Уже лет пять как в сети ходят новости о прорывах в квантовых вычислениях.
Квантовая механика
Физики из МФТИ совместно с коллегами из Франции экспериментально показали, что атомы примесей в полупроводниках могут формировать долгоживущие устойчивые квантовые состояния. Армия России захватила опорный пункт ВСУ: новости СВО на вечер 16 декабря. Квантовая физика — раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения. Новости.
Ученые продолжили попытки понять квантовую запутанность: есть большой прогресс
В данном разделе вы найдете много статей и новостей по теме «квантовая физика». Квантовая физика называется разделом теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-силовые системы, взаимодействия и законы их движения. 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. Принципы квантовой физики, ставящие в тупик ученых: парадоксальная физика и ее главные загадки.
Новости квантовой физики
Их новая методика позволяет генерировать определенные запутанные состояния в массиве кубитов — строительных блоков квантовых компьютеров. Изменения в одной из них мгновенно влияют на другую, независимо от расстояния. Понимание запутанности имеет решающее значение для использования истинной силы квантовых компьютеров. Ранее создание и изучение конкретных запутанных состояний в мультикубитных системах было чрезвычайно сложной задачей.
Это уже не теория: инженеры вот-вот представят новое поколение связи, которая заменит Интернет и сотовую телефонию, а опыты по квантовой запутанности в хороших школах учитель показывает просто на столе. Чтобы «пощупать» то, Единое, надо вернуться в состояние Большого взрыва, когда господствовали колоссальные энергии. А где, как? Пока что лучший инструмент — Большой адронный коллайдер.
Протон в коллайдере — больше, чем протон. Мы почти научились превращать его в первоматерию, накачивая колоссальными энергиями. Тут на сцену выходят страхи, что мы устроим черную дыру в центре Европы, или спровоцируем «эффект бабочки», и все вокруг расплывется, как на картинах Сальвадора Дали. Если вы думаете, что это досужие разговоры, а сами физики не обсуждают это за чашкой кофе, то заблуждаетесь. Что из этого следует? Дежавю, исчезающие предметы, двойники, которые понятия не имеют о существовании друг друга, призраки — все это может оказаться проявлением неизвестных частиц и энергий. Просто пока нет инструмента, чтобы это измерить.
Не хватает энергии. Или нужен в принципе другой инструмент. Вообразим, например, что есть такое понятие, как «душа», у нее есть энергия, и есть частицы, которые эту энергию переносят. Слово «душа» все чаще фигурирует в исследованиях физиков. Упомянутый Джо Дэвис говорит о «термодинамической душе»: это «энергетическая память» хоть человека, хоть камня, которая делает одушевленной всю Вселенную. Идея одушевленности мира следует из принципов квантовой механики: фотон каким-то образом «сознательно» выбирает свой путь от лампы до страниц вашей книги. Если попытаться проконтролировать дорогу каждого фотона, они поменяют свое поведение — «ребята, за нами следят».
Разумно и «частицу души» искать на больших энергиях. А что это за энергии? Войны, гибель миллионов людей. Любовь матери к ребенку. С ребенком что-то случилось на другом конце света, мать чувствует. Мы удивляемся: экстрасенсорика! При этом нас не удивляет, что «запутанные» фотоны точно так же чувствуют друг друга.
Так может, «фотоны души» матери и ребенка тоже находятся в состоянии квантовой запутанности? Пока что лучшим «коллайдером» для исследования этих вещей остается сам человек. Сидит человек вечером один, вспоминает умершего родственника. Посмотрел на его портрет, сконцентрировался. Настроил свой «коллайдер». Он один, дневные дела позади, ничто не отвлекает. И…что-то изменилось.
Мы не знаем, что именно. Шорох, упала тень, сдвинулась книга, которую любил покойный. Что это, игра воображения? А если попытаться описать эти феномены в формулах квантовой механики, так никакой мистики и нет. Если «квант души» существует, ваши кванты запутанны. Вот вы и вступили во взаимодействие. Мы можем предположить, что некоторые могут настраивать свой «коллайдер» эффективнее других.
Пророки, святые, любимые толпой диктаторы или лидеры вроде Илона Маска — люди, которые лучше управляют гипотетическими, еще не открытыми, энергиями. Мне кажется, самоизоляция сильно нас изменила. Все человечество взяли, и отрезали от суеты, погрузили каждого в себя. Если я прав, последствия будут колоссальными. Переход на удаленную работу, изменения в экономике — все это мелочи. Человек станет другим. Допустим, призраки существуют.
Кто они: просто энергия, или личность?
Результаты опубликованы в Nature Physics. Термодинамика, как и всякая физическая теория, строится на основе нескольких эмпирических постулатов. Одним из таких постулатов выступает закон неубывания энтропии он же второй закон термодинамики — утверждается, что всегда можно ввести такую универсальную функцию состояния физической системы — энтропию, что во всех реальных адиабатических процессах то есть без обмена энергией с окружающей средой эта функция будет либо возрастать, либо не изменяться.
Это довольно сильное утверждение: для любых систем и процессов появляется направление эволюции во времени — от состояния с меньшей энтропией к состоянию с большей энтропией. Именно этим объясняется, например, что если вы проткнете иголкой надутый шарик, то воздух из него начнет выдуваться наружу, а не втягиваться внутрь. Равенство же энтропии в двух различных состояниях означает обратимость процесса перехода от одного состояния к другому.
Если, например, мы хотим построить какое-то устройство, чтобы использовать различные качества, которыми все они обладают и в которых они выполняют разные функции, решают разные задачи, необходимо будет изобрести язык, на котором все они смогут разговаривать. Квантовые состояния должны иметь возможность общаться, чтобы мы могли использовать весь потенциал квантового устройства". Теперь у учёных фактически есть способ заставить двух зверей такого зоопарка рычать на одном языке. Ещё один конкретный, хотя, пожалуй, и сложный для понимания перспектив пример. Квантовое зондирование. Оно позволит у знать о микромире много нового и интересного.
Ведь когда только один из двух запутанных объектов будет подвергаться внешнему воздействию, запутанность позволит измерить нужные свойства второго объекта с невероятной по современным меркам чувствительностью, не ограниченной нулевыми колебаниями. Это как заглянуть в удивительный квантовый мир с помощью микроскопа. Если представить, сколько всего нового и важного учёные узнали с его помощью о мире бактерий и клеток, то голова просто взрывается от мыслей, как много нового мы узнаем при помощи квантового зондирования.
Первые в мире: ученые МФТИ добились прорыва в области квантовых компьютеров
Суперпозиция сохраняется, пока монетку не поймали и не определили, что выпало. Еще один пример — кот Шредингера. Суперпозиция — это состояние кота, пока не открыли крышку ящика, то есть кот жив и мертв одновременно. В КК суперпозиция сохраняется, пока не производится вычисление кубита, или измерение его состояния: 0 или 1. Именно благодаря этому свойству расчеты на КК производятся быстрее, чем на классических компьютерах. Однако для выполнения сложных алгоритмов на КК важно, чтобы значения одних кубитов были связаны со значениями других. В этом помогает такое явление, как квантовая запутанность. В нем состояния двух или большего числа частиц оказываются взаимосвязанными и их значения всегда противоположные. Если у одной частицы значение 0, то у другой, «запутанной» с ним, гарантированно будет 1. Нередко для объяснения запутанности приводится пример с новой парой носков, когда один, надетый на левую ногу и ставший левым, автоматически превращает свою пару в правый, как бы далеко тот ни находился, причем происходит это моментально.
Как сравнивать Многие мировые корпорации громко заявляют о прорывах в создании КК. Одни говорят о рекордном числе кубитов, другие — о рекорде связанных кубитов, третьи — о рекордной когерентности. Что скрывается за этими рекордами и почему оценивать мощность КК стоит по квантовому объему? Под числом кубитов понимается объем информации, который может храниться и обрабатываться на квантовом компьютере за время когерентности. Чем больше число кубитов, тем больше возможностей для решения сложных задач. Если в обычной системе вычислительная мощность растет квадратично, то есть n2, то в квантовой — экспоненциально 2n n — в данном случае число битов, или кубитов. При этом важно, сколько времени кубиты могут проводить операции без потери информации. Это время называется когерентностью. Если поделить время двухкубитной операции на когерентность, то получится количество операций, которые можно совершить за цикл жизни кубита.
Соответственно, чем больше операций, тем лучше. Однако, в отличие от классических компьютеров, для КК очень важным параметром является достоверность полученных результатов, потому что его физические свойства подразумевают вероятностный характер вычислений: результат правильный с некоторой вероятностью.
Суперпозиция — это возможность квантовой системой находиться во всех возможных состояниях одновременно, что приводит к уникальным квантовым явлениям, например, интерференция частиц. Квантовое запутывание — это явление, при котором состояние одной частицы зависит от состояния другой частицы, даже если они находятся на большом расстоянии. Одной из перспективных областей развития квантовой физики является создание квантовых компьютеров.
Квантовые компьютеры представляют собой мощные вычислительные устройства, которые способны решать задачи, недоступные для классических компьютеров. Они могут существенно ускорить процессы, связанные с криптографией, оптимизацией и симуляцией сложных систем. Квантовая физика остается одной из самых загадочных и захватывающих областей науки. Ее возможности практически безграничны, и мы только начинаем понимать ее потенциал.
Вот пожалуйста. Пучок электронов пропущен через некое препятствие, в котором два просвета. И попал на этот экран. Но почему-то на экране в итоге получается вот такое нечто, которое рисуется только при распространении волн. Дифракция электронов. Вот в этом научно-популярном фильме физик Джим Аль-Халили объясняет, что будет, если из особой пушки через такое же препятствие с двумя просветами стрельнуть всего лишь ОДНИМ-единственным электроном. Но как только сие непонятно что сталкивается с беспросветным препятствием — превращается в добропорядочную частичку. А дальше — со всеми остановками. За эти сотню с лишним лет после "отчаянного" выступления Планка человечество погрузилось в бездну неизвестности уже довольно глубоко. Выяснилось, что кванты могут состоять в непостижимых отношениях, как некоторые люди: у одного в далёкой дали что-то меняется, другой немедленно это ощущает и тоже начинает вести себя по-другому. Так называемая квантовая запутанность. Выяснилось, что эти частицы одновременно могут находиться в разных состояниях, отсюда — кот Шрёдингера: суть мысленного эксперимента в том, что кот сидит в коробке, и механизм его убийства сработает в случае распада одного атома, а поскольку квантовые частицы в этом атоме одновременно находятся в разных состояниях, выходит, что кот одновременно и жив, и мёртв. Выяснилось, что кванты проходят через препятствия.
Выстраиваем эти атомы в определённом порядке это может быть такая двумерная решетка И при помощи возбуждения заставляем их взаимодействовать. Так наш квантовый компьютер будет инициализировать состояния, выполнять операции. Дальше мы производим считывание. То есть мы считываем состояние атомов. Если он был возбуждён или если он не был возбужден. И в зависимости от этого получаем ответ на поставленный вопрос». Процесс сложный, но ученые излучают уверенность и делают кубиты также на сверхпроводниках, которым нужны экстремально низкие температуры. Уже есть успехи — американская IT-компания , например, в конце 2022 года представила процессор, внутри которого 433 кубита. Теоретически в нем может одновременно содержаться на много порядков больше бит информации, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. Но решить какую-то задачу гораздо быстрее обычного компьютера, то есть «продемонстрировать квантовое превосходство», такой процессор пока не может — слишком нестабильны элементы. Подобные удачи, впрочем, уже случались.
Ученые продолжили попытки понять квантовую запутанность: есть большой прогресс
| С приставкой «супер-»: обзор новостей квантовой физики | Китайские физики обнаружили гигантский — на два порядка больше по величине обычного — невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе на основе тетрадимита допированного оловом (Sn—Bi1,1Sb0,9Te2S). |
| Квантовая физика | свежие новости дня в Москве, России и мире. |
| Парадоксы квантовой физики: чем удивительна квантовая реальность | Новости дня от , интервью, репортажи, фото и видео, новости Москвы и регионов России, новости экономики, погода. |
#квантовая физика
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. Цифровые технологии слишком медленны и слишком грубы. Интернет будущего будет квантовым и сольется с мозгом.
В Чикагском университете доказали это на практике. Химические реакции протекали намного быстрее, чем в обычных условиях. Также ученые заметили, что взаимодействие трех атомов происходит чаще, чем двух, и при столкновении трех атомов два соединяются, образуя молекулу, а третий каким-то образом помогает процессу. По словам авторов исследования, все молекулы, которые получаются в итоге, находятся в одном и том же состоянии, что полезно для создания больших партий идентичных молекул. Их предлагают, в частности, использовать в качестве кубитов в квантовых вычислительных устройствах. В Техасском университете в Эль-Пасо США заявили, что придумали магнитный материал, позволяющий манипулировать кубитами при комнатной температуре. Профессор Техасского университета в Эль-Пасо Ахмед Эль-Генди демонстрирует магнетизм нового материала для квантовых компьютеров А японские физики добились квантовой стабильности при комнатной температуре в молекуле красителя, встроенной в металлоорганический каркас.
Приглашаем на ЛСОП-2024: Участников заключительного этапа, победителей и призеров регионального этапа ВсОШ по математике, физике, химии, биологии, информатике и астрономии; Победителей и призеров заключительного этапа олимпиад из перечня РСОШ по тем же предметам; Победителей и призеров заключительного этапа Всесибирской открытой олимпиады школьников. Не призер, а поступить хочу. Что делать? Приехать в Летнюю школу. Она пройдет с 1 по 23 августа.
Пусть один детектор сообщил, что спин «его» электрона направлен вверх. Теперь можно утверждать, что спин второго электрона глядит вниз. И опыт это подтверждает. Пусть второй электрон движется в сторону более удаленного детектора с такой же ориентацией поля. Этот прибор с некоторой задержкой отметит, что электронный спин направлен вниз, как и ожидалось. Таким образом, мы достоверно предсказали спин второй частицы, никак на нее не воздействуя. Согласно логике ЭПР, направление ее спина считается элементом физической реальности. В чем же парадокс? Допустим, что детекторы ориентированы иначе, скажем слева направо. Если спин одного электрона смотрит вправо, мы должны заключить, что спин второго направлен влево. Странный это элемент физической реальности, если его можно изменять по собственному усмотрению! Но это еще полбеды. Установим теперь ближний детектор вертикально, а дальний — ортогонально ему, слева направо. Если наблюдатель у первого детектора увидит, что спин смотрит вверх, он посчитает, что спин электрона-партнера направлен вниз. Однако второй прибор регистрирует значения спина не по вертикали, а перпендикулярно ей. Квантовомеханические расчеты показывают, что при повторении этого эксперимента спин второго электрона в половине случаев будет смотреть вправо, а в половине — влево. Тогда второй наблюдатель вроде бы сможет с полным основанием заключить, что спин первого электрона направлен, соответственно, влево или вправо. В итоге выводы двух наблюдателей окажутся несовместимыми друг с другом. Что же делать с физической реальностью? С точки зрения Бора, никакого парадокса тут нет. Если ориентация спина возникает лишь в ходе измерения, то не приходится говорить о ней вне экспериментального контекста. Однако вспомним, что мы вольны в выборе детекторов. Откуда спину заранее знать, в каком направлении его измерят? Похоже, что первый электрон мгновенно сообщает своему близнецу о том, что он проскочил через детектор. Но ведь никакого физического взаимодействия между ними нет, так как же они ухитряются общаться? Так что, если задуматься, копенгагенская интерпретация тоже не беспроблемна. Из этого тупика можно выбраться с помощью догадки Шрёдингера: система из двух связанных общим процессом рождения электронов принципиально нелокальна, так уж устроен мир. Отсюда с необходимостью следует, что квантовые корреляции сильнее классических. Тогда всё встает на свои места. Мы изготовили пару электронов в спутанном состоянии, отсюда и вся необычность их поведения в ЭПР-эксперименте. Но Шрёдингер сформулировал свою гипотезу словесно, для физики этого маловато. Можно ли перевести ее на язык чисел, чтобы проверить с помощью измерений? Белловский прорыв Эту задачу первым поставил и успешно разрешил чрезвычайно одаренный ирландский физик, имя которого, к сожалению, и сейчас не слишком известно широкой публике. Уроженец Белфаста Джон Стюарт Белл 1928—1990 прожил недолго, злая судьба послала ему раннюю смерть от кровоизлияния в мозг. Он долго работал в Европейском центре ядерных исследований, где много сделал в области теории элементарных частиц и конструирования ускорителей. В 1964 году Белл, который тогда получил отпуск в ЦЕРНе ради временного пребывания в Брандейском и Висконсинском университетах, заинтересовался основами квантовой механики, в частности ЭПР-парадоксом. Результатом этих раздумий стало строгое математической доказательство возможности надежной экспериментальной проверки гипотезы существования спутанных состояний J. Bell, 1964. On the Einstein Podolsky Rosen paradox. Его иногда именуют теоремой Белла, хотя он сам в своей статье это название не использовал. Джон Белл 1979 год. Фото с сайта en. Белл сформулировал первое из названных его именем неравенств, которые в принципе как раз и позволяют осуществить проверку гипотезы скрытых параметров. В содержательном плане суть его выводов состоит в утверждении, что никакое описание микропроцессов, основанное на этой гипотезе, не может объяснить все без исключения статистические результаты, получаемые в рамках стандартной квантовой механики. Со временем в теоретической физике возникло целое направление, посвященное поиску новых вариантов теоремы Белла. Математика первой статьи Белла в принципе не слишком сложна, но для воспроизведения в популярном тексте, конечно, не подходит. Однако суть его выводов можно передать и без технических деталей. Белл показал, как можно подтвердить или опровергнуть реальность спутанных состояний на основе бомовской версии мысленного эксперимента ЭПР. Во-первых, нужно использовать не два детектора спина, а не меньше трех, а еще лучше — четыре. Во-вторых, детекторы следует располагать не параллельно или ортогонально, а под произвольными углами. Вот идеальная схема такого контрольного эксперимента. Пусть вновь имеется источник электронных пар с нулевым суммарным спином, посылающий частицы в противоположных направлениях, скажем влево и вправо. Поставим там по паре магнитных детекторов, повернув их по отношению друг к другу на произвольный угол. После каждого «включения» источника срабатывает один левый и один правый детектор, но какие именно — заранее не известно. А дальше — самое главное. В итоге получим функцию назовем ее S , зависящую от угла, под которым установлены детекторы для интересующихся, речь идет о математическом ожидании. Из теоремы Белла следует, что для неспутанных частиц значения этой функции при любом расположении детекторов всегда лежат в промежутке от минус двух до плюс двух это и есть одна из версий неравенства Белла. Такой вывод следует лишь из предположения, что каждый член любой электронной пары, уйдя от источника, сохраняет свое собственное состояние, не подвергаясь воздействию далекого близнеца. Если же это не так, если электроны-партнеры даже вдали от источника не локализованы в полностью автономных состояниях, а связаны друг с другом квантовомеханической спутанностью, то выполнение неравенства Белла не гарантируется. Более того, из квантовомеханических вычислений следует, что при каких-то ориентациях детекторов численное значение функции S может быть как больше двух, так и меньше минус двух. Следовательно, экспериментальная проверка неравенства Белла в принципе открывает путь к решению проблемы существования спутанных состояний. Однако это было только начало длинной цепочки исследований. Белл в своей статье описал мысленный эксперимент, в котором могли бы быть проверены сделанные им выводы, однако его схема не годилась для реализации «в железе». Holt опубликовали работу с новой версией белловского неравенства, которая уже допускала экспериментальную проверку J. Clauser et al. Proposed experiment to test local hidden-variable theories. Эта статья, известная по ссылкам как CHSH, стала важным этапом в развитии белловского подхода к проверке основ квантовой механики. Клаузер, Аспе и другие Выполнить такую проверку удалось далеко не сразу. Изготовление и регистрация спутанных состояний — непростая задача. Первые опыты по верификации теоремы Белла проводились с поляризованными фотонами. Вместо бомовских пар спутанных электронов с нулевым полным спином в них использовали пары световых квантов с альтернативными модами поляризации например, вертикальной и горизонтальной , а вместо магнитных детекторов — поляризационные фильтры. 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.
Нобелевскую премию по физике присудили за квантовую запутанность
Физики создали «червоточину» внутри квантового компьютера. IBM представила самый мощный в мире квантовый компьютер. Квантовый – последние новости. В 1964 году физик Джон Белл придумал, как различить в эксперименте две версии квантовой механики — ортодоксальную и со скрытыми параметрами. В 1973 году физик Филип Андерсон описал ее в своей теории, отметив, что она бы сыграла ключевую роль в создании квантовых компьютеров. Физики создали «червоточину» внутри квантового компьютера. IBM представила самый мощный в мире квантовый компьютер. Вероятно, в какой-то момент, когда критическая масса развитых квантовых технологий, нашего понимания физики и экспертизы перевалит некую черту, начнется эра полностью квантовых машин. Квантовая физика (рассказывает физик Дмитрий Бочаров и др.) Новости дня от, интервью, репортажи, фото и видео, новости Москвы и регионов России, новости экономики, погода.
Нобелевскую премию по физике присудили за квантовую запутанность
В квантовых точках запутанные по поляризации фотоны рождаются в процессе двухфотонного резонансного возбуждения в биэкситонно-экситонном каскаде, однако эффективность этого метода остается пока ниже, чем в методе параметрической вниз-конверсии. Basso Basset Римский университет Сапиенца, Италия и соавторы исследовали влияние индуцированного лазером эффекта Штарка на спектры излучения квантовых точек и на квантовую запутанность излучаемых фотонных пар [3]. Квантовая точка в GaAs облучалась фемтосекундными лазерными импульсами. Оказалось, что эффективность запутывания зависит от соотношения длительности лазерного импульса и времени жизни верхнего возбужденного состояния точки, ответственного за генерацию каскада. В новом эксперименте длительность импульса была доведена до времени жизни указанного уровня, и была показана перспективность использования фотонных пар от квантовых точек на частотах выше ГГц, хотя пока остается широкое поле для дальнейших исследований и усовершенствований. Sreekanth Институт материаловедения и инжиниринга IMRE , Сингапур и соавторы продемонстрировали в своём эксперименте новый спектрограф для резонансной рамановской спектроскопии с поверхностным усилением в участке ближнего ИК-спектра [4]. Это устройство может применяться для идентификации молекул по частотам их колебательных линий. Использовался перестраиваемый брэгговский отражатель из чередующихся слоёв стибнита Sb2S3, вносящего малые фазовые потери, и слоёв SiO2, а также тонкой металлической плёнки. На ней генерировались таммовские плазмоны с длинами волн 738-1504 нм. Непрерывная перестройка по частоте осуществлялась путём изменения структуры слоёв Sb2S3 от аморфных до кристаллических при электрическом нагреве.
Лазерное излучение фокусировалось на образец с помощью линзы, и через ту же линзу наблюдался отклик рамановского рассеяния. Эксперимент показал перспективность данного устройстава как масштабируемой биосенсорной платформы для различных применений в клинической диагностике.
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. 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.
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.
А если это так, делают вывод ЭПР, то квантовомеханическое описание реальности не является полным. Что и требовалось доказать. Реакция столпов физического сообщества на эту работу была предсказуемо жесткой. Вольфганг Паули без обиняков написал Гейзенбергу, что Эйнштейн поставил себя в дурацкое положение. Бор сначала сильно осерчал, а потом стал придумывать опровержение. После трехмесячных раздумий он провозгласил на страницах того же самого журнала, что мысленный эксперимент ЭПР отнюдь не отменяет соотношения неопределенностей и не создает препятствий для применения квантовой механики. Бор подчеркнул, что Эйнштейн вправе полагать квантовую теорию неполной, но ее практическая эффективность от этого не уменьшается. Правда, аргументы Бора были довольно невнятными, а лет через десять он как-то признался, что уже сам не может в них разобраться.
С «Папой» Бором согласились почти все теоретики, кроме Эрвина Шрёдингера. Он тщательно продумал смысл ЭПР-парадокса и пришел к чрезвычайно глубокому выводу, который следует процитировать. Если две системы, состояния которых нам известны, временно вступают в физическое взаимодействие, а затем разделяются вновь, то их уже нельзя описывать прежним образом, то есть утверждать, что каждая система пребывает в своем собственном состоянии. Я считаю это обстоятельство самой характерной чертой квантовой механики, разделяющей ее и классическую науку. Так без большого шума в восьмистраничной статье одного из великих отцов-основателей квантовой механики впервые появилось это самое квантовое «спутывание» E. Discussion of probability relations between separated systems. Шрёдингер первым осознал, что логический анализ ЭПР-парадокса ведет к важнейшему выводу: квантовая механика допускает такие состояния физических систем, при которых корреляции между их элементами оказываются сильнее любых корреляций, допускаемых классической физикой! Эти состояния он и назвал спутанными, в немецком оригинале Verschrankung.
Отсюда следует, что каждая такая система представляет собой единое целое, не допускающее разделения на независимые части. Это свойство квантовых систем принято называть нелокальностью. Шрёдингер с самого начала вполне осознал глубину этой идеи — не случайно он как-то сказал Эйнштейну, что тот своим мысленным экспериментом схватил за горло догматическую квантовую механику. Однако важность КС была по-настоящему осознана большинством физиков значительно позже. Стоит отметить, что в другой работе того же 1935 года Шрёдингер описал и ставший знаменитым воображаемый эксперимент с запертым в ящике котом E. Дэвид Бом и его схема В начале 50-х годов американский физик Дэвид Бом сформулировал новую версию ЭПР-эксперимента, которая резче демонстрировала его парадоксальность и упрощала его математический анализ. Он рассмотрел пару одинаковых квантовых частиц с половинным спином, изначально изготовленную так, чтобы их полный спин равнялся нулю. К примеру, такую пару можно получить при распаде бесспиновой частицы.
Для определенности назовем эти частицы электронами. После распада они станут удаляться от зоны рождения в различных направлениях. Поставим на их пути магнитные детекторы, измеряющие спин. В идеальной модели такого прибора электроны движутся сквозь щель, пронизанную параллельными силовыми линиями постоянного, но неоднородного магнитного поля на деле, естественно, всё несколько сложнее. Из-за своей квантовой природы до измерения спин вообще не имеет определенной ориентации, а после него он ориентируется либо в направлении поля, либо против него скажем, вверх или вниз, если поле вертикально. Теперь проведем ЭПР-эксперимент «по Бому». Пусть один детектор сообщил, что спин «его» электрона направлен вверх. Теперь можно утверждать, что спин второго электрона глядит вниз.
И опыт это подтверждает. Пусть второй электрон движется в сторону более удаленного детектора с такой же ориентацией поля. Этот прибор с некоторой задержкой отметит, что электронный спин направлен вниз, как и ожидалось. Таким образом, мы достоверно предсказали спин второй частицы, никак на нее не воздействуя. Согласно логике ЭПР, направление ее спина считается элементом физической реальности. В чем же парадокс? Допустим, что детекторы ориентированы иначе, скажем слева направо. Если спин одного электрона смотрит вправо, мы должны заключить, что спин второго направлен влево.
Странный это элемент физической реальности, если его можно изменять по собственному усмотрению! Но это еще полбеды. Установим теперь ближний детектор вертикально, а дальний — ортогонально ему, слева направо. Если наблюдатель у первого детектора увидит, что спин смотрит вверх, он посчитает, что спин электрона-партнера направлен вниз. Однако второй прибор регистрирует значения спина не по вертикали, а перпендикулярно ей. Квантовомеханические расчеты показывают, что при повторении этого эксперимента спин второго электрона в половине случаев будет смотреть вправо, а в половине — влево. Тогда второй наблюдатель вроде бы сможет с полным основанием заключить, что спин первого электрона направлен, соответственно, влево или вправо. В итоге выводы двух наблюдателей окажутся несовместимыми друг с другом.
Что же делать с физической реальностью? С точки зрения Бора, никакого парадокса тут нет. Если ориентация спина возникает лишь в ходе измерения, то не приходится говорить о ней вне экспериментального контекста. Однако вспомним, что мы вольны в выборе детекторов. Откуда спину заранее знать, в каком направлении его измерят? Похоже, что первый электрон мгновенно сообщает своему близнецу о том, что он проскочил через детектор. Но ведь никакого физического взаимодействия между ними нет, так как же они ухитряются общаться? Так что, если задуматься, копенгагенская интерпретация тоже не беспроблемна.
Из этого тупика можно выбраться с помощью догадки Шрёдингера: система из двух связанных общим процессом рождения электронов принципиально нелокальна, так уж устроен мир. Отсюда с необходимостью следует, что квантовые корреляции сильнее классических. Тогда всё встает на свои места.
Квантовая физика сосредоточена только на математическом описании процессов наблюдения и измерения точнее формулы. Знаете, в жизни многих из нас было одно впечатление, которое с детства и надолго определяло способ мышления. Это впечатление можно назвать так: «космос — обалденный». Но время идет, буйный восторг сменяется разумным интересом, эрудиция — научным методом, а звезды больше не падают ведь это болиды. Поэтому вы читаете эту статью, а я с удовольствием ее пишу. Давайте обсудим, чего мы не знаем о Вселенной.
И говоря «мы» я имею в виду, конечно, нас, напичканных научными статьями и открытиями.
Квантовые точки: что это такое и почему за них дали нобелевскую премию?
В частности, в квантовой физике постулируется, что квантовые законы реализуются на сверхмалых расстояниях и в мире сверхмалых частиц. 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. Армия России захватила опорный пункт ВСУ: новости СВО на вечер 16 декабря. 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. На сайте собрана основная информация о главных новостях, инициативах, проектах и мероприятиях Десятилетия науки и технологий.
С приставкой «супер-»: обзор новостей квантовой физики
| Физики доказали необратимость квантовой запутанности | В 1973 году физик Филип Андерсон описал ее в своей теории, отметив, что она бы сыграла ключевую роль в создании квантовых компьютеров. |
| Новости по тегу Квантовая физика | | 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. |
| Ключевую теорию квантовой физики наконец-то доказали. Главное | Будь в курсе последних новостей из мира гаджетов и технологий. |
| Квантовые технологии изменят мир. Новости квантовых компаний. | Главная» Новости» Квантовая физика новости. |