Международная команда ученых-физиков из НИТУ «МИСиС», Российского квантового центра, Университета Карлсруэ и Университета Майнца из Германии научилась моделировать процессы, которые могут помочь в расшифровке механизмов фотосинтеза. На сайте собрана основная информация о главных новостях, инициативах, проектах и мероприятиях Десятилетия науки и технологий. Квантовая физика называется разделом теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-силовые системы, взаимодействия и законы их движения. Новости дня от , интервью, репортажи, фото и видео, новости Москвы и регионов России, новости экономики, погода. Группа посвящена Квантовой физике и всем смежным областям науки. В основном публикуются новые статьи о теоретических и прикладных исследованиях, программы для вычислений, книги и видео.
Сверхмощный квантовый компьютер
- Любопытные новости квантовой физики - Эзопланета - Форум о магии
- Ученые продолжили попытки понять квантовую запутанность: есть большой прогресс
- Смотрите также
- Сломали систему
- Ключевую теорию квантовой физики наконец-то доказали. Главное
- Прорыв уровня Эйнштейна? Создана теория, которая может объяснить весь мир
Нобелевская премия по физике — 2022
Ален Аспе доработал экспериментальную установку таким образом, что эта важная лазейка была закрыта. Он сумел переключить настройки измерения после того, как запутанная пара покинула источник, таким образом, настройка, существовавшая на момент выпуска частиц, не могла повлиять на результат. В свою очередь, Антон Цайлингер начал работать с запутанными квантовыми состояниями, проводя долгие серии экспериментов с использованием усовершенствованной аппаратуры. Ломоносова, руководитель научной группы Российского квантового центра Станислав Страупе, лауреаты Нобелевской премии вели исследования оснований квантовой физики. Есть ситуации, в которых результаты квантовых измерений нельзя спрогнозировать, как бы хорошо мы ни понимали физические процессы, которые в изучаемой системе происходят.
В своё время с этой особенностью квантовой теории спорил Альберт Эйнштейн. Эйнштейн надеялся, что в будущем появится более фундаментальная и глубокая теория, объясняющая, как он считал, те пробелы, которые привели к появлению вероятностного подхода.
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. В обычных условиях фотоны воздействуют на спины электронов вблизи атомных ядер, и это воздействие опосредованно передаётся на спины ядер.
Было бы заманчиво напрямую воздействовать фотонами как переносчиками информации на вычислительные или запоминающие кубиты в виде ядерных спинов. Но как? Но пока только в теории, о чём надо помнить. Постановка эксперимента будет на следующем этапе исследования. Новый подход использует такие свойства некоторых ядер, как присущий им электрический квадруполь. Через него ядро взаимодействует с окружающей средой и на это взаимодействие можно оказывать влияние квантами света и, следовательно, тем самым оказывать влияние на само ядро — на его ядерный спин, записывая или считывая состояние кубита на этом ядре. Такое воздействие оказывается практически прямым: в зависимости от длины волны фотона спин поворачивается на тот или иной угол.
Выше на иллюстрации схематически показано, как два лазерных луча с разной длиной волны могут влиять на электрические поля изображены розовым на рисунке , окружающие атомное ядро овалы на рисунке , воздействуя на эти поля таким образом, что спин ядра отклоняется в определенном направлении, как показано стрелкой. И это отклонение строго связано с частотой входящего луча фотона. Это открытие имеет множество потенциальных применений от квантовой памяти, которую изменяют или считывают фотоны, и эта информация тут же передаётся в сеть, до системы вычислений, датчиков и спектроскопии. Ждём лабораторных подтверждений предложенной теории. Миру нужны квантовые компьютеры. Радар будет встроен в систему планетарной обороны для поиска опасных астероидов, хотя сможет также детектировать ракеты и спутники. Источник изображения: Pixabay Традиционно радар испускает радиоволновое излучение и улавливает отражение сигнала от изучаемого объекта.
Это отлично работает на сравнительно коротких дистанциях, но по мере увеличения дальности и чувствительности требуются как гигантские по площади антенны, так и передатчики с запредельными мощностями. Законы квантовой физики, по словам исследователей, позволяют обойти эти ограничения и добиться сверхчувствительной работы космических радаров, обойдясь малыми энергиями и сравнительно небольшими антеннами. Всё дело в том, что квантовый радар будет оперировать порциями энергии, то есть одиночными частицами, используя для детектирования квантовые свойства этих частиц. Например, если в сторону объекта отправить одну из двух связанных частиц, например, фотон света или квант энергии микроволнового диапазона, то отражённую от далёкого объекта частицу из связанной пары будет легко выделить на фоне даже сильнейших шумов. Мы просто будем знать, что искать. Также легко будет детектировать искусственно созданные кванты энергии, поскольку они будут отличаться от появившихся естественным путём. Отправка одного единственного кванта будет намного дешевле с позиции энергозатрат, чем работа мощного радиопередатчика.
К тому же блок генерации связанных квантов можно встроить в обычную систему радиолокационного наблюдения. Правда, работа квантового блока будет нетривиальна сама по себе, ведь для этого необходимо охлаждение узлов до экстремально низких температур. Именно, этот аспект больше всего не нравится военным, которым придётся эксплуатировать криогенные системы в полевых условиях. Некоторое препятствие в развитии квантовых радарных технологий китайские учёные ощутили после введения ограничений со стороны США на продажу в Китай самых современных криогенных систем. Теперь китайцам приходится самим создавать аналогичные установки. Это задерживает работы по созданию квантового радара, но обнадёживающие результаты уже получены. В США также работают над радаром на квантовом принципе.
В частности, этим занята компания Raytheon Technologies. Raytheon разрабатывает радар с использованием эффекта квантовой запутанности для обнаружения на орбите наноспутников и других мелких объектов, которые невидимы для традиционных радарных систем. И Китай, и США, и другие страны в аналогичных работах преследуют сначала военные цели, но сбрасывать со счетов эти усилия для укрепления планетарной обороны тоже нельзя. Если на Землю будет лететь астероид «Судного дня», то наши земные дрязги станут ничем перед лицом потенциальной угрозы уничтожения из космоса. Разработка обещает сказать новое слово в создании нанороботов атомарного масштаба. Учёные пока не сошлись в едином мнении о сути процессов, однако публикация в журнале Nature Communications однозначно говорит о потенциале работы. Источник изображения: Pixabay Считалось, что чем сильнее проявляются квантовые свойства ионов, тем выше эффективность молекулярного теплового двигателя.
Исследователи из Гуанчжоуского института промышленных технологий, Чжэнчжоуского университета и Мичиганского университета показали, что эффект зависит не только от «накачки» иона, но также от умелого подавления его квантовых характеристик. Точнее, для наиболее эффективной работы — выделения энергии ионом — требуется комбинировать как возбуждение, так и подавление ряда его квантовых характеристик. Исследователи воздействовали на ион кальция лазерным излучением разной интенсивности и разной частоты. При этом интенсивность выделения энергии ионом в виде потока фотонов менялась таким образом, что наибольший КПД был отмечен в режиме «четырёхтактного» двигателя, когда «нагрев» и «охлаждение» чередовались в определенном порядке. До этого о росте КПД с использованием подавления квантовых свойств ионов ничего не было известно. Для того чтобы действительно производить пригодные для использования молекулярные двигатели или обеспечивать энергией нанороботов, нам необходимо найти подходящую рабочую среду, подобно водяному пару в паровом двигателе», — говорится в заметке об изобретении в издании SCMP. Такая условная среда была обнаружена в процессе разностороннего воздействия на ион кальция с помощью лазера.
Конечно же, это не пар. Это комплекс явлений, в котором энергия извне с помощью лазера трансформируется в локальную работу.
Ранее создание и изучение конкретных запутанных состояний в мультикубитных системах было чрезвычайно сложной задачей. Однако новая методика предлагает решение. Исследователи построили квантовый процессор с использованием сверхпроводящих цепей, по сути, искусственных атомов, которые выступают в роли кубитов. Применяя точный микроволновый контроль, они смогли сгенерировать два ключевых типа запутанности: закон объема и закон области.
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.
Эта новая система — бозон. Его разрушение позволит нам снова получить фермионы.
Российские учёные развивают технологии на основе квантовой физики вместо классической
И немудрено, затронутая проблематика тесно связана с квантовой природой информации или, по крайней мере, в значительной степени её касается. По мнению учёных, квантовые аккумуляторы могут найти применение в различных портативных устройствах с низким энергопотреблением, особенно когда возможностей для подзарядки недостаточно. На это были нацелены первые опыты, и они увенчались успехом. Одно из открытых преимуществ квантовых батарей заключается в том, что они должны быть невероятно эффективными, но это зависит от способа их зарядки.
Нас особенно интересует то, как квантовые частицы могут нарушать одно из наших самых фундаментальных ощущений — восприятие времени». Учёные провели серию экспериментов со способами зарядки квантовой батареи с использованием оптических устройств, таких как лазеры, линзы и зеркала. Представленная выше схема лабораторной установки была далека от чего-либо, напоминающего привычный аккумулятор.
В конечном итоге удалось добиться зарядки батареи способом, который потребовал проявления квантового эффекта вне повседневной логики. Заряд проходил в состоянии квантовой суперпозиции, когда условно два зарядных устройства одновременно заряжали один аккумулятор. В обычной жизни нужно было заряжать аккумулятор сначала одним, затем подключать другое зарядное устройство, а первое отключать.
Опыт показал, что с учётом квантовых явлений обе зарядки могут работать одновременно. Более того, эксперимент подтвердил явную абсурдность процесса. Оказалось, что маломощное зарядное устройство быстрее и эффективнее заряжает аккумулятор, чем более мощное.
Феномен неопределенного причинно-следственного порядка или ICO, который исследовала команда, может найти применение не только для зарядки нового поколения маломощных устройств. Лежащие в их основе принципы, включая раскрытый здесь эффект обратного взаимодействия, могут улучшить выполнение других задач, связанных с термодинамикой или процессами, которые включают передачу тепла. Одним из многообещающих примеров являются солнечные панели, где тепловые эффекты могут снизить их эффективность, но вместо этого можно использовать ICO, чтобы смягчить этот негативный эффект и привести к повышению эффективности.
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.
В этом исследовании — из сверхпроводящих цепей, охлаждаемых до температур в 100 раз ниже, чем температура открытого космоса. Каждый кубит может представлять единицу, ноль, или, как ни странно, и единицу, и ноль одновременно. 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.
Ученые не обнаружили отклонений в осцилляциях нейтрино от теоретических предсказаний. Проведенный эксперимент позволил ученым ужесточить ограничения на подобные взаимодействия в 30 раз, сузив область параметров для описания физических процессов. Новый метод использует лазерное охлаждение атомов, но при этом не требует использования магнитного поля. Это делает сенсоры более портативными и надежными и позволяет снизить общую стоимость мониторинговой системы. В планах разработчиков — создание компактных квантовых сенсоров для использования при пограничном контроле, мониторинге инфраструктуры и окружающей среды 362 views Квантач 2-нм чипы появятся уже в следующем году На фоне бума ИИ-технологий особенно важным становится производство передовых полупроводников. Компании Samsung, TSMC и Intel планируют освоить 2-нм техпроцесс и начать массовое производство в 2025 году, а Rapidus — только открыть пробное производство. Ожидается, что Intel первой добьется коммерциализации 2-нм чипов.
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. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства. Место или импульс, энергия или время Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность — это, можно сказать, один из принципов квантовой физики. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда чем точнее можно локализовать частицу в пространстве , тем более неопределенной становится длина волны тем меньше можно сказать об импульсе частицы. Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности. Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще? Взялись объяснять,а на самом деле только наврали. При столкновении могут получаться разные частицы и не обязательно три. Поэтому он ощущает огромные скорости и траектории частиц как некую единую сущность-они сливаются для него в нечто единое.
2. «Выращивание» электродов в живых тканях
- Наши проекты
- Квантовые технологии - новости и статьи | Rusbase
- Квантовые технологии — Квантовые вычисления, алгоритмы и вот это всё / Хабр
- ПУБЛИКАЦИИ
Квантовая физика о Боге, душе и Вселенной
Читайте последние новости на тему в ленте новостей на сайте РИА Новости. В стране полным ходом прокладывают сети квантовой связи. В данном обзоре новостей представлены последние открытия в физике и астрофизике. Идея одушевленности мира следует из принципов квантовой механики: фотон каким-то образом «сознательно» выбирает свой путь от лампы до страниц вашей книги. Физики из МФТИ совместно с коллегами из Франции экспериментально показали, что атомы примесей в полупроводниках могут формировать долгоживущие устойчивые квантовые состояния.
Наши проекты
- В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный - CNews
- Новости по теме: квантовая физика
- Распутать квантовую запутанность: за что дали «Нобеля» по физике
- Сообщить об опечатке
Долгожданный прорыв: квантовые вычисления стали более надежными
Последние новости на сайте. Уже лет пять как в сети ходят новости о прорывах в квантовых вычислениях. Интерфакс: Лауреатами Нобелевской премии по физике за 2022 год стали французский ученый Ален Аспе, американский физик Джон Клаузер и австрийский ученый Антон Цайлингер за исследования в квантовой механике, а именно за "эксперименты с запутанными фотонами. Квантовая физика (рассказывает физик Дмитрий Бочаров и др.) Новости дня от, интервью, репортажи, фото и видео, новости Москвы и регионов России, новости экономики, погода.
Квантовые технологии изменят мир. Новости квантовых компаний.
В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН прошла международная конференция, посвященная 60-летию учреждения. Еще одним фундаментальным принципом физики элементарных частиц является квантовая запутанность, согласно которой частицы остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между ними. Уже лет пять как в сети ходят новости о прорывах в квантовых вычислениях. 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. квантовая физика. 24.10.2019.
Новости квантовой физики
Он сумел переключить настройки измерения после того, как запутанная пара покинула источник, таким образом, настройка, существовавшая на момент выпуска частиц, не могла повлиять на результат. В свою очередь, Антон Цайлингер начал работать с запутанными квантовыми состояниями, проводя долгие серии экспериментов с использованием усовершенствованной аппаратуры. Ломоносова, руководитель научной группы Российского квантового центра Станислав Страупе, лауреаты Нобелевской премии вели исследования оснований квантовой физики. Есть ситуации, в которых результаты квантовых измерений нельзя спрогнозировать, как бы хорошо мы ни понимали физические процессы, которые в изучаемой системе происходят. В своё время с этой особенностью квантовой теории спорил Альберт Эйнштейн. Эйнштейн надеялся, что в будущем появится более фундаментальная и глубокая теория, объясняющая, как он считал, те пробелы, которые привели к появлению вероятностного подхода. Альберт Эйнштейн Gettyimages.
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? 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.
Пока эти наработки можно сравнить с первыми ламповыми компьютерами. В России отдельные разработки КК велись до 2020 г. Эксперты рассказали о том, как правильно сравнивать между собой КК, где они могут пригодиться и как Россия может обогнать нынешних лидеров в этой области. Пока наша страна в роли догоняющей, однако недавно президенту России Владимиру Путину был представлен 16-кубитный КК, что соответствует лучшим мировым достижениям в этой области 2019 г. Зачем это нужно Сейчас Российский квантовый центр РКЦ работает над предоставлением облачного доступа к российским квантовым компьютерам. КК полезен в логистике и финансовой отрасли, задачах моделирования технологических процессов и анализа больших данных в нефтегазовом секторе, а также поможет разработкам в квантовой химии моделирование новых соединений, поиск лекарств , биоинформатике и криптоанализе. Квантовые вычисления являются принципиально вероятностными, а банки зарабатывают на расчете рисков, то есть возможности наступления негативных событий. Поэтому применение квантовых компьютеров позволит улучшить риск-модели и ускорить обработку больших данных, рассказал квантовый энтузиаст, директор по цифровому развитию Делобанка Антон Семенников. Когда же технология получит широкое распространение, можно ожидать снижения ставок в экономике за счет более качественного расчета рисков, добавил он. Требуется не только создать действующий квантовый компьютер, но и разработать соответствующие алгоритмы и программное обеспечение. У России большой научный потенциал в области математики, программирования, физики и квантовой механики», — считает Семенников. На квантовый мир мы смотрим с позиции разработчика, рассказал заместитель генерального директора холдинга Т1 по технологическому развитию Антон Якимов. Квантовый объем 100-200 кубитов не кажется недостижимым для 2025 г. Однако, по его мнению, вопрос больше в практической плоскости: через какое время такие облачные вычислительные мощности станут доступны для рынка на понятных условиях по модели Quantum-Computing-as-a-Service. Имеется в виду то, над чем сейчас работает РКЦ. Как же это работает Какие же свойства так привлекают исследователей со всего света? В классическом компьютере единицей хранения информации является бит, который в зависимости от наличия или отсутствия напряжения принимает значение 0 или 1. В КК роль основной единицы в квантовых вычислениях играют квантовые биты, или кубиты. Они отличаются от обычных битов тем, что могут равняться 0, 1 или находиться в суперпозиции. Что такое квантовая суперпозиция, чаще всего объясняют на примере подброшенной в воздух монетки. Пока она летит, для бросавшего монета находится в суперпозиции: ее значение и орел, и решка.
Но дело не только в размерах. В классических ЭВМ информация зашифрована в битах, то есть в нулях и единицах, а в квантовых — в кубитах. Один кубит — это атом или фотон — мельчайшая частица вещества или энергии. Причем она одновременно может быть как нулем, так и единицей. Как говорят ученые, такая запутанность позволяет квантовым компьютерам, что называется, "думать" в миллиарды раз быстрее. Они позволяют получить не только количественные результаты за счет ускорения процессов, но и качественные, обеспечивая лучшую адаптацию в средах и ситуациях. Это означает, что квантовые роботы более креативны", — говорит директор кафедры квантовой динамики Института квантовой оптики Общества Макса Планка Герхард Ремпе. Однако многие видят в них угрозу, ведь они будут в состоянии не только делать за человека механическую работу, но и легко заменят представителей творческих специальностей. Но не все так плохо: всемогущие кванты могут стать и нашими защитниками. Что такое квантовый ключ и как он защитит от мошенников С телефонными мошенниками хоть раз сталкивался каждый. Их главная задача — узнать секретную информацию. Если не напрямую от нас, то путем взлома смартфона или компьютера. Но совсем скоро эти воры останутся не у дел. Потому что защищать наши деньги будут при помощи квантовой криптографии, или, как ее еще называют, квантового распределения ключей.
«ФИЗИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВ БУДЕТ НУЖНА ВСЕГДА»
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. Навигация по записям.
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. Опишите точно движение частицы — вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства. Место или импульс, энергия или время Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность — это, можно сказать, один из принципов квантовой физики. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее — могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее — могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда чем точнее можно локализовать частицу в пространстве , тем более неопределенной становится длина волны тем меньше можно сказать об импульсе частицы. Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности. Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие.
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. В обычных условиях фотоны воздействуют на спины электронов вблизи атомных ядер, и это воздействие опосредованно передаётся на спины ядер. Было бы заманчиво напрямую воздействовать фотонами как переносчиками информации на вычислительные или запоминающие кубиты в виде ядерных спинов. Но как? Но пока только в теории, о чём надо помнить. Постановка эксперимента будет на следующем этапе исследования. Новый подход использует такие свойства некоторых ядер, как присущий им электрический квадруполь. Через него ядро взаимодействует с окружающей средой и на это взаимодействие можно оказывать влияние квантами света и, следовательно, тем самым оказывать влияние на само ядро — на его ядерный спин, записывая или считывая состояние кубита на этом ядре. Такое воздействие оказывается практически прямым: в зависимости от длины волны фотона спин поворачивается на тот или иной угол. Выше на иллюстрации схематически показано, как два лазерных луча с разной длиной волны могут влиять на электрические поля изображены розовым на рисунке , окружающие атомное ядро овалы на рисунке , воздействуя на эти поля таким образом, что спин ядра отклоняется в определенном направлении, как показано стрелкой. И это отклонение строго связано с частотой входящего луча фотона. Это открытие имеет множество потенциальных применений от квантовой памяти, которую изменяют или считывают фотоны, и эта информация тут же передаётся в сеть, до системы вычислений, датчиков и спектроскопии. Ждём лабораторных подтверждений предложенной теории. Миру нужны квантовые компьютеры. Радар будет встроен в систему планетарной обороны для поиска опасных астероидов, хотя сможет также детектировать ракеты и спутники. Источник изображения: Pixabay Традиционно радар испускает радиоволновое излучение и улавливает отражение сигнала от изучаемого объекта. Это отлично работает на сравнительно коротких дистанциях, но по мере увеличения дальности и чувствительности требуются как гигантские по площади антенны, так и передатчики с запредельными мощностями. Законы квантовой физики, по словам исследователей, позволяют обойти эти ограничения и добиться сверхчувствительной работы космических радаров, обойдясь малыми энергиями и сравнительно небольшими антеннами. Всё дело в том, что квантовый радар будет оперировать порциями энергии, то есть одиночными частицами, используя для детектирования квантовые свойства этих частиц. Например, если в сторону объекта отправить одну из двух связанных частиц, например, фотон света или квант энергии микроволнового диапазона, то отражённую от далёкого объекта частицу из связанной пары будет легко выделить на фоне даже сильнейших шумов. Мы просто будем знать, что искать. Также легко будет детектировать искусственно созданные кванты энергии, поскольку они будут отличаться от появившихся естественным путём. Отправка одного единственного кванта будет намного дешевле с позиции энергозатрат, чем работа мощного радиопередатчика. К тому же блок генерации связанных квантов можно встроить в обычную систему радиолокационного наблюдения. Правда, работа квантового блока будет нетривиальна сама по себе, ведь для этого необходимо охлаждение узлов до экстремально низких температур.
Полученные россиянами результаты по эфиру прошли проверку временем и продолжают интенсивно публиковаться. Вслед за статьей 2013 года в Докладах Академии наук, уже дважды издавалась объемная книга по эфиру профессоров В. Бычкова и Ф. Зайцева — представителей самых престижных научных школ «Физического» факультета и факультета «Вычислительной математики и кибернетики» МГУ им. Книга называется «Математическое моделирование электромагнитных и гравитационных явлений по методологии механики сплошной среды». Написанная на высоком теоретическом уровне, эта книга была отмечена победой в 2018 году на конкурсе работ МГУ им. Ломоносова, имеющих выдающееся значение для развития науки и образования. Попробуем кратко пояснить, в чем суть достижения россиян. Предложенная нашими учеными новая математическая модель эфира удивительно компактна, универсальна и всеобъемлюща. Вместе с тем эта математика ориентирована на практику, поскольку использует близкие по смыслу категории «механики сплошной среды» — главной теоретической опоры аэрокосмических технологий. В теории эфира Бычкова-Зайцева показано, что все считавшиеся ранее экспериментальными законы, электричества, магнетизма, электродинамики и гравитации, являются математическими следствиями лишь двух уравнений движения эфира. В это трудно поверить, но одна и та же математическая модель эфира позволяет описывать все виды взаимодействий! О такой математической теории мировая наука мечтала на протяжении доброй сотни лет. Кроме того, в рамках предложенной теории раскрыто такое фундаментальное физическое понятие, как масса. Авторы уникального научного достижения особо подчёркивают, что методология математического моделирования и методология экспериментальной физики, обобщающая результаты опытов, позволяют сделать обоснованный вывод о существовании эфира. Попытки создать «теорию всего» предпринимались неоднократно. Но только сейчас можно сказать, что магистральный путь дальнейшего развития фундаментальной физики действительно найден.