французские учёные заявили , что они добились успеха на новом направлении и показали 20-процентное превосходство квантовых радарных технологий над классическими.
Учёные создали схему, в которой происходит запутывание двух микроволновых фотонов квантов энергии , один из которых летит к цели, отражается от неё и в окружении шумов возвращается к источнику, где сравнивается с «холостым» фотоном, с которым он находится в состоянии квантовой запутанности. Эффект запутанности позволяет с большой точностью детектировать сигнал и выделяет его даже на фоне очень сильных помех. В теории эта разница может достигать четырёхкратного превосходства квантовых радаров, но для эксперимента даже такого преимущества достаточно, чтобы дальше работать в этом направлении.
Схема экспериментальной установки Следует сказать, что до этого никто не заявлял о создании схемы квантового радара для микроволнового диапазона. Предыдущие эксперименты были основаны на запутывании пар фотонов видимого или близкого к нему диапазонов, что наука освоила довольно хорошо. Но фотоны видимого или инфракрасного света, как нетрудно догадаться, будут бесполезны в дождь, снег и в густой облачности.
Поэтому работающая схема квантового радара с фотонами микроволнового излучения в гигагерцовом диапазоне, где работают классические радары, это определённый прорыв, которым можно гордиться. Но также не следует забывать о разработках китайцев , которые тоже заняты серьёзными исследованиями в области квантовых радаров. Они также преуспели в экспериментах с запутыванием фотонов в оптическом диапазоне и представили альтернативу микроволновым фотонам в виде излучения запутанных электронов, разогнанных до скорости, близкой к световой.
Во всех случаях серьёзным недостатком таких решений было и остаётся необходимость сильнейшего охлаждения запутанных частиц, что было также в случае схемы французских учёных. Но на уровне квантовых явлений всё настолько необычно, что «ни в сказке сказать, ни пером описать». В квантовом мире скрыто так много всего непознанного, что каждое открытие предоставляет горизонты возможностей.
Так, недавно обнаруженное новое квантовое состояние вещества обещает помочь в создании квантовой памяти и не только. Источник изображения: Pixabay Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте и их коллеги из Китая воспроизвели условия, при котором вещество приобрело хиральное бозе-жидкостное состояние. Хиральность указывает на отсутствие левой и правой симметрии в структуре вещества, а отношение к бозе-жидкости говорит о чрезвычайной текучести или сверхпроводимости при температурах, близких к абсолютному нулю.
Новое состояние вещества было получено в образце из двух наложенных один на другой слоёв полупроводника. В верхнем слое был избыток электронов, а в нижнем — определённый дефицит дырок. Тонкость эксперимента была в том, что на всех электронов дырок не хватало.
Приложив к образцу сверхсильное магнитное поле, учёные начали следить за движением электронов. По мере увеличения силы поля образец переходил в состояние хиральной бозе-жидкости с демонстрацией ряда уникальных свойств. Например, при охлаждении до температуры близкой к абсолютному нулю электроны в веществе «зависали в предсказуемом порядке и с фиксированным направлением спина» и не реагировали на другие частицы или на магнитные поля.
Подобная стабильность может найти применение в цифровых системах хранения данных на квантовом уровне. Другой интересный момент заключался в том, что воздействие внешней частицы на один из электронов в системе проявлялось реакцией на всех электронах в системе, что объяснили эффектом квантовой запутанности частиц в бозе-жидкости. Это открытие тоже обещает быть полезным в будущих квантовых системах.
Необходимо будет передавать квантовые состояния, в частности — запутывать кубиты одного компьютера с кубитами другого. На небольших расстояниях это ещё можно сделать, но обеспечить такую передачу на десятки, сотни и тысячи километров — это задача, требующая особых ретрансляторов. Работу такого показали в Австрии.
Такая физика сильно затрудняет квантовое распределение ключей и квантовую криптографию на этой основе. Дополнительно проблему усугубляет тот факт, что передачу квантовых состояний необходимо втиснуть в существующую кабельно-волоконную инфраструктуру — обеспечить работу как на пассивном, так и на активном оборудовании. Если проще — переносящий квантовое состояние фотон требуется сначала перевести в фотон со стандартной для современной телекоммуникации частотой для его передачи по оптике, где свои требования к длинам волн, а затем сделать обратное преобразование.
Осуществить подобный трюк удалось учёным из австрийского Университета Инсбрука. Исследователи собрали ретранслятор запутанности фотонов и показали её «телепортацию» на 50 км. Уточним, речь идёт не о передаче информации, которую можно расшифровать тем или иным способом, а о передаче квантового состояния обычно речь идёт об измерении спина — ориентации магнитного вектора элементарной частицы.
Квантовые точки: что это такое и почему за них дали нобелевскую премию?
В соответствии с принципами квантовой физики кот является одновременно и живым, и мертвым. Отсюда берет свое начало термин "квантовая суперпозиция" — совокупность всех состояний, в которых может одновременно находиться кот. Сегодня физики активно пытаются создать такого кота Шредингера, которого можно было бы увидеть невооруженным глазом. Роберт Шоелкопф Robert Schoelkopf из Йельского университета США и его коллеги "вырастили" усовершенствованную модель такого квантового "животного", научившись разделять кота Шредингера на отдельные, но, тем не менее, зависящие друг от друга части. Эти резонаторы связаны между собой при помощи замкнутого сверхпроводника, играющего роль искусственного атома.
Открытие гравитационных волн в 2017 году и первый снимок черной дыры 2019 год ознаменовали собой новую эру космических исследований — в самом ближайшем будущем мы узнаем много нового о Вселенной и существующих на ее просторах объектах. Так, недавно в журнале Physical Review Letters вышла статья, авторы которой утверждают что эти космические монстры обладают уникальными и причудливыми квантовыми свойствами. Новое исследование имеет отношение к теории квантовой гравитации — одной из нерешенных загадок современной науки.
Как поступить призеру олимпиад? По итогам Летней смены олимпиадной подготовки ЛСОП с 25 июня по 5 июля — 10-дневного интенсива для подготовки к региональному и заключительному этапам ВсОШ по математике, физике, биологии и химии. Приглашаем на ЛСОП-2024: Участников заключительного этапа, победителей и призеров регионального этапа ВсОШ по математике, физике, химии, биологии, информатике и астрономии; Победителей и призеров заключительного этапа олимпиад из перечня РСОШ по тем же предметам; Победителей и призеров заключительного этапа Всесибирской открытой олимпиады школьников. Не призер, а поступить хочу. Что делать?
И третье — возможность что стало актуальным в контексте последних событий достижения определённого технологического суверенитета нашей страны и паритета в развитии критически важных технологий. Ведь страны, которые обладают квантовыми компьютерами, точно будут иметь определённое технологическое преимущество.
Нам нельзя остаться без него в современном мире. Насколько российские учёные в принципе продвинулись в вопросе квантовой механики, квантовых вычислений, квантовых коммуникаций, особенно в последние годы, когда в стране идет Десятилетие науки и технологий? Сейчас мы отстаём от зарубежных команд или опережаем? Вообще, если смотреть исторически, очень многое из того, что стало основой квантовой механики, сделано советскими и российскими учёными. Например, есть понятие «матрица плотности» — это то, как мы описываем состояние квантовой системы. Его ввели одновременно венгеро-американский математик Джон фон Нейман и советский учёный Лев Ландау в 1927 году. Даже концепцию квантового компьютера в начале 1980-х тоже одновременно предложили Ричард Фейнман в Соединённых Штатах и Юрий Манин, советский математик.
Несколько ключевых результатов в области квантовых технологий носят имена советских учёных. Например, теорема Холево , которая известна практически каждому специалисту в этой области. Вот эти основы — это уже достижение наших соотечественников. И это всего несколько примеров, российские учёные отметились по всей ветке развития квантовой механики. Сейчас отставание есть. Оно неоднородно по разным областям. Если в сфере квантовых компьютеров оно наблюдается из-за колоссальных инвестиций, направляемых на это направление, скажем, в США или Китае, то по квантовым коммуникациям российские решения вполне конкурентоспособны.
Иногда мы даже демонстрируем более глубокое понимание в отдельных направлениях, скажем, в создании кудитных квантовых процессоров. Это процессоры нового поколения, которые используют для обработки информации не кубиты двухуровневые квантовые системы , а кудиты многоуровневые квантовые системы с суперпозицией произвольного количества квантовых состояний. Сейчас в мире есть пять-шесть квантовых процессоров на кудитах, и один из них — заслуга российской команды в Российском квантовом центре и ФИАН им. В нашей работе нам очень помог проект Лидирующих исследовательских центров, Дорожная карта по квантовым вычислениям и Российский научный фонд. Да и по новым типам кубитов, базовых вычислительных элементов для квантовых компьютеров, в России проводятся пионерские исследования на мировом уровне. Например, недавно продемонстрированные кубиты-флюксониумы с рекордными характеристики, в разработке которых принимали участие мои коллеги из МИСИС. То есть мы стараемся не отставать и искать новые пути развития.
Критическая масса людей, интеллектуальный потенциал для развития этого направления есть. Сейчас мы вступили в активную фазу реализации Дорожной карты по квантовым вычислениям координирует Росатом. Это очень важный проект, объединяющий в рамках страны различные научные группы, которые решают задачи квантовых технологий. Мы уже видим первые результаты консолидации научного сообщества в этом направлении. Есть ли дефицит компонентов, есть ли утечка мозгов? Нынешнюю ситуацию вы рассматриваете как тёмный период или как время возможностей? Вы знаете, очень осторожное отношение к поставкам иностранного оборудования началось гораздо раньше.
Эта сфера в последние пять лет постепенно становилась стратегической и всё более и более зарегулированной. И кардинального изменения в связи с санкциями не произошло. Это был логичный шаг, которому предшествовало всё возрастающее внимание к экспорту технологичных товаров со стороны стран Запада. Конечно, такие глобальные ситуации, как сейчас, осложняют работу и научное взаимодействие. Ведь наука, особенно в таких областях, носит международный характер. Во многих научных публикациях принимают одновременное участие учёные из самых разных стран мира. Поэтому хотелось бы, чтобы текущая ситуация не касалась напрямую возможностей для научного сотрудничества.
Страны между собой обмениваются учёными, и это в карьере учёного совершенно нормально: закончить первую ступень образования в одной стране, потом поступить в магистратуру в другой стране, в аспирантуру — в третьей, а работать — вообще в четвёртой, пятой. Потом вернуться к себе на родину или остаться. Это абсолютно нормальные этапы развития. Есть такой тренд во всех странах мира: после определённого цикла получения опыта учёным стараются создать условия для работы в родной стране. Здесь пример демонстрирует Китай со своей национальной программой «1000 талантов». Она позволила вернуть огромное количество учёных — и сделать значительный скачок в квантовых технологиях и не только. Именно это становится основным трендом.
Успешно у нас возвращают мозги?
Что произошло
- Последние комментарии
- Самая точная мера в истории приближает нас к знанию истинной массы «призрачной» частицы
- В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный - CNews
- Нобелевка по физике за изучение квантовой запутанности — что это значит
- Новости квантовой физики
- В МФТИ назвали главный прорыв года в квантовой физике
Долгожданный прорыв: квантовые вычисления стали более надежными
Что представляет собой физика полупроводников? Почему полупроводники всегда будут сохранять свою актуальность, несмотря на развитие квантовых технологий? Представьте, что отпраздновать Всемирный день квантовой науки собрались все великие ученые, которые приложили руку к созданию квантовой физики. Квантовый – последние новости. В 1964 году физик Джон Белл придумал, как различить в эксперименте две версии квантовой механики — ортодоксальную и со скрытыми параметрами. В частности, в квантовой физике постулируется, что квантовые законы реализуются на сверхмалых расстояниях и в мире сверхмалых частиц.
Чем занимались физики в 2023 году
Новости, анонсы, рекомендации. Бытовая техника. Физики считают, что бесконечный размер Мультивселенной может быть бесконечно больше. Мало того, что Бог играет в кости, в этом огромном казино квантовой физики. квантовая физика. воздух6 августа 2015. Как создаются щит и меч квантовой физики. квантовая физика — самые актуальные и последние новости сегодня. Принципы квантовой физики, ставящие в тупик ученых: парадоксальная физика и ее главные загадки. Новости физики в сети Internet: май 2023 (по материалам электронных препринтов).