Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий. В 1990–2013 годах занимался экспериментальной физикой в университете Инсбрука и Венском университете. В 2004–2013 годах возглавлял Институт квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук. новости России и мира сегодня.
Квантовые технологии
Он также занимал профессорскую кафедру в Инсбрукском университете, но завершил карьеру профессором своей alma mater. В молодости Цайлингер занимался нейтронной интерферометрией, но потом прочно переключился на квантовую оптику и основания квантовой механики. За что и был награжден Нобелевской премией. Кое-что о квантовой спутанности Термин «квантовое спутывание» КС, quantum entanglement в постановлении Шведской академии не прочитывается. Однако работы новых лауреатов так или иначе связаны с теоретическим и экспериментальным освоением того свойства квантовых систем, которое он кодирует. С английского его также переводят и как «квантовое запутывание» и «квантовая запутанность», но мне больше нравится первая версия. Так что начать нам придется с обсуждения тех физических сущностей, которые за этим эффектом кроются. Вообще-то представление о квантовой спутанности появилось без малого 90 лет назад, а в неявном виде оно возникло еще во второй половине 1920-х годов. Однако в рабочий инструмент теоретической физики КС стало превращаться значительно позже, где-то в середине седьмого десятилетия прошлого века. И процесс этот поначалу был довольно медленным.
Первые эксперименты, продемонстрировавшие реальность КС, были выполнены в 1970-е годы, а решающие — лишь в 80-е. Сначала этим эффектом занималась лишь горстка ученых, пытавшихся лучше понять, что нового внесла квантовая механика в наши представления о физической реальности. В последнее время интерес к КС сильно возрос, поскольку она является физической основой разработки квантовых компьютеров и сетей квантовых коммуникаций. Сообщения о том, что физики-экспериментаторы изготовили спутанные состояния новых и новых конфигураций частиц, нередко попадают не только в научные журналы, но и в СМИ. Как сказал бы полковник Скалозуб , чтобы понять КС, есть многие каналы. Можно дать формальное определение этого феномена оно не так уж и сложно и немедленно перейти к конкретным иллюстрациям. Однако такое изложение оставило бы за кадром поистине драматические события в истории физики, отмеченные именами ее величайших творцов. Поэтому начнем действительно ab ovo, с середины тридцатых годов двадцатого столетия. ЭПР-парадокс Квантовая механика вошла в пору зрелости удивительно быстро.
Ее возраст принято отсчитывать от публикаций основополагающих работ Вернера Гейзенберга и Эрвина Шрёдингера в 1925—26 годах. Всего через десять лет новая теория превратилась в общепризнанную основу понимания явлений микро- и макромира в очень широком спектре областей от ядерной физики до теории твердого тела. К тому времени квантовая механика получила строгий математический формализм прежде всего благодаря гению Поля Дирака и была неоднократно подтверждена экспериментально. Теория столь уверенно двигалась от успеха к успеху, что практически все физики стали принимать ее как истину в последней инстанции. Казалось, что эту уверенность подтверждает и строгий математический анализ. В 1932 году великий математик Иоганн в американской эмиграции Джон фон Нейман опубликовал фундаментальную монографию «Математические основы квантовой механики». В этой книге он сформулировал теорему, из которой, по его мнению, следовало, что любая адекватная теория элементарных процессов может давать только статистические предсказания. По его словам, если бы детерминистская теория этих процессов оказалась возможной, квантовая механика должна была быть «объективно ложной», а никакие экспериментальные данные не позволяли сделать такой вывод. Эту теорему часто интерпретировали как доказательство невозможности теорий микромира, основанных на предположении, что присущее квантовой механике вероятностное описание реальности можно превратить в детерминистское.
Для этого предполагалось ввести в теоретический аппарат физики дополнительные величины, описывающие поведение микрообъектов на более глубоком уровне, нежели квантовый. Эти гипотетические величины получили название скрытых переменных, или скрытых параметров. Однако через несколько лет после публикации книги фон Неймана в этой теореме обнаружили довольно элементарную ошибку. Фон Нейман предполагал как аксиому, что среднее значение суммы операторов квантовой механики, которые соотносятся с физически наблюдаемыми динамическими величинами на языке математики такие операторы называются самосопряженными, или эрмитовыми , должно равняться сумме их средних значений. Эта посылка оправдана в том случае, если эти наблюдаемые величины могут быть измерены в совместимых друг с другом экспериментах. Однако она не работает в случае, если измерения каждой их двух наблюдаемых взаимно несовместимы, поскольку тогда определение их суммы теряет физический смысл. Эту проблему в принципе можно преодолеть с помощью дополнительных измерений на другой аппаратуре, которые могут определить новую наблюдаемую, соответствующую этой сумме. Но это потребует введения еще одного оператора, о котором в теореме фон Неймана ничего не говорится. В итоге доказательство фон Неймана теряет силу.
Интересно, что первой к такому выводу пришла в 1935 году ученица великого математика Эмми Нётер Грета Герман Grete Hermann , но ее работа была опубликована в малоизвестном философском журнале и потому физики ее просто не заметили. В профессиональном сообществе уязвимость теоремы фон Неймана была осознана только в 1950-е годы. Однако у квантовой механики и раньше имелись критики — и прежде всего Альберт Эйнштейн. Ему не нравилось в ней многое: принципиально вероятностный характер, гейзенберговское соотношение неопределенностей и вытекающая из него невозможность одновременного определения координат и скоростей частиц, отсутствие ясности в решении проблемы квантовомеханических измерений. Но больше всего Эйнштейна раздражала несовместимость его собственных представлений о физической реальности с так называемой копенгагенской интерпретацией квантовой механики , предложенной Нильсом Бором и его единомышленниками. Согласно Бору, состояние любой квантовой системы нельзя рассматривать безотносительно к аппаратуре, с помощью которой получена информация о ее поведении. Теория в состоянии предсказать вероятности тех или иных исходов измерений квантовомеханических объектов, но ровно ничего не может сказать о том, каковы же значения измеряемых величин «на самом деле» — строго говоря, сам этот вопрос по сути беспредметен. Состояние «неизмеренной» системы не просто неизвестно — оно вообще не определено, а посему и рассуждать о нем не имеет смысла. Эйнштейна не устраивала подобная логика, и он всячески пытался ее опровергнуть.
Для этого он изобретал воображаемые опыты, которые Бор успешно интерпретировал в свою пользу. Однако Эйнштейн не отступал. В 1935 году, уже работая в США в принстонском Институте фундаментальных исследований, он опубликовал описание очередного мысленного эксперимента, который, по его расчетам, неопровержимо доказывал ущербность квантовой теории. Эта модель послужила предметом долгих дискуссий Эйнштейна со своим ассистентом Натаном Розеном и коллегой по институту Борисом Подольским , уроженцем Таганрога и бывшим руководителем отдела теоретической физики харьковского Физико-технического института. Статья, фактически написанная Подольским, появилась за подписями всех троих ученых A. Einstein, B. Podolsky and N. Rosen, 1935. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?
Именно эта работа, которую цитируют под аббревиатурой ЭПР, проложила путь к концепции квантового спутывания. В свое время она не вызвала особого резонанса, однако сегодня ее относят к числу самых глубоких исследований теоретической физики двадцатого столетия. Фото из статьи O. Rousselle, 2019. Foundations of quantum physics and wave mechanics Эйнштейн, Подольский и Розен исходили из двух предпосылок, которые они считали самоочевидными. Во-первых, любой атрибут физической системы, который можно предсказать со стопроцентной вероятностью, не возмущая эту систему в процессе измерений, является, по определению, элементом физической реальности. Во-вторых, полное описание системы должно включать в себя сведения обо всех таких элементах естественно, ассоциированных именно с этой конкретной системой. Далее следует сам мысленный эксперимент. Предположим, что мы изготовили пару одинаковых частиц A и B, которые в начальный момент начинают движение в строго противоположных направлениях с равными импульсами и, следовательно, скоростями такая операция возможна и в сфере действия квантовой механики.
Принцип неопределенности не позволяет одновременно точно измерить положение и импульс каждой частицы в любой из последующих моментов, но это и не требуется. Позволим квантовым близняшкам удалиться друг от друга подальше, а затем, когда нам это заблагорассудится, определим координаты частицы A, что в идеале можно сделать с нулевой погрешностью. Тем самым мы немедленно получаем стопроцентно достоверную информацию о том, где находилась в тот же момент и частица B. Отметим, что наша аппаратура взаимодействовала исключительно с частицей A, а состояние второй частицы оставалось невозмущенным. Следовательно, положение частицы B следует счесть элементом физической реальности. Вместо того, чтобы выяснять координаты частицы B, мы можем измерить ее импульс, причем опять-таки идеально точно. Поскольку суммарный импульс пары равен нулю, мы автоматически узнаем и величину импульса частицы A, ни в коей мере ее не трогая. Следовательно, и эта величина — элемент физической реальности. Однако уравнения квантовой механики позволяют вычислить положение и импульс частицы лишь приближенно, с той степенью точности, которую допускает соотношение неопределенностей.
Предложенная концепция для получения энергии использует принципы квантовой механики вместо традиционного воспламенения топлива — как происходит, например, в двигателе внутреннего сгорания. Авторы проекта предложили задействовать охлажденные фермионы и бозоны в качестве основы для «квантовых двигателей», способных преобразовать энергию этих частиц в механическую работу. Схема работы двигателя Дело в том, что при температурах, близких к абсолютному нолю, бозоны имеют более низкое энергетическое состояние, чем фермионы, и эту разницу энергий можно использовать для питания двигателя. В частности, циклическое превращение фермионов в бозоны и обратно дает возможность извлекать энергию для питания квантового аналога механического двигателя. Чтобы превратить фермионы в бозоны, можно взять два фермиона и объединить их в единую систему.
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? Вовсе нет. Химики будущего будут применять квантовую теорию для понимания химических реакций. Биологи будущего будут пользоваться квантовой теорией для более глубокого понимания ДНК. Но врачи и ученые, которые занимались только химией и только биологией, останутся без работы. Поскольку будущее будет квантово-механическим, и создавать лекарства мы будем именно на основе квантовой механики. Би-би-си: Означает ли это, что мы станем бессмертными? Что тогда и рака не будет?
Мы сможем спрогнозировать будущую раковую опухоль задолго до ее появления. Допустим, что ваш ДНК-код можно будет легко считывать каждый раз, когда, вы, например, принимаете душ или идете в туалет. И по нынешнему состоянию ДНК можно будет спрогнозировать, что вас ждет в будущем. Раковую опухоль можно будет предсказать за десять лет до того, как она разовьется. В США уже сейчас можно сдать кровь для диагностики рака. Уже сейчас такой анализ гарантированно даст ответ, есть ли у вас раковое заболевание или нет. В будущем слово "опухоль" просто исчезнет из нашего языка, так же как и слово "рак" в применении к заболеванию. Строение тела человека и молекула ДНК.
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. Воздействуя на молекулу микроволновым излучением, ученые привели электроны в состояние квантовой когерентности и удерживали более 100 наносекунд.
1. Создание имплантов, поднявших на ноги парализованного пациента
- Новости по теме: квантовая физика
- Квантовая физика | Group on OK | Join, read, and chat on OK!
- Журнал «За науку»:
- Введение. Принципиальная сложность понимания квантовой теории
- Физика - Поиск - новости науки и техники
- #квантовая физика
Физики обнаружили гигантский невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе
Команда BNL изучала ионы золота, движущиеся почти со скоростью света. Их окружали облака фотонов, и когда они пролетали мимо рядом, фотоны взаимодействовали с глюонами, другим типом частиц, которые скрепляют атомные ядра. В результате такого взаимодействия образовались две новых частицы — пионы — с противоположными зарядами. Детектор RHIC смог измерить некоторые из их свойств: скорость и угол встречи, из которых позже ученые с беспрецедентной точностью вывели размер, форму и расположение глюонов в ядре атомов. В прошлом физики уже пытались рассмотреть ядра атомов во всех подробностях, но результаты всегда были туманные. В этих экспериментах ядра выглядели больше, чем по расчетам, и это годами ставило ученых в тупик.
Однако теперь загадка решена — команда BNL обнаружила эффект, который отвечает за странное поведение глюонов в ядрах.
Однако в ХХ веке Джон Белл решил, что можно придумать эксперимент, результаты которого могли бы показать, необходима ли эта вероятность. Они были проведены нынешними лауреатами и продемонстрировали, что квантовая теория верна, и она прекрасно описывает наш мир. И, даже если ученые придумают новую теорию, более глубокую, то в ней все равно будет присутствовать вероятность. Неопределенность всегда будет», — пояснил он.
Ru» руководитель квантового центра МГУ им. Мы ежегодно проводим школу в Сочи по квантовым технологиям, и в прошлом году он там выступал.
Подробнее здесь. Разработан первый в мире квантовый аналог механического двигателя 28 сентября 2023 года японские исследователи из Окинавского института науки и технологий OIST сообщили о создании первого в мире квантового аналога механического двигателя. В работах приняли участие немецкие ученые из Технического университета Кайзерслаутерна-Ландау и Штутгартского университета. Предложенная концепция для получения энергии использует принципы квантовой механики вместо традиционного воспламенения топлива — как происходит, например, в двигателе внутреннего сгорания. Авторы проекта предложили задействовать охлажденные фермионы и бозоны в качестве основы для «квантовых двигателей», способных преобразовать энергию этих частиц в механическую работу.
Заслуга француза Аспе состоит в том, что ему удалось доказать, что неравенства действительно не выполняются. Австриец Цайлингер смог экспериментально показать возможность квантовой телепортации, то есть изменение квантового состояния частицы из запутанной пары при изменении состояния другой, которая находится далеко от нее. Запутанные частицы влияют на состояние друг друга, даже если между ними больше тысячи километров. В 2021 году Нобелевской премией по физике были награждены Джорджио Паризи за открытие взаимодействия между беспорядком и флуктуациями в физических системах, а также Клаус Хассельман и Сюкуро Манабе за физическое моделирование климата Земли. В 2019 и 2020 годах Нобелевскую премию присуждали за работы, так или иначе связанные с космосом. Накануне было объявлено имя лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Физики доказали необратимость квантовой запутанности
Этот «квантовый параллелизм» позволяет квантовым компьютерам выполнять вычисления на несколько порядков быстрее, чем способны классические суперкомпьютеры. Однако квантовые системы хрупки. Эффективную работу квантовых компьютеров останавливает явление декогеренции — информация, хранящаяся в кубитах, быстро теряет свои свойства в результате взаимодействия с окружающей средой. Квантовые вычисления идут с помощью частиц. Однако из частиц состоят не только кубиты, но и все вокруг, включая материалы, из которых сделан компьютер, воздух и пр. Кубиты быстро начинают взаимодействовать не только друг с другом, но и со средой.
Это одна из фундаментальных проблем на пути к квантовому компьютеру, которую пытаются решить ученые всего мира.
Отличительная особенность топологических изоляторов — защита поверхностных состояний от дефектов и температуры благодаря симметрии. Однако в последнее время ученые изучают топологические состояния с нарушениями симметрии. В таких веществах распространение волн можно сделать однонаправленным, что уменьшит потери на обратное рассеяние. Впрочем, перенос в таких веществах оставался достаточно мал. Для этого ученые прикладывали ток возбуждения низкой частоты к образцу, охлажденному до 1,6 кельвин и помещенному в сильное магнитное поле величиной 12 тесла, и получали сопротивление второй гармоники путем измерения переменного напряжения.
Вместо света учёные взяли за основу звук и представили его как релятивистский объект из общей теории относительности. Получился квантовый симулятор распространения света в пространстве, который работал в точном соответствии как с ОТО, так и с квантовой теорией. В частности, эксперимент показал осуществимость эффекта гравитационного линзирования на симуляторе. Эксперименты показывают, что форма световых конусов , эффекты линзирования, отражения и другие явления могут быть продемонстрированы в атомных облаках именно так, как это ожидается в релятивистских космических системах. Постановка экспериментов и полученные результаты могут помочь открыть неизвестные доселе явления и эффекты и, в конечном итоге, могут привести к созданию общей теории функционирования нашей Вселенной. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения. Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света. По его мнению, мы просто не всё знаем о квантовой физике, и могут быть какие-то скрытые параметры, которые уже содержатся в характеристиках частицы и выдаются в ответ на измерение свойств одной из запутанных частиц. Например, если мы измерили направление спина одного из пары запутанных фотонов, то информация о спине второго оно будет противоположным по направлению становится известна мгновенно, где бы этот второй фотон из пары не находился. Это также называют эффектом квантовой телепортации. Для определения системы на наличие скрытых параметров в 60-х годах прошлого века физик Джон Белл предложил мысленный эксперимент, который уже в семидесятые годы поставил Джон Клаузер за что ему, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2022 год. В классической системе нашем с вами мире неравенства Белла соблюдаются всегда, тогда как в квантовом мире они нарушаются. Если применить неравенства Белла к запутанным частицам, то случайное измерение двух запутанных частиц одновременно должно либо удовлетворять неравенствам, либо нарушать их. В последнем случае это будет доказательством, что никаких скрытых параметров нет и частицы «передают информацию» по законам квантовой физики — быстрее скорости света. Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха ETH Zurich создали криогенную установку, в которой фотон путешествует дольше, чем ведутся локальные измерения связанных частиц. Измерения длились на несколько наносекунд быстрее. Никакая информация по классическим законам не могла передаться за это время, тогда как эффект квантовой запутанности частиц себя полностью проявил. До этого применение неравенств Белла предполагало лазейки в постановке экспериментов. Устранить все спорные места мог только эксперимент, в ходе которого измерения должны проводиться за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца к другому — это доказывает, что между ними не было обмена информацией. У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами. В опыте участвовали две сверхпроводящие схемы, которые играли роль связанных частиц, тогда как обычно речь идёт о запутывании элементарных частиц типа электронов, фотонов или атомов. В эксперименте использовались объекты нашего большого мира, и они отыграли по законам квантовой физики. Это означает, что на основе сверхпроводящих макросистем можно строить квантовые компьютеры, осуществлять квантовую связь и делать много другого интересного не углубляясь до таких тонких и пугливых сверхчувствительных материй, как элементарные частицы. В этом скрыт небывалый потенциал, который учёные намерены разрабатывать дальше. Однако приближаться к нему можно, бесконечно затрачивая на каждый шаг время и энергию. Благодаря новой работе международной группы физиков у нас появился ещё один параметр, усложняя который можно приближаться к абсолютному нулю, что обещает новые и неожиданные открытия. Источник изображения: Pixabay Для охлаждения элементарных частиц материи необходимо тем или иным способом отбирать у них энергию до тех пор, пока у нас будут на это ресурсы и время. В системе всё равно останутся нулевые колебания, что будет означать отличную от абсолютного нуля температуру. Но теперь появляется теоретическая возможность использовать для охлаждения материи ещё один неиспользованный ранее ресурс — это сложность системы. Фактор сложности или комплексности системы проистекает из законов квантовой физики. Точнее, из квантовой неопределённости и невозможности одновременно знать две «враждующие» характеристики квантовой системы, например, одновременно координаты и импульс количество движения. Квантовое состояние системы описывается бесконечным набором волновых функций, и измерение одного из состояний заставляет мгновенно исчезать все остальные. Физики предположили, что если определить координаты частицы, то это будет означать, что она полностью остановилась все остальные состояния коллапсировали и достигала состояния, как в случае абсолютного нуля. Все квантовые детали информация о них фактически стираются. Согласно принципу Ландауэра , потеря одного бита данных приводит к выделению энергии. Иначе говоря, система теряет энергию и охлаждается ещё сильнее. И чем сложнее квантовая система, тем больше она несёт информации и тем сильнее охлаждается при измерении квантовых свойств. Именно это новое открытие роли сложности квантовой системы открывает новый угол зрения на поиск пути к абсолютному нулю, даже если это такое же практически невозможное решение, как и те, с которыми учёные уже работали энергия и время. Вполне возможно, что повышение сложности квантовых систем — это ещё один способ приблизиться к абсолютному нулю или, по крайней мере, ускорить процесс движения в эту сторону. В перспективе новый подход может привести к открытию новых явлений в квантовой физике и к созданию новых материалов и технологий. Между тем, как и любые процессы в этом мире, химические реакции подвержены законам квантового мира. Учёные впервые выяснили, до какой степени можно пренебрегать ими при изучении химических процессов и как квантовые явления в химических реакциях влияют на физический мир. Ионы пробивают энергетические барьеры для химической связи с молекулами. Поэтому всё сводится к пренебрежению квантовыми эффектами и к решению задач только с позиции классической физики. Подобное приближение удобно для практического применения в повседневной жизни, но не позволяет разобраться в ряде фундаментальных процессов мироустройства. Очевидно, что для изучения квантовых явлений в химических реакциях необходимо придумать и поставить эксперимент, который был бы подтверждён теоретическими выкладками. Эффект туннелирования оказался одним из наиболее удобных кандидатов на постановку такого эксперимента, но на его организацию потребовались годы планирования. Опыт удался у команды исследователей из Университета Инсбрука, о чём они сообщили в свежем выпуске журнала Nature. Для опыта был выбран изотоп водорода дейтерий, который поместили в ионную ловушку и охладили, после чего заполнили ловушку газообразным водородом. За счёт сильного охлаждения отрицательно заряженным ионам дейтерия не хватало энергии для химической реакции с молекулами водорода. Тем не менее, отдельные ионы дейтерия вступали в реакцию с молекулами водорода, чего не могло быть с точки зрения классической физики. По их количеству мы можем сделать вывод о том, как часто происходила реакция». Предложенный в 2018 году теоретический расчёт показал, что в условиях эксперимента одно квантовое туннелирование будет происходить в одном случае из каждых ста миллиардов столкновений, что учёные из Инсбрука смогли подтвердить на практике. Иными словами, для химической реакции с квантовыми явлениями эксперимент впервые подтвердил теорию. Одновременно это была самая медленная реакция с заряженными частицами из когда-либо наблюдавшихся. На основе проведённого исследования можно разработать более простые теоретические модели «квантовых» химических реакций и проверить их на реакции, которая уже успешно продемонстрирована. Туннельный эффект возникает во многих физических и химических процессах, а это путь к их лучшему пониманию и к открытию явлений, которые были либо плохо объяснимыми, либо вовсе непонятными для науки, например, такими, как астрохимический синтез молекул в межзвёздных облаках. Подтверждающий теорию эксперимент — это лучшее, что можно использовать для новых открытий. Квантовые состояния ядер могут сохраняться часами, но управлять ими напрямую фотонами было нельзя, а ведь оптика остаётся основой для организации квантовой связи и квантового интернета. Группа учёных из Массачусетского технологического института нашла решение проблемы и открыла новый способ управления атомными ядрами как кубитами с помощью фотонов. Источник изображения: MIT Фотоны как кванты порции энергии электромагнитного излучения почти не взаимодействуют с атомными ядрами, а их собственные частоты отличаются на шесть—девять порядков.
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. Если в эти камеры запустить несколько фотонов, "запутанных" между собой на квантовом уровне, то вся конструкция превращается в единого кота Шредингера, разделенного на две части — то, что происходит с фотонами в одном из резонаторов, будет отражаться на судьбе частиц во второй камере. Что интересно, о существовании "кота" можно узнать только если открыть оба "ящика" — в противном случае наблюдатель увидит набор не связанных друг с другом фотонов.
Нобелевская премия по физике — 2022
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. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на «еще более простые» блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения — таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно! Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию — измерению.
Так что мы меряем в итоге? И насколько правомерны наши измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, — а значит, меняет и ее саму? Правомернее было бы называть его «участником» или «наблюдателем». Отсюда и название явления, о котором мы будем говорить дальше — «Эффект наблюдателя» или «Парадокс наблюдателя» в квантовой физике. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся — парадокс квантовой физики. Этот важный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик — эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится.
Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения — просто потому, что у нее их не будет.
В таких веществах распространение волн можно сделать однонаправленным, что уменьшит потери на обратное рассеяние.
Впрочем, перенос в таких веществах оставался достаточно мал. Для этого ученые прикладывали ток возбуждения низкой частоты к образцу, охлажденному до 1,6 кельвин и помещенному в сильное магнитное поле величиной 12 тесла, и получали сопротивление второй гармоники путем измерения переменного напряжения. Ученые отмечают, что полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Эти расчеты показали, что при частичном заполнении асимметричное рассеяние между краевыми квантовыми состояниями Холла и орбитами Ландау как раз и приводит к подобному невзаимному переносу.
Уникальный атом не был непосредственной целью эксперимента и стал приятной неожиданностью. Дело в том, что сверхтяжёлые элементы от 114-го — флеровия до 118-го — оганесона были синтезированы [1], [2], [3] в реакциях с пучком 48Ca, а самое тяжёлое вещество, которое можно наработать в количестве, достаточном, чтобы сделать мишень — калифорний. Слияние ядер кальция 20-й элемент и калифорния 98-й элемент как раз и образует 118-й элемент — последний из синтезированных на сегодняшний день. Чтобы получить сверхтяжёлые элементы с большим атомным номером надо использовать ядра не кальция, а элементов с большим количеством протонов. Так, для получения 120-го элемента предлагается реакция хрома 54Cr 24-й элемент с мишенью из кюрия 96-й элемент. Исследованием этого снаряда и занят ОИЯИ. Полученный результат позволяет надеяться на успешное использование ядра 54Cr для синтеза 120-го элемента, приступить к которому ОИЯИ планирует в 2025 году. После этого, видимо, будет сделана попытка синтезировать также ещё не открытый 119-й элемент, бомбардируя Америций 95-й элемент. Рентгеновская подпись атома Команда физиков из нескольких американских лабораторий под руководством профессора Со Вай Хла Saw Wai Hla, Университет Огайо разработала метод, использующий синхротронное рентгеновское излучение для исследования отдельного атома в веществе. В качестве объекта изучения были выбраны атомы железа и тербия.
Для решения этой задачи авторы работы сделали своеобразный гибрид рентгеновского спектроскопа и сканирующего туннельного микроскопа, назвав новый метод «синхротронной рентгеновской сканирующей туннельной микроскопией» SX-STM. Исследователи одновременно с туннельным сканированием облучали образец рентгеновским излучением, которое проникало на нижние электронные оболочки, возбуждало близкие к ядру электроны и приводило к их туннелированию. В зависимости от состояния атома его электроны находятся на разных орбиталях, имеют разную энергию и соответственно поглощают фотоны разной длины волны. Регистрируя зависимость туннельного тока от частоты излучения можно распознать не только сам атом, но и его химическое состояние — на каких орбиталях находились электроны 4. Стерильных нейтрино нет? Отрицательный результат — тоже важный для науки результат. В самом начале 2023 года в журнале Nature физики из коллаборации STEREO сообщили об отрицательном результате поиска стерильных нейтрино с массой порядка одного электронвольта в реакторном эксперименте, проходившем с октября 2017 по ноябрь 2020 года в Институте Лауэ — Ланжевена в Гренобле Франция.
Но нам повезло: мы разговорили физика-ядерщика Дмитрия Сидорина. Дмитрий деканов не боится, потому что подался в бизнес, и сам кого хочешь профинансирует. Он согласился рассказать, что на самом деле думают физики об окружающем мире, и что решаются обсуждать только в узком кругу. Сфера научных интересов — ядерная физика. Сейчас занимается «большими данными» - создал компанию, которая анализирует, как нами управляют через Интернет и социальные сети. Высшая математика и суперкомпьютеры точно скажут, кто и зачем придумывает мемы, кто стоит за безобидными флешмобами, и почему толпы народа как по команде начинают во что-то верить или не верить. Вопросы задает Е. Арсюхин: - В социальных сетях люди со всего мира описывают странные случаи, которые с ними произошли. Я изучил с тысячу таких историй. Выделяются два сюжета: вот лежала вещь, секунда — и нет ее. Второй сюжет — двойники: прошел мимо тебя человек, потом снова, и уверяет, «тот, первый, был не я». Конечно, в соцсетях много фантазий, есть и нездоровые люди, но эти события, кажется, правдивы. Или я не прав? По-настоящему большая наука видит мир во всей его странности, и мир становится все более странным по мере появления все более мощных приборов. Вот стол. Глазу он кажется твердым. Берем электронный микроскоп, и видим атомы, а между ними — пустота. То есть стол на самом деле состоит из пустоты. 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.
В МФТИ назвали главный прорыв года в квантовой физике
Квантовые технологии интересны сами по себе, поскольку это работа с самыми мельчайшими компонентами нашей вселенной, возможностью их контролировать. Более того, использовать их необычные свойства, чтобы сделать то, что принципиально невозможно сделать без них. Какое направление вам кажется наиболее важным и перспективным? Вся сфера квантовых технологий, с моей точки зрения, очень важна. Мне наиболее интересны квантовые компьютеры, поскольку они действительно нужны для решения сложнейших вычислительных задач, и запрос на это уже сформировался и у общества, и у экономики. Именно здесь я лично для себя вижу самое большое количество вызовов. Однако квантовые коммуникации — для нашего общества не менее важное направление, которое обеспечит защиту информации в долгосрочной перспективе. Квантовая сенсорика , наверное, приковывает меньше внимания, но для биомедицинских целей это направление может активно применяться. Когда она войдёт в нашу жизнь, она поможет каждому из нас. Поэтому мне трудно выделить наиболее важное.
Но есть наиболее интересное именно для меня — это квантовые вычисления. Зачем вообще России квантовые технологии? Тут есть несколько аспектов. Первое — это сохранение научного потенциала. Молодёжь объединяется, когда перед ней ставят очень амбициозные задачи. История знает примеры таких задач: первый спутник, атомные технологии. Вокруг этих задач объединилось огромное количество талантливых исследователей. Второе — это обеспечение безопасности, поскольку речь всё-таки идёт о стратегически значимых технологиях. 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.
Среди участников сражения за квантовое превосходство - крупнейшие игроки в области "классических" вычислений, которые создают квантовое оборудование: американские Microsoft, Intel, Alphabet, Amazon. На другом конце шкалы - небольшие компании, которые на волне квантовой шумихи вышли на публичные рынки: Rigetti Computing, D-Wave Quantum и IonQ. В отчете Boston Consulting Group за 2021 г. Но инвесторам придется запастись терпением - Boston Consulting Group ожидает такого масштаба не ранее 2040 г. Goldman Sachs видит потенциальные направления деятельности для квантовых компьютеров: ускорение расчетов методом Монте-Карло - сложных алгоритмов, используемых для оценки стоимости и рисков деривативов и других ценных бумаг, применение квантовых расчетов для оптимизации портфеля инвестиций, машинное обучение для борьбы с отмыванием денег. Мнения экспертов "Мы еще не достигли той стадии, когда квантовый компьютер улучшит показатели любой компании, не занимающейся квантовыми технологиями", - говорит Ryan Babbush, руководитель отдела квантовых алгоритмов и приложений в подразделении Google компании Alphabet. Тем не менее, уже сегодня есть реальные примеры использования квантовых компьютеров. С 2016 года компания IBM: построила более 30 квантовых компьютеров, более 20 из них сейчас работают в режиме онлайн, организовала доступ к квантовым компьютерам через Интернет. У нас в сети больше квантовых компьютеров, чем во всем остальном мире вместе взятом". За этим направлением гонится множество очень умных людей с большим капиталом.
Человек будет просто думать, а его мысли будут переноситься по всему миру, взаимодействуя с другими мыслями или вещами. Поэтому провода нам больше не понадобятся. Достаточно будет просто подумать, а брейнет сделает все остальное. Человек будет просто думать, а его мысли станут расходиться по всему миру. Би-би-си: В последнее время многие ученые говорят об опасностях, связанных с распространением искусственного интеллекта. Каким вам представляется будущее в этой области? На сегодняшний день человечеству угрожают три опасности: возможность ядерной войны, биологическое оружие и глобальное потепление. Однако к этому списку придется добавить и четвертую опасность: угроза существованию человечества, исходящая от искусственного интеллекта. Но его развитие чревато двумя потенциальными угрозами, и они совершенно разные. Первая из них совершенно конкретна и непосредственно угрожает жизни отдельных людей: дроны, способные распознавать черты лица и намеренно или случайно убивать кого угодно и когда угодно. Таким образом, у нас появится автоматическая машина для убийства. Машина, которая сможет летать, которая сможет наблюдать за местностью, идентифицировать конкретного человека и убить его, например, устроив какую-нибудь аварию. Сюда же можно отнести и войны, то есть преднамеренную попытку одной страны убить солдат страны-противника. И это произойдет в течение нескольких ближайших лет. Но вторая угроза более серьезна и носит более долгосрочный характер. Она наступит тогда, когда у нас появится искусственный интеллект, приближающийся к интеллекту человека. Правда, до этого еще далеко. Но рано или поздно наши роботы сравняются в интеллекте с мышами. Потом они станут такими же умными, как кролики. Затем наступит очередь собак и кошек, а под конец их мыслительные способности сравняются со способностями обезьян. В этот момент они и станут потенциально опасными, потому что обезьяны понимают разницу между обезьяной и человеком. Вот я и думаю, что вполне возможно, что через 100 лет у нас появятся роботы, практически неотличимые от людей. К этому моменту мы должны сделать все возможное, чтобы у них не появилось собственное мнение и чтобы они ни в коем случае и помыслить не могли на нас напасть. Мы должны будем вставить в их мозг чип, который бы их отключал, если у них только возникнут мысли об убийстве. Но я думаю, что до этого еще далеко и что в запасе у человечества еще масса времени, прежде чем искусственный интеллект достигнет подобного уровня. Непосредственную опасность представляют дроны, которые могут убивать без разбора кого угодно и где угодно. Джо Байдену показывают квантовый компьютер. Квантовые компьютеры действительно могут сделать довольно много. Я думаю, что в конечном итоге они смогут решить проблему старения, и люди перестанут умирать от старости. Проблему старости мы теоретически можем решить, но я сомневаюсь, что квантовые компьютеры могут спасти человечество от межличностных проблем, которые возникают в процессе общения.
Подпишитесь , чтобы быть в курсе. Квантовая запутанность парадоксальный феномен, возникающий, когда пара частиц становится так тесно связана, что их более невозможно рассматривать как две отдельные частицы, вне зависимости от разделяющего их расстояния. Более того, при изменении одной мгновенно меняется и вторая. В теории, этот эффект мог бы лечь в основу технологии сверхсветовой связи, пишет ZME Science. Цифровой прорыв: как искусственный интеллект меняет медийную рекламу Обычно наблюдения за квантовой запутанностью проводятся на примере пар фотонов либо электронов. Однако недавно физики из Брукхейвенской национальной лаборатории BNL совершили прорыв — они обнаружили, что квантовая запутанность действует и на разные частицы. Это открытие было сделано с помощью релятивистского коллайдера тяжелых ионов RHIC.
Физики доказали необратимость квантовой запутанности
Отличная новость! Физики нашли элементарную частицу, "размазанную" на 735 километров. Ученые из MIT выяснили, что нейтрино могут находиться в состоянии квантовой суперпозиции, находясь одновременно в двух разных. Идея одушевленности мира следует из принципов квантовой механики: фотон каким-то образом «сознательно» выбирает свой путь от лампы до страниц вашей книги. квантовая физика. воздух6 августа 2015. Как создаются щит и меч квантовой физики.
С приставкой «супер-»: обзор новостей квантовой физики
Хроники жизни. Новости дня от, интервью, репортажи, фото и видео, новости Москвы и регионов России, новости экономики, погода. Армия России захватила опорный пункт ВСУ: новости СВО на вечер 16 декабря. Идея одушевленности мира следует из принципов квантовой механики: фотон каким-то образом «сознательно» выбирает свой путь от лампы до страниц вашей книги. Все самое интересное и актуальное по теме "Квантовая физика".
Чем занимались физики в 2023 году
| Нобелевская премия по физике — 2022 | Новости науки» Tag» Квантовая механика. |
| Новости по теме: квантовая физика | Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий. |
| Нобелевка по физике за изучение квантовой запутанности — что это значит | Квантовый – последние новости. В 1964 году физик Джон Белл придумал, как различить в эксперименте две версии квантовой механики — ортодоксальную и со скрытыми параметрами. |
Прорыв уровня Эйнштейна? Создана теория, которая может объяснить весь мир
свежие новости дня в Москве, России и мире. Все самое интересное и актуальное по теме "Квантовая физика". Статья Квантовая физика, Квантовые точки принесли ученому из России Нобелевскую премию, Разработан первый в мире квантовый аналог механического двигателя.