Изобретен квантовый радар для работы в условиях плохой видимости НОВОСТИ Наука и Технологии. В 1964 году физик Джон Белл придумал, как различить в эксперименте две версии квантовой механики — ортодоксальную и со скрытыми параметрами.
Физики обнаружили гигантский невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе
| Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски // Новости НТВ | Новости науки и техники/. |
| В Китае создан 504-кубитный чип для квантового суперкомпьютера. На подходе 1000-кубитный - CNews | В этой теме собраны новости о теоретических и практических достижениях квантовой физики. |
| Долгожданный прорыв: квантовые вычисления стали более надежными | Ученые МФТИ совершили прорыв в области квантовой физики. |
Квантовые технологии
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. В 2022 году победителем в этой номинации стал шведский биолог Сванте Паабо за исследование эволюции человека. В среду, 5 октября, объявят Нобелевского лауреата по химии. Вручение премий состоится 10 декабря, в день смерти Альфреда Нобеля.
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. 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.
Несколько ключевых результатов в области квантовых технологий носят имена советских учёных. Например, теорема Холево , которая известна практически каждому специалисту в этой области. Вот эти основы — это уже достижение наших соотечественников. И это всего несколько примеров, российские учёные отметились по всей ветке развития квантовой механики. Сейчас отставание есть. Оно неоднородно по разным областям. Если в сфере квантовых компьютеров оно наблюдается из-за колоссальных инвестиций, направляемых на это направление, скажем, в США или Китае, то по квантовым коммуникациям российские решения вполне конкурентоспособны. Иногда мы даже демонстрируем более глубокое понимание в отдельных направлениях, скажем, в создании кудитных квантовых процессоров. Это процессоры нового поколения, которые используют для обработки информации не кубиты двухуровневые квантовые системы , а кудиты многоуровневые квантовые системы с суперпозицией произвольного количества квантовых состояний. Сейчас в мире есть пять-шесть квантовых процессоров на кудитах, и один из них — заслуга российской команды в Российском квантовом центре и ФИАН им. В нашей работе нам очень помог проект Лидирующих исследовательских центров, Дорожная карта по квантовым вычислениям и Российский научный фонд. Да и по новым типам кубитов, базовых вычислительных элементов для квантовых компьютеров, в России проводятся пионерские исследования на мировом уровне. Например, недавно продемонстрированные кубиты-флюксониумы с рекордными характеристики, в разработке которых принимали участие мои коллеги из МИСИС. То есть мы стараемся не отставать и искать новые пути развития. Критическая масса людей, интеллектуальный потенциал для развития этого направления есть. Сейчас мы вступили в активную фазу реализации Дорожной карты по квантовым вычислениям координирует Росатом. Это очень важный проект, объединяющий в рамках страны различные научные группы, которые решают задачи квантовых технологий. Мы уже видим первые результаты консолидации научного сообщества в этом направлении. Есть ли дефицит компонентов, есть ли утечка мозгов? Нынешнюю ситуацию вы рассматриваете как тёмный период или как время возможностей? Вы знаете, очень осторожное отношение к поставкам иностранного оборудования началось гораздо раньше. Эта сфера в последние пять лет постепенно становилась стратегической и всё более и более зарегулированной. И кардинального изменения в связи с санкциями не произошло. Это был логичный шаг, которому предшествовало всё возрастающее внимание к экспорту технологичных товаров со стороны стран Запада. Конечно, такие глобальные ситуации, как сейчас, осложняют работу и научное взаимодействие. Ведь наука, особенно в таких областях, носит международный характер. Во многих научных публикациях принимают одновременное участие учёные из самых разных стран мира. Поэтому хотелось бы, чтобы текущая ситуация не касалась напрямую возможностей для научного сотрудничества. Страны между собой обмениваются учёными, и это в карьере учёного совершенно нормально: закончить первую ступень образования в одной стране, потом поступить в магистратуру в другой стране, в аспирантуру — в третьей, а работать — вообще в четвёртой, пятой. Потом вернуться к себе на родину или остаться. Это абсолютно нормальные этапы развития. Есть такой тренд во всех странах мира: после определённого цикла получения опыта учёным стараются создать условия для работы в родной стране. Здесь пример демонстрирует Китай со своей национальной программой «1000 талантов». Она позволила вернуть огромное количество учёных — и сделать значительный скачок в квантовых технологиях и не только. Именно это становится основным трендом. Успешно у нас возвращают мозги? Есть примеры успешных возвратов. Вот я учился во Франции, а когда передо мной стоял выбор, куда поехать, я поехал работать в лабораторию в России. Есть примеры моих коллег, которые либо полностью вернулись, либо проводят здесь существенную часть своего времени. Но мы привыкли к термину «утечка мозгов», боимся его. Приведу пример: в Германии очень существенный процент людей уезжают после аспирантуры работать в Америку. Но там никто не говорит о какой-то утечке мозгов. Люди за океаном набираются опыта, потом возвращаются и создают в Германии передовые лаборатории. В одном из ведущих немецких научных центров очень много людей именно с опытом работы в Северной Америке. Поэтому наш фокус должен быть не на величине оттока и связанном с этим расстройстве, а на создании условий для притока.
Сохраняет и развивает ведущие инженерные научные школы страны. И основание фонда «Вызов», поддержка этой замечательной национальной премии в области будущих технологий - это следующий этап нашей веры в то, что страна зависит от российской науки и людей, которые могут открывать новые горизонты», — сказал заместитель Председателя Правления Газпромбанка Дмитрий Зауэрс во время церемонии. Лауреатом в номинации «Перспектива» стал Илья Семериков, кандидат физико-математических наук, заместитель руководителя научной группы в Российском квантовом центре, научный сотрудник Физического института имени Лебедева ФИАН.
Физики доказали необратимость квантовой запутанности
Физики из МФТИ совместно с коллегами из Франции экспериментально показали, что атомы примесей в полупроводниках могут формировать долгоживущие устойчивые квантовые состояния. В частности, в квантовой физике постулируется, что квантовые законы реализуются на сверхмалых расстояниях и в мире сверхмалых частиц. Статья Квантовая физика, Квантовые точки принесли ученому из России Нобелевскую премию, Разработан первый в мире квантовый аналог механического двигателя.
Квантовые технологии
Пусть второй электрон движется в сторону более удаленного детектора с такой же ориентацией поля. Этот прибор с некоторой задержкой отметит, что электронный спин направлен вниз, как и ожидалось. Таким образом, мы достоверно предсказали спин второй частицы, никак на нее не воздействуя. Согласно логике ЭПР, направление ее спина считается элементом физической реальности.
В чем же парадокс? Допустим, что детекторы ориентированы иначе, скажем слева направо. Если спин одного электрона смотрит вправо, мы должны заключить, что спин второго направлен влево.
Странный это элемент физической реальности, если его можно изменять по собственному усмотрению! Но это еще полбеды. Установим теперь ближний детектор вертикально, а дальний — ортогонально ему, слева направо.
Если наблюдатель у первого детектора увидит, что спин смотрит вверх, он посчитает, что спин электрона-партнера направлен вниз. Однако второй прибор регистрирует значения спина не по вертикали, а перпендикулярно ей. Квантовомеханические расчеты показывают, что при повторении этого эксперимента спин второго электрона в половине случаев будет смотреть вправо, а в половине — влево.
Тогда второй наблюдатель вроде бы сможет с полным основанием заключить, что спин первого электрона направлен, соответственно, влево или вправо. В итоге выводы двух наблюдателей окажутся несовместимыми друг с другом. Что же делать с физической реальностью?
С точки зрения Бора, никакого парадокса тут нет. Если ориентация спина возникает лишь в ходе измерения, то не приходится говорить о ней вне экспериментального контекста. Однако вспомним, что мы вольны в выборе детекторов.
Откуда спину заранее знать, в каком направлении его измерят? Похоже, что первый электрон мгновенно сообщает своему близнецу о том, что он проскочил через детектор. Но ведь никакого физического взаимодействия между ними нет, так как же они ухитряются общаться?
Так что, если задуматься, копенгагенская интерпретация тоже не беспроблемна. Из этого тупика можно выбраться с помощью догадки Шрёдингера: система из двух связанных общим процессом рождения электронов принципиально нелокальна, так уж устроен мир. Отсюда с необходимостью следует, что квантовые корреляции сильнее классических.
Тогда всё встает на свои места. Мы изготовили пару электронов в спутанном состоянии, отсюда и вся необычность их поведения в ЭПР-эксперименте. Но Шрёдингер сформулировал свою гипотезу словесно, для физики этого маловато.
Можно ли перевести ее на язык чисел, чтобы проверить с помощью измерений? Белловский прорыв Эту задачу первым поставил и успешно разрешил чрезвычайно одаренный ирландский физик, имя которого, к сожалению, и сейчас не слишком известно широкой публике. Уроженец Белфаста Джон Стюарт Белл 1928—1990 прожил недолго, злая судьба послала ему раннюю смерть от кровоизлияния в мозг.
Он долго работал в Европейском центре ядерных исследований, где много сделал в области теории элементарных частиц и конструирования ускорителей. В 1964 году Белл, который тогда получил отпуск в ЦЕРНе ради временного пребывания в Брандейском и Висконсинском университетах, заинтересовался основами квантовой механики, в частности ЭПР-парадоксом. Результатом этих раздумий стало строгое математической доказательство возможности надежной экспериментальной проверки гипотезы существования спутанных состояний J.
Bell, 1964. On the Einstein Podolsky Rosen paradox. Его иногда именуют теоремой Белла, хотя он сам в своей статье это название не использовал.
Джон Белл 1979 год. Фото с сайта en. Белл сформулировал первое из названных его именем неравенств, которые в принципе как раз и позволяют осуществить проверку гипотезы скрытых параметров.
В содержательном плане суть его выводов состоит в утверждении, что никакое описание микропроцессов, основанное на этой гипотезе, не может объяснить все без исключения статистические результаты, получаемые в рамках стандартной квантовой механики. Со временем в теоретической физике возникло целое направление, посвященное поиску новых вариантов теоремы Белла. Математика первой статьи Белла в принципе не слишком сложна, но для воспроизведения в популярном тексте, конечно, не подходит.
Однако суть его выводов можно передать и без технических деталей. Белл показал, как можно подтвердить или опровергнуть реальность спутанных состояний на основе бомовской версии мысленного эксперимента ЭПР. Во-первых, нужно использовать не два детектора спина, а не меньше трех, а еще лучше — четыре.
Во-вторых, детекторы следует располагать не параллельно или ортогонально, а под произвольными углами. Вот идеальная схема такого контрольного эксперимента. Пусть вновь имеется источник электронных пар с нулевым суммарным спином, посылающий частицы в противоположных направлениях, скажем влево и вправо.
Поставим там по паре магнитных детекторов, повернув их по отношению друг к другу на произвольный угол. После каждого «включения» источника срабатывает один левый и один правый детектор, но какие именно — заранее не известно. А дальше — самое главное.
В итоге получим функцию назовем ее S , зависящую от угла, под которым установлены детекторы для интересующихся, речь идет о математическом ожидании. Из теоремы Белла следует, что для неспутанных частиц значения этой функции при любом расположении детекторов всегда лежат в промежутке от минус двух до плюс двух это и есть одна из версий неравенства Белла. Такой вывод следует лишь из предположения, что каждый член любой электронной пары, уйдя от источника, сохраняет свое собственное состояние, не подвергаясь воздействию далекого близнеца.
Если же это не так, если электроны-партнеры даже вдали от источника не локализованы в полностью автономных состояниях, а связаны друг с другом квантовомеханической спутанностью, то выполнение неравенства Белла не гарантируется. Более того, из квантовомеханических вычислений следует, что при каких-то ориентациях детекторов численное значение функции S может быть как больше двух, так и меньше минус двух. Следовательно, экспериментальная проверка неравенства Белла в принципе открывает путь к решению проблемы существования спутанных состояний.
Однако это было только начало длинной цепочки исследований. Белл в своей статье описал мысленный эксперимент, в котором могли бы быть проверены сделанные им выводы, однако его схема не годилась для реализации «в железе». Holt опубликовали работу с новой версией белловского неравенства, которая уже допускала экспериментальную проверку J.
Clauser et al. Proposed experiment to test local hidden-variable theories. Эта статья, известная по ссылкам как CHSH, стала важным этапом в развитии белловского подхода к проверке основ квантовой механики.
Клаузер, Аспе и другие Выполнить такую проверку удалось далеко не сразу. Изготовление и регистрация спутанных состояний — непростая задача. Первые опыты по верификации теоремы Белла проводились с поляризованными фотонами.
Вместо бомовских пар спутанных электронов с нулевым полным спином в них использовали пары световых квантов с альтернативными модами поляризации например, вертикальной и горизонтальной , а вместо магнитных детекторов — поляризационные фильтры. В 70-е годы подобные эксперименты ставились несколько раз. Самые интересные результаты в 1972 году получили Джон Клаузер и скончавшийся десять лет назад его аспирант Стюарт Фридман Stuart Freedman.
Они в течение двух лет построили оптическую систему, которая на практике реализовала схему, описанную в статье CHSH, — правда, в модифицированной версии. В их эксперименте использовались световые кванты, испускавшиеся возбужденными атомами кальция. Источник света был расположен в центре экспериментальной установки, смонтированной на оптической скамье.
Ученые обнаружили, что эти случайные сбои в работе квантовых компьютеров можно подавить, если использовать для расчетов так называемые логические кубиты, виртуальные квантовые ячейки памяти, состоящие из нескольких соединенных друг с другом физических кубитов. Они устроены таким образом, что ошибки в их работе автоматически корректируются, что позволяет вести сложные и длительные вычисления при их помощи. В 2023 году сразу несколько научных коллективов разработали квантовые процессоры на базе большого числа логических кубитов. Опыты с этими вычислительными машинами впервые на практике продемонстрировали то, что использование логических кубитов действительно позволяет уменьшать частоту появления ошибок при длительной работе компьютера.
Десятилетие науки и технологий в России Российская наука стремительно развивается. Одна из задач Десятилетия — рассказать, какими научными именами и достижениями может гордиться наша страна. В течение всего Десятилетия при поддержке государства будут проходить просветительские мероприятия с участием ведущих деятелей науки, запускаться образовательные платформы, конкурсы для всех желающих и многое другое.
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. Мы много лет работаем совместно», — отметил Кулик. Квантовая коммуникация в России очень серьезно развита. Некоторые компании уже производят для нее технологическое оборудование.
Эфир существует! Российские ученые совершили прорыв в фундаментальной физике
Последние новости на сайте. Награда присуждается трем физикам–экспериментаторам, чьи новаторские исследования заложили основу квантовой информатики. Новости физики в Интернете — раздел журнала Успехи физических наук, ежемесячно публикующего обзоры современного состояния наиболее актуальных проблем физики и смежных с нею наук. В данном обзоре новостей представлены последние открытия в физике.
Распутать квантовую запутанность: за что дали «Нобеля» по физике
В журнале «The Journal of chemical physics» опубликована статья «Magnetic dipole and quadrupole transitions in the ν2 + ν3 vibrational band of carbon dioxide» резидента Института квантовой физики Чистикова Д.Н. Позднее он стал работать на стыке атомной физики и квантовой оптики, занявшись изучением бозе-эйнштейновских конденсатов и разработкой методов глубокого охлаждения атомов с помощью лазерных пучков. квантовая физика. воздух6 августа 2015. Как создаются щит и меч квантовой физики. Эти две физики – теория относительности и квантовая механика.