Квантовая физика http://so-l.ru/tags/show/kvantovaya_fizika Tue, 25 Feb 2020 21:45:18 +0300 <![CDATA[Почему ученые озабочены проблемой атома?]]>

Загадка работы атома до сих пор остается неразгаданной

Никто на самом деле не знает, какие именно процессы происходят внутри атома. Единственное, что остается достоверно известным — это то, что электроны носятся вокруг орбиталей во внешней оболочке атома, образуя большое количество пустого пространства, в центре которого располагается ядро из протонов и нейтронов. Собираясь вместе, протоны и нейтроны придают атому уникальные свойства, определяющие в дальнейшем те или иные качества вещества, которое может быть как кислородом или водородом, так и железом или ксеноном. Согласно статье, опубликованной на портале livescience.com, в настоящее время все еще остается неизвестным то, каким именно образом протоны и нейтроны ведут себя внутри атома. Кроме того, проведенные эксперименты показали, что протоны и нейтроны, расположенные внутри ядра, кажутся гораздо больше, чем они являются на самом деле. С чем же связаны подобные свойства и как их можно применить на практике?

Как устроен атом?

Как вам может быть известно, протоны и нейтроны, расположенные внутри атома, состоят из мельчайших частиц, называемых кварками, взаимодействия между которыми настолько сильны, что их не может деформировать никакая внешняя сила. Джеральд Миллер, физик-ядерщик из Вашингтонского университета считает, что нуклоны, которые образуются при слиянии протонов и нейтронов, имеют внутри себя очень малое количество энергии. Когда в 1983 году физики из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) заметили, что пучки электронов отталкивались от железа отличным от свободных протонов образом, они пришли к выводу, что проблема размера заставляет протоны и нейтроны внутри тяжелых ядер действовать так, как будто они имеют намного большие размеры. Данное явление было названо эффектом ЭМС в честь группы, которая случайно его обнаружила.

Читайте также: Триллион возрастов Вселенной: ученые наблюдали самый редкий распад атомов

Кварки — мельчайшие обнаруженные частицы во Вселенной

В то время как кварки — особые частицы, составляющие нуклоны, взаимодействуют между собой внутри отдельного протона и нейтрона, кварки, расположенные в разных протонах и нейтронах, не могут настолько же активно взаимодействовать друг с другом. Вместе с тем, из-за того, что около 20% нуклонов в ядре фактически находится вне своих орбиталей, взаимодействие между ними происходит гораздо более энергично, чем обычно. Данное явление возникает потому, что кварки способны проникать сквозь стенки нуклонов, вызывая разрушение стенок внутри отдельных протонов и нейтронов.

Несмотря на то, что данная теория взаимодействий звучит очень правдоподобно, эксперты полагают, что гипотеза не до конца решает проблему атомного ядра, предлагая заменить ее так называемой квантовой хромодинамикой или системой правил, управляющих поведением кварков. Трудность в решении данной задачи кроется в низком уровне современных технологий, которые не позволяют провести крайне сложные хромодинамические вычисления, необходимые для подтверждения теории.

Для того, чтобы не терять столь ценный ресурс понапрасну, вы можете подписаться на наши каналы в Яндекс.Дзен и Telegram и поделиться своим мнением по поводу данной статьи в нашем чате.

Тем не менее, эффект ЭМС уже сейчас может помочь при прояснении некоторых важных вопросов современной квантовой физики. Поможет ли внедрение суперкомпьютеров для решения проблемы атома? Пожалуй, время покажет.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2020_01_05_pochemu_uchenie_ozabocheni_problemoy_atoma Sun, 05 Jan 2020 10:00:02 +0300
<![CDATA[Квантовые процессы оказывают влияние на сознание]]>

Могут ли квантовые процессы оказывать влияние на сознание человека?

Происхождение сознания всегда было загадкой для ученых и философов, каждый из которых пытался найти свое логическое решение этому вечному вопросу. Хотя некоторые нейробиологические исследования все же смогли выявить определенную мозговую активность, которая однажды может пролить свет на вопрос о происхождении сознательного мышления, ряд электрохимических изменений в клетках головного мозга человека все еще остается загадкой для исследователей в области нейробиологии.

Как нервная ткань порождает мысль?

Несмотря на то, что человечество далеко продвинулось в своих нейробиологических исследованиях, мы до сих пор точно не знаем, каким же именно образом нервная ткань способна породить мысль. По словам Изи Столл, директора Западного Института перспективных исследований, механизм возникновения мысли представляет собой малоизученную и весьма специфичную особенность нейронных сетей. Из-за того, что большинство теорий о возникновении сознания пришли к нам из когнитивной науки, ни одна из официально озвученных гипотез так и не нашла ответ на то, что же именно дало эволюции толчок к развитию сознательного мышления. Для тех ученых, которые стремятся найти научное и рациональное объяснение происходящих в мозге человека процессов, одним из решений сложившейся проблемы может стать изучение их взаимосвязи с квантовым миром.

Читайте также: Могут ли машины обладать сознанием?

Может ли квантовая физика объяснить появление у человека сознания?

Квантовая физика — один из наиболее таинственных разделов теоретической физики, который изучает поведение атомных и субатомных частиц, ведущих себя как волны. Физические процессы, происходящие в мире квантовой механики, являются настолько же таинственными, как и само сознание. Так, никому неизвестно, что же именно происходит с субатомными частицами, которые существуют в двух местах одновременно или же с кошкой, которая в эксперименте Шредингера и жива, и мертва в один и тот же момент времени. Что, если аналогичные процессы происходят и в момент зарождения у человека сознания и способности осознавать себя?

В мысленном эксперименте Эрвина Шредингера кот и жив, и мертв одновременно

Аналогично тому, как ученые надеются исследовать тайны сознания с помощью квантовой физики, некоторые исследователи считают, что именно сознание может помочь ответить на основные вопросы квантовой физики. Тот факт, что уравнения из этой области науки имеют бесконечные состояния, возможность совмещения квантовой теории в гипотезу о сознании может помочь объяснить почему же люди испытывают на себе лишь одну реальность, а не являются соучастниками сразу нескольких состояний мироздания.

Несмотря на то, что традиционная квантовая физика склонна считать, что именно сознание определяет тот или иной результат события, в 1989 году физик Роджер Пенроуз выдвинул гипотезу о так называемом коллапсе волновой функции, которая и вызывает сознание. Иными словами, сознание по Пенроузу может являться не первичным, определяющим элементом, но вторичным и приобретенным. Согласно Пенроузу, именно искривление пространства и времени вызывает определенные события на квантовом уровне, которые и влияют на поведение квантовых частиц к структурах головного мозга человека, которые отвечают за сознание. Кроме того, специалисты смогли установить, что анестетики, которые приводят к временной потере сознания влияют именно на найденные исследователями микротрубочки.

Согласно теории Пенроуза, ваша печень может обладать сознанием. И не только она

Несмотря на то, что данная теория о возникновении сознания получила широкую огласку в научном мире, официального признания, как такового, у нее нет. Одной из проблем теории Пенроуза является тот факт, что абсолютно в каждой клетке нашего организма существуют упомянутые выше микротрубочки, однако это же не значит, что, скажем, у клеток печени или легких есть сознание.
Хотя, пожалуй, такой исход событий был бы весьма оригинален.

Так это или не так, покажет время. Мы же с вами можем пока только гадать, смогут ли ученые однажды разгадать тайну сознания, которая, возможно, прольет свет и на вопрос о загадках квантовой механики. Если у вас есть свои собственные идеи о происхождении сознания, поделитесь ими в нашем Telegram-чате или на официальном канале в Яндекс.Дзен.

Если концепция Пенроуза может показаться вам довольно необычной, то идея, разработанная нейробиологами Эндрю и Александром Фингелькуртами, может удовлетворить наиболее пытливые умы, представив более “приземленную” идею. Согласно их концепции, названной архитектоникой разума и мозга, молекулы воды, из которых по большей своей части состоит наш мозг, создают так называемое “кортикальное поле”, взаимодействующее с квантовыми волнами, способными распространяться сквозь клетки головного мозга, таким образом производя то, что мы называем сознанием.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_10_26_kvantovie_processi_okazivayut_vliyanie_na Sat, 26 Oct 2019 13:00:18 +0300
<![CDATA[Молекулы могут находиться в двух местах одновременно]]>

Не только атомы, но и молекулы могут находиться в двух местах одновременно

Квантовая механика, представляющая из себя самый таинственный и малоизученный раздел физики, уже не раз удивляла ученых все новыми и новыми своими свойствами, мало согласующихся с традиционным макроскопическим миром. То, где же именно находится граница между ним и квантовым мирами, до сих пор остается нераскрытой загадкой. Вместе с тем, в своем недавнем эксперименте, физикам наконец-то удалось немного приоткрыть завесу тайны и показать, что даже массивные молекулы могут существовать в двух местах одновременно.

Реальна ли телепортация?

Споры о том, возможно ли будет однажды мгновенно переместить человека на более или менее значительное расстояние, не утихают до сих пор. Новое открытие, показывающее, что не только атомы, но и относительно крупные молекулы способны находиться в двух местах одновременно, на шаг приближает человечество к его давней мечте — покорению больших расстояний за долю секунды. Уникальное открытие было сделано благодаря использованию несколько модернизированного двухщелевого эксперимента, часто применяющемся в физике при изучении свойств фотонов света. Именно благодаря ему ученые в свое время смогли прийти к понятию о двойственности света, ведущего себя как частица и волна одновременно.

Читайте также: Осуществлена квантовая телепортация на рекордные 30 километров

Провести двухщелевой эксперимент довольно просто на практике. В первую очередь нужно проследить, чтобы источник света был направлен к поверхности, которая имеет две вырезанные в ней прорези. Сзади заданной поверхности необходимо разместить другую поверхность, на которую будет проецироваться свет. Если бы свет состоял только из обычных частиц, то рисунок на задней поверхности проявлялся бы только в форме и размере щелей. Однако двухщелевой эксперимент тем и уникален, что волны света начинают неожиданно отскакивать друг от друга, как рябь в воде, создавая своего рода тигровый узор на поверхности.

Проведение двухщелевого эксперимента

Но самое странное в эксперименте заключается в том, что даже когда опыт проводится с отдельными частицами света, появляется все тот же полосатый узор. Каким-то образом эти фотоны, похоже, не идут только по одному пути, как можно было бы ожидать, а пересекаются и смешиваются друг с другом.

В физике подобное явление называется квантовой суперпозицией, которая наиболее хорошо иллюстрируется кошкой Шредингера. В этом мысленном эксперименте кошка, спрятанная в коробке, не является ни живой, ни мертвой, но существует в двух состояниях одновременно. В момент открытия коробки наблюдателем, суперпозиция коллапсирует в одно состояние или в другое. Еще большей необычности опыту придает тот факт, что если бы детекторы были установлены в щелях в качестве инструмента измерения пройденного светом пути, то полосатые узоры сразу бы исчезли. Размытость результата проясняется только тогда, как только он измеряется.

Если вам нравится данная статья, приглашаю вас присоединиться к нашему официальному каналу на Яндекс.Дзен, где вы сможете найти еще больше полезной информации из мира науки и техники.

Вместе с тем, явление суперпозиции, по-видимому, применимо только в квантовой области, ведь по мере того, как объекты становятся больше, двойственность света практически полностью исчезает в макроскопическом мире. Если так, то есть ли предел размера того самого объекта, который без каких-либо проблем способен находиться в двух местах одновременно? Для того, чтобы ответить на данный вопрос, ученые из университетов Вены и Базеля провели двойной щелевой эксперимент с самыми большими молекулами, которые были протестированы в истории физики.

Предыдущий рекорд включал молекулы, содержащие более 800 атомов, но команда исследователей сумела расширить его до 2000 атомов. Молекулы существовали в состоянии квантовой суперпозиции и показали аналогичный результат квантовой раздвоенности. Подобный результат подталкивает границу микроскопического ближе к нашему макро-миру, при этом практически полностью стирая между ними какую-либо грань.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_10_08_molekuli_mogut_nahoditsya_v_dvuh_mestah Tue, 08 Oct 2019 20:00:11 +0300
<![CDATA[Телепортация создает новую реальность]]>

Телепортация постепенно начинает входить в нашу жизнь. По крайней мере, это понятие уже никого не удивляет

В 1931 году американский писатель Чарльз Форт впервые описал понятие телепортации в одном из своих романов. С тех самых пор придуманный Фортом термин стал активно использоваться в фантастической литературе, постепенно становясь не только литературным понятием, но и по-настоящему научным. Так, на сегодняшний день квантовая телепортация постепенно становится не вымыслом, а настоящей реальностью.

Что такое телепортация?

Как уже говорилось выше, термин телепортации пришел к нам из фантастической литературы. Однако, если в книгах этот процесс показывал возможность перемещения человека и предметов даже на самые запредельные расстояния, то современная квантовая физика способна передать квантовое состояние.

Вам будет интересно: Первая в истории фотография квантовой запутанности

Для того, чтобы понять, что такое квантовое состояние, представьте себе обычный компьютер, данные которого хранятся в двоичных битах в виде «0» и «1». По сравнению с таким устройством, квантовый компьютер является гораздо более совершенным изобретением, так как он может хранить данные сразу в двух состояниях одновременно. Кроме того, вся информация из квантового компьютера может быть телепортирована на любое расстояние, что, собственно, и сделали ученые из Австрии и Китая.

Возможно, в будущем телепортация заменит все основные виды транспорта

Для того, чтобы проверить способность квантового компьютера выходить за рамки двоичного кода, исследователи провели особый эксперимент под названием “Тест Белла”. В таком случае два фотона испускаются в разных направлениях одновременно, причем один из фотонов становится своеобразным “испытуемым”, чьи показатели измеряются и сравниваются со вторым фотоном света. Как показывает практика, передаваемая первым фотоном информация каким-то еще непостижимым образом телепортируется на второй фотон, независимо от того, насколько они далеки друг от друга.

Как вы считаете, сможет ли наука однажды телепортировать человека? Давайте попробуем это обсудить в нашем Telegram-чате.

Кадр из сериала Star Trek

Для проведения нового исследования ученые адаптировали классический эксперимент для телепортации трехуровневого состояния фотона, которое они называют “кутритом». Квантовое состояние в этом случае – это то, через какое из трех оптических волокон проходит фотон. В этом случае, мы должны помнить о том, что квантовая физика позволяет одному фотону находиться в любом или во всех трех волокнах одновременно.

Команда использовала многопортовый светоделитель для направления фотонов, а затем манипулировала их состояниями с помощью вспомогательных фотонов. Тщательно контролируя интерференционные картины этих крошечных частичек света, команда смогла успешно телепортировать квантовую информацию на другой фотон, хотя эти два фотона никогда не взаимодействовали физически.

Проведенный эксперимент показывает, что квантовая телепортация может быть осуществлена не только в трех измерениях, но и теоретически в любом количестве открывающихся в перспективе измерений. В целом, проведенное исследование является шагом к использованию квантовой механики для улучшения электроники. В недалеком будущем квантовый интернет мог бы соединить квантовые компьютеры вместе, чтобы передавать данные невероятно быстро через квантовую телепортацию.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_09_03_teleportaciya_sozdaet_novuyu_realnost Tue, 03 Sep 2019 17:00:09 +0300
<![CDATA[Из чего состоит звук]]>

Ежедневно нас окружают сотни различных звуков. А вы когда-нибудь задумывались о строении звука? Из курса школьной физики мы знаем про звуковые волны, но ведь все в нашей Вселенной состоит из элементарных частиц. И звуковая волна — не исключение. Для того, чтобы досконально изучить то, из чего состоит звук, физики из Стэнфордского университета создали очень чувствительный микрофон. Его можно назвать в какой-то степени «квантовым микрофоном», ведь он может уловить колебания элементарных звуковых частиц, называемых фононами.

Что такое фонон

Еще в 1907 году Альберт Эйнштейн предположил возможность существования фононов. Это частица, представляющая собой скопление вибрационной энергии. Фононы излучаются возбужденными атомами и проявляются в виде звука различной частоты. В каждом фононе заключено определенное количество вибрационной энергии. Единица измерения энергии обозначается термином Fock. Если в звуковой волне регистрируется 1 Fock, то значит она содержит 1 фонон. Если 2 Fock — 2 фонона и так далее. Именно на принципе измерения Fock и основана работа «квантового микрофона».

Что такое «квантовый микрофон» и как он работает

Квантовый микрофон представляет собой охлажденный до сверхнизкой температуры резонатор. Но невооруженным глазом вы увидеть его не сможете, так как он настолько маленький, что его удастся разглядеть лишь под электронными микроскопом с большим увеличением. Резонатор подключен к схеме, внутри которой циркулируют пары связанных электронов. Отклонение в движении этих пар электронов возникает в результате воздействия на них фононов. Это воздействие и улавливает резонатор, регистрирует и передает в систему для анализа.

Зачем нужен «квантовый микрофон»

В первую очередь, устройство необходимо для того, чтобы более точно изучить природу звуковых волн, а также понять процесс формирования фононов. Более того, «квантовый микрофон» при изменении режима работы способен сам вырабатывать единичные фононы. То есть его можно в буквальном смысле использовать в качестве генератора элементарных частиц (в данном случае только частиц звука) и, в отличие от того же Большого адронного коллайдера, для этого не нужно проводить столкновения частиц на больших скоростях. Все происходит благодаря генерации незначительных вибраций на атомарном уровне.

Это интересно: Российские ученые смогли повернуть время вспять

Это позволит создать микроскопические устройства, способные сохранять и воспроизводить квантовую информацию, закодированную в параметрах элементарных частиц звука (фононах). Кроме этого, подобные системы могут выступать в качестве преобразователей механических сигналов в оптические и наоборот, что можно будет использовать при создании квантовых компьютеров и других элементов высокотехнологичных гаджетов в будущем.

Хотите узнать больше? Подписывайтесь на нашу страничку в Яндекс.Дзен.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_08_04_iz_chego_sostoit_zvuk Sun, 04 Aug 2019 18:30:38 +0300
<![CDATA[Австралийские ученые воссоздали на квантовом холсте миниатюрную копию «Моны Лизы»]]>

Ученые из Квинслендского университета воспроизвели «Мону Лизу», «Звездную ночь» Ван Гога, а также десяток на квантовом холсте, шириной не больше человеческого волоса. Изображения проецировались и фотографировались на капле газообразного квантового вещества, известного как конденсат Бозе-Эйнштейна, сообщается в пресс-релизе Квинслендского университета. По словам доктора Тайлера Нили из Центра передовых технологий ARC для инженерных квантовых систем из UQ, изначально «квантовые реплики» были интересным побочным проектом наряду с более серьезными исследованиями.

«Мы никогда не стремились сделать это. Наша задача состоялся в том, чтобы лучше понять нерешенные загадки о том, как текут жидкости. Мы надеялись получить новое понимание того, как наш повседневный мир возникает из микроскопического квантового мира, помогая нам создавать новые квантово-усовершенствованные технологии. Но пока мы занимались этим, нам просто удалось создать некоторые из самых маленьких шедевров в мире», — прокомментировал Нили.

Для создания миниатюрных копий художественных шедевров, а также других изображений, доктор Нили и его команда охладили газ, состоящий из атомов рубидия, до нескольких миллиардных долей градуса Цельсия выше абсолютного нуля, что при -273,15 градуса Цельсия является самой холодной из возможных температур.

«Газ не замерзает, так как он слишком разбавлен и ведет себя как капля газообразного квантового вещества. Затем мы поместили изображение на проектор, освещаемый лазером, но вместо того, чтобы проецировать его как большое, мы отправили его назад через микроскоп, чтобы сделать изображение крошечным. Этот свет «отпечатал» изображение на участке шириной около 100 микрон — более или менее ширины человеческого волоса, которая может варьироваться от 17 до 181 микрона. После этого, мы взяли получившееся изображение, которое оказалось только черно-белым, сделали цветные снимки, создав красное, синее и зеленое изображение, а затем объединили их на компьютере.», — объясняет Нили.

В результате получилось изображение, едва различимое для человеческого глаза. Размер каждого пикселя в нем составляет всего около 50 атомов.

«Одним из первых изображений, которые мы создали, была картина Ван Гога «Звездная ночь». Однако вскоре после этого мы воссоздали и другие шедевры художественного искусства, а также знаменитые фотографии, включая фото нас самих».

Исследователи считают, что эти начальные изображения являются впечатляющей демонстрацией квантовой материи как совершенно нового материала для производства искусства и даже намекают на создание нового направления в культуре – «научный арт».

«Мы собираемся сотрудничать с художниками, которые помогут нам понять, как реализовать творческое видение этой технологии», — добавляет Нили.

Обсудить новость можно в нашем Telegram-чате.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_05_18_avstraliyskie_uchenie_vossozdali_na_kvant Sat, 18 May 2019 13:00:39 +0300
<![CDATA[Где находится эпицентр Большого взрыва (БВ) и точка начала всех координат в метагалактике?]]> Метод Хаббла основан на том, что вещество метагалактики равномерно ускоряется под действием других гипермасс и поэтому скорость разлёта пропорциональна расстоянию от нас. Что является сильным упрощением.

Во первых, в самом диске метагалактики имеются супермассы, которые тянут ближнее к ним вещество и назад, и вбок, и вперёд относительно эпицентра БВ. Да и сама гипермасса, восстановившаяся в эпицентре БВ может тянуть ближайшее к ней вещество диска метагалактики и тормозить его разлёт.

Кроме того, если часть ближайшего к гипермассе вещества диска не только уменьшило скорость разлёта от эпицентра, но и начала обратно падать на гипермассу, при этом закручиваясь в спиральные структуры, то это внесёт дополнительное искажение в метод определения расстояния по красному смещению.

Ну и учтём не учитываемое методом Хаббла векторы разлёта вещества метагалактики относительно эпицентра БВ.

Ввиду того, что метод Хаббла даёт искажённое представление о расстояниях, то когда астрономы составят объёмную карту метагалактики, мы увидим не сектор доступной нашему наблюдению сферы, на остром конце которого и будет эпицентр БВ, а нечто вроде куриного яйца. Острый конец которого будет оканчиваться супервойдом в центре которого и будет эпицентр БВ.

И если мы обнаружим, что линия максимальной длинны красного-инфракрасного смещения пересекает супервойд, то примерно в центре этого супервойда на пересечении с самой длинноволновой линией красного смещения и будет центр БВ. И там же будет находться сильно похудевшая материнская гипермасса. Внутри войда на пересечении с инфракрасной линией.

Его мы и наблюдаем в виде именно супервойда размером 1,8 миллиарда световых лет. Что составляет примерно 13% от приятого сегодня определения размера вселенной. Находится он на самом краю видимоц вселенной.

В направлении БВ по ту сторону от него красное смещение должно превратиться в инфракрасное.
И если мы заметим инфракрасное сияние на значительной части метагалактики, то на линии с максимальной длинной волны и будет располагаться центр Большого Взрыва.

Это и есть кандидат на эпицентр БВ. Где то в его центре и должна находиться похудевшая в результате БВ материнская гипермасса – точка отсчёта всех координат нашей метагалактики.

Мы по этой аналогии находимся где то в районе желтка яйца.

И ещё: по современным гипотезам во все стороны от нас границы вселенной находятся на примерно равном удалении. Но это означает, что методом Хаббла измеряют не полный радиус метагалактики и тем более не её диаметр, а расстояния от точки наблюдения до внешней границы метагалактики с одной стороны и до границ супервойда с другой.

Тоесть, реальный радиус метагалактики должен быть вдвое больше того, что мы измеряем по Хабблу. А диаметр по крайней мере в четверо больше.

Тоесть примерно13,5+13,5 +1,3/2=примерно 28 миллиардов световых лет. Это радиус.
Диаметр примерно 56 миллиардов световых лет.


Толщина диска метагалактики, я предполагаю в среднем процентов 10 от её реального радиуса. И это толщина изменяется в зависимости от удаления от эпицентра.
И в разрезе имеет форму следа от радиоактивного облака при ядерном взрыве:


ggg8

Это одна половинка тора метагалактики в перпендикулярном разрезе относительно плоскости метагалактики.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_04_22_gde_nahoditsya_epicentr_bolshogo_vzriva Mon, 22 Apr 2019 21:59:48 +0300
<![CDATA[Российские ученые смогли повернуть время вспять]]>

Ученые из Московского физико-технического института, вместе с коллегами из США и Швейцарии провели эксперименты, в которых успешно заставили квантовый компьютер вернуться в состояние прошлого. Краткие выводы исследования, в которых описывается возможность проявления этого эффекта, сообщает пресс-релиз, опубликованный на сайте Phys.org. Подробности исследования международной команды физиков представлены в журнале Scientific Reports.

Открытие российский ученых вряд ли приведет к созданию машины времени, с помощью которой люди смогут путешествовать в прошлое. Однако команда физиков смогла на доли секунды вернуть квантовый компьютер IBM в состояние, в котором он находился моментом ранее. И даже такой результат может иметь под собой удивительные последствия для будущего вычислительной техники, квантовой физики и вообще нашего понимания времени как такового.

«Это одна из серии работ, посвященных возможности нарушить второе начало термодинамики — закон физики, тесно связанный с различием между прошлым и будущим. Теперь мы подошли к проблеме с третьей стороны — мы искусственно создали такое состояние системы, которое само развивается в обратную с точки зрения второго начала сторону», — комментирует ведущий автор исследования Гордей Лесовик из Лаборатория физики квантовых информационных технологий.

Сперва, исследователи выяснили, может ли электрон, находящийся в пустом пространстве, спонтанно вернуться на мгновение в прошлое. Для оценки местоположения частицы в конкретный момент времени они использовали уравнение Шредингера. Расчеты опирались на то, что положение частицы будет постепенно размазываться по пространству, подчиняясь «стреле времени».

Как оказалось, электрон действительно может спонтанно оказаться в прошлом: он возвращается в состояние, в котором находился мгновения назад. Однако происходить это должно очень редко, и при этом время «перемотки» назад составит всего на 0,06 наносекунды.

Проверить нарушение второго закона термодинамики на практике в Аргоннской национальной лаборатории (Иллинойс, США) Лесовику с коллегами из других научных учреждений позволили многочисленные эксперименты со специально запрограммированной квантовой системой на базе двух и трех кубитов.

Сначала два кубита находились в основном состоянии, обозначаемом как 0, что соответствует локализованному электрону. Затем происходила эволюция состояний, а специальная программа изменяла состояние компьютера так, чтобы он мог вернуться назад во времени, как это происходит с электроном при флуктациях микроволнового фона. Иными словами, значения кубитов перематывались в прошлое.

Эксперименты показали, что квантовая система, работающая на базе двух кубитов, возвращалась в исходное состояние в 85 процентах случаев. Если же в системе использовалось три кубита, то успех возврата составлял лишь 49 процентов. Это, как предполагают исследователи, связано с ошибками в работе самого квантового компьютера, а не с какими-то другими, совершенно неожиданными и необъяснимыми причинами.

Как и в случае с квантовой телепортацией, результаты данного исследования не следует связывать с возможностью когда-нибудь создать машину, которая позволит нам перемещаться во времени. Сами исследователи считают, что их работа и ее выводы в первую очередь поможет сделать квантовые вычислительные устройства на базе кубитов более точными.

Обсудить новость можно в нашем Telegram-чате.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_03_13_novosti_visokih_tehnologiy Wed, 13 Mar 2019 21:30:53 +0300
<![CDATA[Квантовый эксперимент показал, что объективной реальности не существует]]>

Еще в 1961 году физик и нобелевский лауреат Юджин Вигнер изложил мысленный эксперимент, который продемонстрировал один из наименее известных парадоксов квантовой механики. Эксперимент показывает, как странная природа вселенной позволяет двум наблюдателям — скажем, Вигнеру и другу Вигнера — испытывать различные реальности. С тех пор физики используют мысленный эксперимент «друга Вигнера» для исследования природы измерений и споров о том, существуют ли объективные факты.

Сперва расскажем про мысленный эксперимент Вигнера:

Предположим, что два человека одновременно открывают ящик с котом Шрёдингера. Если результат (коллапса волновой функции) выбирает наблюдатель, как подразумевает идеалистическое решение, то если два наблюдателя делают разный выбор — возникает проблема. Если мы называем один из двух исходов, то выбор может делать только один из наблюдателей, и сторонники реализма справедливо считают это решение неудовлетворительным.

«В парадоксе друга Вигнера, сформулированном физиком Юджином Вигнером, происходит следующее: предположим, что вместо того чтобы самому наблюдать кошку, Вигнер просит это сделать своего друга. Его друг открывает ящик, видит кошку и затем сообщает результаты своего наблюдения Вигнеру. На этом этапе мы можем говорить, что Вигнер только что актуализировал реальность, которая включает в себя его друга и кошку. Здесь есть парадокс: была ли кошка жива или мертва, когда друг Вигнера ее наблюдал, но до того, как он сообщил результат наблюдения? Говорить, что когда друг Вигнера наблюдал кошку, ее состояние не коллапсировало, значит утверждать, что его друг пребывал в бессознательном состоянии, пока Вигнер его не спросил — что сознание его друга не могло решить, жива кошка или мертва, без побуждения со стороны Вигнера».

Парадокс стал важным, потому что ученые проводят эксперименты, чтобы установить объективные факты. Но если они сталкиваются с разными реальностями, как им договориться о том, какими могут быть эти факты? Мысленный эксперимент Вигнера никогда не был чем-то большим — просто мысленным экспериментом.

Но в прошлом году, физики заметили, что последние достижения в области квантовых технологий позволили воспроизвести тест друга Вигнера в реальном эксперименте Другими словами, появилась возможность создавать различные реальности и сравнивать их в лаборатории, дабы выяснить, можно ли их примирить.

Существует ли объективная реальность?

И сегодня Массимилиано Пройетти из Университета Хериот-Ватт в Эдинбурге и несколько его коллег заявили, что впервые провели этот эксперимент: создали разные реальности и сравнили их. И пришли к выводу, что Вигнер был прав: эти реальности могут быть непримиримыми насколько, что невозможно прийти к единому мнению об объективных фактах в эксперименте.

Изначально мысленный эксперимент Вигнера начинался с одного поляризованного фотона, который при измерении может иметь горизонтальную или вертикальную поляризацию. Но перед измерением, согласно законам квантовой механики, фотон существует в обоих состояниях поляризации одновременно — так называемая суперпозиция.

Вигнер представил себе друга в другой лаборатории, который измеряет состояние этого фотона и сохраняет результат, тогда как Вигнер наблюдает издалека. Вигнер не располагает информацией об измерениях своего друга и поэтому вынужден предположить, что фотон и его измерение находятся в суперпозиции всех возможных результатов эксперимента.

Вигнер может даже провести эксперимент, чтобы определить, существует эта суперпозиция или нет. Своего рода интерференционный эксперимент, который покажет, что фотон и измерение действительно находятся в суперпозиции.

С точки зрения Вигнера, это «факт» — суперпозиция существует. И этот факт говорит о том, что измерение не могло быть проведено.

Но его друг с этим не согласится, поскольку он измерил поляризацию фотона и записал ее. Друг может даже позвонить Вигнеру и сказать, что измерение было сделано (при условии, что результат не раскрыт).

Две реальности противоречат одна другой. «Это ставит под сомнение объективный статус фактов, установленных двумя наблюдателями», говорит Пройетти.

Такова теория, но в прошлом году Каслав Брукнер из Венского университета в Австраии придумал способ воссоздать «вигнеровского друга» в лаборатории с помощью методов, включающих запутывание множества частиц одновременно.

Прорыв Пройетти же состоял в том, что они проделали это на самом деле. Они реализовали расширенный сценарий «друга Вигнера» в современном эксперименте с шестью фотонами.

Шесть фотонов были запутаны, чтобы создать две альтернативные реальности — одну, представляющую Вигнера, а вторую — Вигнеровского друга. Друга Вигнера измеряет поляризацию фотона и сохраняет результат. Затем Вигнер выполняет измерение интерференции, чтобы понять, находятся ли измерение и фотон в суперпозиции.

Эксперимент дал неоднозначный результат. Оказывает, обе реальности могут сосуществовать, даже если они дают непримиримые результаты, как и предсказывал Вигнер. Это поднимает ряд интересных вопросов, побуждающих физиков пересмотреть природу реальности.

Идея того, что наблюдатели могут в конечном итоге согласовать свои измерения в какой-нибудь фундаментальной реальности, основана на нескольких предположениях. Во-первых, универсальные факты действительно существуют и наблюдатели могут о них договориться.

Но есть и другие предположения. Одно из них заключается в том, что наблюдатели вольны делать любые наблюдения, какие захотят. И еще одно: выбор, который делает один наблюдатель, не влияет на выбор других наблюдателей. Это предположение физики называют локальностью.

Если существует объективная реальность, с которой все могут согласиться, все эти допущения будут верными.

Но результат Пройетти и его коллег предполагает, что объективной реальности не существует. Другими словами, эксперимент предполагает, что одно или больше допущений — о том, что существует реальность, с которой мы согласимся; что есть свобода выбора; или о локальности — должно быть неверным.

Конечно, есть и другой вариант. Вариант того, что существует лазейка, которую экспериментаторы пропустили. В действительности, физики пытались закрыть лазейки в подобных экспериментах много лет, однако они признают, что, возможно, никогда не смогут закрыть их все.

Тем не менее, работа имеет важные последствия для науки. Следующий шаг — пойти дальше: создать эксперименты, создающие все более причудливые альтернативные реальности, которые невозможно примирить. Куда это приведет нас, никто не знает.

Вы согласны с тем, что объективной реальности не существует? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_03_13_kvantoviy_eksperiment_pokazal_chto_obek Wed, 13 Mar 2019 20:30:59 +0300
<![CDATA[Квантовые компьютеры. Почему их еще нет, хотя они уже есть?]]>

Пятьдесят лет назад смартфоны показались бы совершенно волшебными компьютерами. Точно так же, как классические компьютеры были почти невообразимы для предыдущих поколений, сегодня мы сталкиваемся с рождением совершенно нового типа вычислений: чего-то настолько мистического, что его можно назвать волшебным. Это квантовые компьютеры. Если слово «квантовый»  вам незнакомо, вы не одиноки. Этот очень холодный, маленький, чувствительный и очень странный мир может показаться сомнительной системой, на которой предлагается построить коммерческую вычислительную машину, но это именно то, над чем работают IBM, Google, Rigetti Computing и другие компании.

В январе на CES в рамках инициативы IBM Q показали System One (см. выше): ослепительную, изящную и похожую на люстру машину, которая стала первой интегрированной универсальной системой квантовых вычислений для коммерческого использования, с которой мог поиграть каждый.

О потенциале квантовых компьютерах слышал, наверное, каждый: свойства квантовой физики открывают массивно параллельные схемы вычислений, которые, вероятно, обеспечат огромные скачки вычислительной мощности и опередят любые транзисторные суперкомпьютеры, с которыми мы можем столкнуться — сегодня и завтра. Они произведут революцию в области химии, фармацевтики, материаловедения и машинного обучения.

Но что именно делает квантовые компьютеры такими мощными? Давайте разбираться.

Что такое кубиты?

Для начала вспомним, как работают квантовые компьютеры.

Секрет их мастерства в том, что они манипулируют кубитами. Все, что обрабатывает классический компьютер — текст, изображения, видео и так далее — состоит из длинных строк нулей и единиц, или битов. По своей сути бит представляет одно состояние из двух: вкл/выкл, либо подключена электрическая цепь, либо нет. В современных компьютерах бит обычно представлен электрическим напряжением или импульсом тока.

Квантовые компьютеры, напротив, полагаются на кубиты. Как и двоичные биты, кубиты лежат в основе вычислений, с одним большим отличием: кубиты, как правило, являются сверхпроводниками электронов или других субатомных частицами. Неудивительно, что манипуляции кубитами представляют сложную научную и инженерную задачу. IBM, например, использует несколько слоев сверхпроводящих цепей, которые находятся в контролируемой среде и постепенно охлаждаются до температур, которые ниже, чем глубокий космос — около абсолютного нуля.

Поскольку кубиты обитают в квантовой реальности, у них есть удивительные квантовые свойства.

Суперпозиция, запутанность и интерференция

Если бит представить как монету с орлом (0) или решкой (1), кубиты будут представлены вращающейся монетой: в некотором смысле, они одновременно и орлы, и решки, причем каждое состояние имеет определенную вероятность. Ученые используют калиброванные микроволновые импульсы, чтобы помещать кубиты в суперпозицию; точно так же другие частоты и длительность этих импульсов может переворачивать кубит так, чтобы он находился немного в другом состоянии (но все еще в суперпозиции).

Из-за суперпозиции отдельный кубит может представлять гораздо больше информации, чем двоичный бит. Отчасти это происходит из-за того, что при начальном вводе кубиты могут перебирать методом грубой силы огромное число возможных результатов одновременно. Окончательный ответ появляется лишь когда ученые измеряют кубиты — так же, используя микроволновые сигналы — что заставляет их «коллапсировать» в двоичное состояние. Зачастую ученым приходится производить расчеты несколько раз, чтобы проверить ответ.

Запутанность — еще более потрясающая штука. Применение микроволновых импульсов на пару кубитов может запутать их так, что они всегда будут существовать в одном квантовом состоянии. Это позволяет ученым манипулировать парами запутанных кубитов, просто изменяя состояние одного из них, даже если они физически разделены большим расстоянием, отсюда и «жуткое действие на расстоянии». Из-за предсказуемой природы запутанности, добавление кубитов экспоненциально увеличивает вычислительную мощность квантового компьютера.

Интерференция — последнее из свойств, которые реализуют квантовые алгоритмы. Представьте себе катящиеся волны: иногда они подгоняют друг друга (действуют конструктивно), иногда гасят (деструктивно). Использование интерференции позволяет ученым контролировать состояния, усиливая тип сигналов, приводящих к правильному ответу, и отменяя те, которые выдают неверные ответы.

Как программируются квантовые компьютеры?

Основная цель состоит в том, чтобы закодировать части задачи в сложное квантовое состояние, используя кубиты, и затем манипулировать этим состоянием, чтобы привести его к некоему решению, которое можно будет измерить после коллапса суперпозиций в детерминированные последовательности нулей (0) и единиц (1).

Непонятно? Перечитайте еще раз.

Звучит сложно, но поскольку все термины мы уже разобрали, понять можно.

Как и в случае с классическим программированием, ученые разрабатывают языки ассемблера низкого уровня, которые машина понимает лучше, чтобы перейти от них к языкам высокого уровня и графическим интерфейсам, более подходящим для человеческого разума. IBM Qiskit, например, позволяет экспериментаторам создавать задачи и перетаскивать логические элементы.

Демон декогеренции

Почему же квантовые компьютеры еще не продаются на каждом углу? В некотором смысле, ученые пытаются построить совершенные машины из несовершенных частей. Квантовые компьютеры чрезвычайно чувствительны к возмущениям, шуму и другим воздействиям окружающей среды, которые заставляют их квантовое состояние колебаться и исчезать. Этот эффект называется декогеренцией.

Для некоторых экспертов декогеренция — это проблема, сдерживающая квантовые вычисления. Даже при всех соблюденных мерах шум может просочиться в расчеты. Ученые могут хранить квантовую информацию до тех пор, пока она не потеряет свою целостность под влиянием декогеренции, что ограничивает число вычислений, которые можно производить подряд.

Деликатная природа квантовых вычислений также является причиной того, что слепое добавление кубитов в систему не обязательно сделает ее мощнее. Отказоустойчивость тщательно исследуется в области квантовых вычислений: по логике, добавление кубитов может компенсировать некоторые проблемы, но для создания единого, надежного кубита для переноса данных потребутся миллионы корректирующих ошибки кубитов. А у нас их сегодня не больше 128. Возможно помогут умные алгоритмы, которые также разрабатываются.

Имитация квантового с помощью квантовых компьютеров

Поскольку большие данные сейчас горячая тема, можно было бы ожидать, что квантовые компьютеры будут лучше обрабатывать крупные наборы данных, чем классические. Но это не так.

Вместо этого, квантовые компьютеры будут особенно хороши в моделировании природы. Например, квантовые вычисления можно было бы использовать для более эффективного построения молекул лекарств, потому что они в основном работают на той же основе, что и молекулы, которые они пытаются смоделировать. Вычисление квантового состояния молекулы — невероятно сложная задача, которая почти непосильна нашим компьютерам, но квантовые компьютеры справятся с ней на ура.

Точно так же квантовые вычисления могут перевернуть область материаловедения или передачи информации. Благодаря запутанности, кубиты, физические разделенные большим расстоянием, могут создать канал для передачи информации, который с научной точки зрения будет безопаснее наших существующих каналов. Квантовый интернет вполне осуществим.

Но самое интересное вот что: мы даже не знаем всего разнообразия удивительных вопросов, которые могут попытаться решить квантовые компьютеры. Просто имея коммерческий квантовый компьютер и позволяя людям с ним работать, мы могли бы наметить новые интересные области, подходящие для этой потрясающей новой технологии.

А какие задачи попытались бы решить на квантовом компьютере вы? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_03_09_kvantovie_kompyuteri_pochemu_ih_eshe_net Sat, 09 Mar 2019 19:00:45 +0300
<![CDATA[Ответы на величайшие задачи науки: насколько далеко мы зашли?]]>

О природе самой Вселенной многое неизвестно. Именно любопытство, присущее людям, ведущее к поиску ответов на эти вопросы, и движет науку вперед. Мы уже накопили невероятное количество знаний, и успехи двух наших ведущих теорий — квантовой теории поля, описывающей Стандартную модель, и общей теории относительности, описывающей гравитацию — демонстрируют, насколько далеко мы продвинулись в понимании самой реальности.

Многие люди пессимистично относятся к нашим нынешним попыткам и будущим планам по разгадыванию великих космических загадок, которые ставят нас в тупик сегодня. Наши лучшие гипотезы для новой физики, включающие суперсимметрию, дополнительные измерения, техниколор, теорию струн и другие, не смогли получить никакого экспериментального подтверждения до сих пор. Но это не значит, что физика в кризисе. Это значит, что все ровно так, как и должно быть: физика говорит правду о Вселенной. Наши дальнейшие шаги покажут нам, насколько мы хорошо слушали.

Величайшие загадки Вселенной

Столетие назад самые большие вопросы, которые мы могли задать, включали и крайне важные экзистенциальные загадки, такие как:

  • Каковы самые маленькие составляющие материи?
  • Являются ли наши теории сил природы действительно фундаментальными или же необходимо получить более глубокое понимание?
  • Насколько велика Вселенная?
  • Наша Вселенная существовала всегда или появилась в определенный момент в прошлом?
  • Как светят звезды?

На тот момент эти загадки занимали умы величайших людей. Многие даже не думали, что на них можно будет найти ответы. В частности, они требовали вложения настолько, казалось бы, огромных ресурсов, что предлагалось просто довольствоваться тем, что мы знали в то время, и использовать эти знания для развития общества.

Конечно, мы так не поступили. Инвестировать в общество чрезвычайно важно, но так же важно расширять границы известного. Благодаря новым открытиям и методам исследования, мы смогли получить следующие ответы:

  • Атомы состоят из субатомных частиц, многие из которых делятся на еще более мелкие составляющие; теперь мы знаем всю Стандартную модель.
  • Наши классические теории заменились квантовыми, объединяющими четыре фундаментальные силы: сильное ядерное, электромагнитное, слабое ядерное и гравитационное взаимодействие.
  • Наблюдаемая Вселенная простирается на 46,1 миллиарда световых лет во всех направлениях; наблюдаемая Вселенная может быть гораздо больше, либо бесконечной.
  • Прошло 13,8 миллиарда лет после события, известного как Большой Взрыв, которое дало жизнь известной нам Вселенной. Ему предшествовала инфляционная эпоха неопределенной продолжительности.
  • Звезды светят благодаря физике ядерного синтеза, превращая вещество в энергию по формуле Эйнштейна E = mc2.

И все же, это только углубило научные тайны, которые нас окружают. Обладая всем, что мы знаем о фундаментальных частицах, мы уверены, что во Вселенной должно быть много чего другого, пока неизвестного нам. Мы не можем объяснить очевидное присутствие темной материи, не понимаем темную энергию и не знаем, почему Вселенная расширяется именно так, а не иначе.

Мы не знаем, почему частицы обладают такой массой, какой обладают; почему Вселенную переполняет материя, а не антиматерия; почему нейтрино обладают массой. Мы не знаем, является ли протон стабильным, распадется ли он когда-нибудь и представляет ли гравитация собой квантовую силу природы. И хотя мы знаем, что Большому Взрыву предшествовала инфляция, мы не знаем, было ли начало у самой инфляции или она была вечной.

Могут ли люди разрешить эти загадки? Могут ли эксперименты, которые мы можем провести с использованием современных или будущих технологий, пролить свет на эти фундаментальные загадки?

Ответ на первый вопрос — возможно; мы не знаем, какие секреты хранит природа, пока не посмотрим. Ответ на второй вопрос — однозначно «да». Даже если каждая теория, которую мы когда-либо приводили на тему того, что находится за пределами границ известного — Стандартная модель и ОТО — на 100% ошибочны, есть огромное количество информации, которую можно получить, выполняя эксперименты, которые мы планируем запустить в следующем поколении. Не строить все эти установки было бы огромной глупостью, даже если подтвердят кошмарный сценарий, которого физики элементарных частиц боялись много лет.

Когда вы слышите об ускорителе частиц, вы, вероятно, представляете все эти новые открытия, которые ожидают нас при более высоких энергиях. Обещание новых частиц, новых сил, новых взаимодействий или даже совершенно новых секторов физики — это то, чем любят погрезить теоретики, даже если эксперимент за экспериментом плошают и не выполняют эти обещания.

Тому есть веская причина: большинство идей, которые можно придумать в физике, уже были либо исключены, либо сильно ограничены данными, которые у нас уже имеются. Если вы хотите открыть новую частицу, поле, взаимодействие или явление, вам не стоит постулировать что-то, что несовместимо с тем, что мы уже знаем наверняка. Конечно, мы могли сделать допущения, которые позже окажутся неверными, но сами данные должны быть в соглашении с любой новой теорией.

Вот почему наибольшие усилия в физике идут не на новые теории или новые идеи, а на эксперименты, которые позволят нам покинуть пределы того, что мы уже исследовали. Конечно, обнаружение бозона Хиггса может привести к шумихе, но как сильно Хиггс связан с Z-бозоном? Каковы все эти связи между этими двумя частицами и другими в Стандартной модели? Насколько легко их создать? А после создания, будут ли взаимные распады, которые будут отличаться от распада стандартного Хиггса плюс стандартного Z-бозона?

Есть методика, которую можно использовать для исследования этого: создать электрон-позитронное столкновение с точной массой Хиггса и Z-бозона. Вместо нескольких десятков или сотен событий, которые создают хиггсовский и Z-бозон, как это делает БАК, вы сможете создать тысячи, сотни тысяч или даже миллионы таких.

Конечно, широкую общественность больше взволнует обнаружение новой частицы, чем что-либо еще, но не каждый эксперимент предназначен для создания новых частиц — да это и не нужно. Некоторые предназначены для того, чтобы исследовать уже известную нам материю и подробно изучать ее свойства. Большой электрон-позитронный коллайдер, предшественник БАК, так и не нашел ни одной новой фундаментальной частицы. Как и эксперимент DESY, который сталкивал электроны с протонами. И релятивистский коллайдер тяжелых ионов тоже.

И этого следовало ожидать; цель у этих трех коллайдеров была иная. Она заключалась в том, чтобы исследовать материю, которая действительно существует, с невиданной ранее точностью.

Не похоже, что эти эксперименты просто подтвердили Стандартную модель, хотя всё, что они нашли, соответствовало только Стандартной модели. Они создали новые составные частицы и измерили связи между ними. Были обнаружены отношения распада и разветвления, а также тонкие различия между веществом и антивеществом. Некоторые частицы вели себя не так, как их зеркальные собратья. Другие вроде как нарушали симметрию обращения времени. Тем не менее, было обнаружено, что другие смешиваются вместе, создавая связанные состояния, о которых мы даже не подозревали.

Цель следующего великого научного эксперимента не в том, чтобы просто искать что-то одно или проверить одну новую теорию. Нужно собрать огромный набор недоступных в других отношениях данных, и позволить этим данным направить развитие отрасли.

Конечно, мы можем проектировать и строить эксперименты или обсерватории, ориентируясь на то, что мы ожидаем найти. Но лучшим выбором для будущего науки будет многоцелевая машина, которая сможет собирать большие и разнообразные объемы данных, которые было бы невозможно собрать без таких огромных инвестиций. Вот почему Хаббл был настолько успешным, почему Fermilab и БАК раздвинули границы дальше, чем прежде, и почему будущие миссии вроде космического телескопа Джеймса Вебба, будущие обсерватории 30-метрового класса или будущие коллайдеры понадобятся нам, если мы хотим когда-нибудь ответить на самые фундаментальные вопросы из всех.

В бизнесе есть старая поговорка, которая так же применима и к науке: «Быстрее. Лучше. Дешевле. Выберите два». Мир движется быстрее, чем когда-либо прежде. Если мы начнем экономить и не будем инвестировать в «лучшее», это будет равносильно тому, чтобы сдаться.

Согласны? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2019_02_21_otveti_na_velichayshie_zadachi_nauki_nasko Thu, 21 Feb 2019 20:30:12 +0300
<![CDATA[Квантовую нелокальность доказали на макроскопических телах]]> http://so-l.ru/news/y/2018_12_01_kvantovuyu_nelokalnost_dokazali_na_makr Sat, 01 Dec 2018 11:02:00 +0300 <![CDATA[Ученые определили способ контроля над отдельной молекулой]]>

Ученые обнаружили способ манипуляции отдельными молекулами на протяжении миллионной миллиардной секунды. Это открывает возможности для контроля над материей на совершенно новом уровне.

Ученые добились таких невероятных результатов при помощи сканирующего тоннельного микроскопа (СТМ) и набора результатов стандартного эксперимента, которые не имели смысла: увеличение электрического тока не приводило к ускоренной реакции, как обычно происходит в ходе аналогичных лабораторных испытаний.

Исследователи из Батского университета копнули глубже — и обнаружили, что наткнулись на способ контроля над отдельными молекулами посредством приближения кончика СТМ к изучаемой молекуле. Это может дать новые возможности для наномасштабных экспериментов и открытий. Результаты их исследования опубликованы в журнале Science.

«Наша работа предлагает новый путь к контролю над отдельными молекулами и их реакцией, — рассказывает физик Питер Слоун. — По сути, у нас есть новый набор, который мы можем установить в ходе нашего эксперимента. Экстремальная природа работы на таких масштабах осложняет весь процесс, но у нас есть высочайшее разрешение и воспроизводимость благодаря этой технике».

Обычно СТМ используют для создания очень точных двухмерных или трехмерных изображений поверхности на атомном уровне путем ее сканирования кончиком электрического зонда. В экспериментах, проведенных в Батском университете, отдельные электроны сталкивались с молекулой и реагировали на нее через очень слабый ток. Интересно, что необычные результаты, полученные в ходе одного из этих экспериментов, заметила член команды, физик Кристина Русимова, которая изучала результаты работы в свой выходной день.

«Это были данные довольно стандартного эксперимента. Мы его проводили, так как думали, что больше ничего интересного не осталось — это была просто финальная проверка, — рассказывает Русимова. — Но мои данные выглядели неправильно: все графики должны были подниматься, а они опускались».

Аномалии в итоге привели к открытию: при удержании кончика зонда на расстоянии 600-800 триллионных метра от молекулы электрон отделялся после столкновения в 100 раз быстрее. Это означало, что отдельные молекулы толуола можно контролируемым способом поднять с кремниевой поверхности.

Исследователи считают, что между кончиком микроскопа и молекулой создается новое наномасштабное квантовое состояние: появляется новый канал, по которому электрон может путешествовать быстрее, чем по молекуле, и который уменьшает вероятность возникновения реакции. Из этого также следует, что ученые могут сделать эксперимент активным, то есть у них есть возможность контролировать реакции и основывать на них новые работы.

Еще предстоит выяснить, что покажут новые эксперименты и какими будут новые открытия, но это определенно новый и волнующий шаг для физиков. Мы еще многого не знаем о наномасштабной физике, так что ученым пригодятся любые новые инструменты и методы, при помощи которых они смогут манипулировать изучаемыми объектами.

Источник: naked-science.ru

Подписывайтесь на канал «Хвилі» в Telegram, страницу «Хвилі» в Facebook.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_09_11_uchenie_opredelili_sposob_kontrolya_nad_ot Tue, 11 Sep 2018 19:03:28 +0300
<![CDATA[Насколько сложно покорить квантовую природу вещества?]]>

Мэтт Трушейм включает рубильник в темной лаборатории, и мощный зеленый лазер подсвечивает крошечный алмаз, удерживаемый на месте под объективом микроскопа. На экране компьютера появляется изображение, диффузное газовое облако, усеянное яркими зелеными точками. Эти светящиеся точки — крошечные дефекты внутри алмаза, в которых два атома углерода заменены одним атомом олова. Свет лазера, проходя через них, переходит из одного оттенка зеленого в другой.

Позже этот алмаз будет охлажден до температуры жидкого гелия. Контролируя кристаллическую структуру алмаза атом за атомом, доводя его до нескольких градусов выше абсолютного нуля и применяя магнитное поле, исследователи из Лаборатории квантовой фотоники под руководством физика Дирка Энглунда в Массачусетском технологическом институте думают, что могут с такой точностью выбрать квантово-механические свойства фотонов и электронов, что им удастся передать невзламываемые секретные коды.

Трушейм — один из множества ученых, которые пытаются выяснить, какие атомы, заключенные в кристаллах, при каких условиях позволят им получить контроль такого уровня. По сути, ученые по всему миру пытаются научиться управлять природой на уровне атомов и ниже, до электронов или даже доли электрона. Их цель — найти узлы, которые контролируют фундаментальные свойства вещества и энергии, и затянуть или распутать эти узлы, изменив вещество и энергию, создать сверхмощные квантовые компьютеры или сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.

Эти ученые сталкиваются с двумя основными проблемами. На техническом уровне проводить такие работы очень сложно. Некоторые кристаллы, например, должны быть на 99,99999999% чистыми в вакуумных камерах чище космоса. Еще более фундаментальная задача в том, что квантовые эффекты, которые хотят обуздать ученые, — например, способность частицы находиться в двух состояниях одновременно, подобно коту Шрёдингера — проявляются на уровне отдельных электронов. В макромире эта магия рушится. Следовательно, ученым приходится манипулировать веществом в мельчайших масштабах, и они ограничены пределами фундаментальной физики. От их успеха зависит, как изменится наше понимание науки и технологических возможностей в грядущие десятилетия.

Мечта алхимика

Манипулирование веществом, до определенной степени, состоит в управлении электронами. В конце концов, поведение электронов в веществе определяет его свойства в целом — будет это вещество металлом, проводником, магнитом или чем-нибудь еще. Некоторые ученые пытаются изменить коллективное поведение электронов, создав квантовое синтетическое вещество. Ученые видят, как «мы берем изолятор и превращаем его в металл или полупроводник, а затем в сверхпроводник. Мы можем превратить немагнитный материал в магнитный», говорит физик Ева Андрей из Университета Рутгерса. «Это исполнение мечты алхимика».

И эта мечта может привести к настоящим прорывам. К примеру, ученые на протяжении десятилетий пытались создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. С помощью этих материалов можно было бы создавать линии электропередач, не теряющие энергию. В 1957 году физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер продемонстрировали, что сверхпроводимость появляется, когда свободные электроны в металле вроде алюминия выравниваются в так называемые пары Купера. Даже находясь относительно далеко, каждый электрон соответствовал другому, обладающему противоположным спином и импульсом. Словно пары, танцующие в толпе на дискотеке, спаренные электроны двигаются в координации с другими, даже если другие электроны проходят между ними.

Это выравнивание позволяет току течь через материал, не встречая сопротивления, а значит, и без потерь. Самые практичные сверхпроводники, разработанные к нынешнему моменту, должны быть при температуре чуть выше абсолютного нуля, чтобы это состояние сохранялось. Впрочем, исключения могут быть.

В последнее время исследователи обнаружили, что обстреливание материала высокоинтенсивным лазером также может сбивать электроны в куперовские пары, пусть и ненадолго. Андреа Каваллери из Института строения и динамики материи Макса Планка в Гамбурге, Германия, и его коллеги обнаружили признаки фотоиндуцированной сверхпроводимости в металлах и изоляторах. Свет, поражая материал, заставляет атомы вибрировать, и электроны ненадолго входят в состояние сверхпроводимости. «Встряска должна быть ожесточенной», говорит Дэвид Эси, физик конденсированных веществ в Калифорнийском технологическом институте, который использует такую же лазерную технику для проявления необычных квантовых эффектов в других материалах. «На мгновение электрическое поле становится очень сильным — но только на короткое время».

Невзламываемые коды

Управление электронами — вот как Трушейм и Энглунд намереваются разработать невзламываемое квантовое шифрование. В их случае цель не в том, чтобы менять свойства материалов, но передавать квантовые свойства электронов в дизайнерских алмазах фотонам, которые передают криптографические ключи. В цветовых центрах алмазах в лаборатории Энглунда расположены свободные электроны, спины которых можно измерить при помощи сильного магнитного поля. Спин, который выравнивается с полем, можно назвать спином 1, спин, который не выравнивается, — спином 2, что будет эквивалентно 1 и 0 в цифровом бите. «Это квантовая частица, поэтому она может быть в обоих состояниях одновременно», говорит Энглунд. Квантовый бит, или кубит, способен производить множество вычислений одновременно.

Именно здесь рождается загадочное свойство — квантовая запутанность. Представьте себе коробку, содержащую красный и синий шарики. Вы можете взять один не глядя и сунуть в карман, а затем уехать в другой город. Затем вынуть шарик из кармана и обнаружить, что он красный. Вы сразу поймете, что в коробке остался синий шарик. Это запутанность. В квантовом мире этот эффект позволяет передавать информацию мгновенно и на большие расстояния.

Цветные центры в алмазе в лаборатории Энглунда передают квантовые состояния электронов, заключенных в них, фотонам при помощи запутанности, создавая «летающие кубиты», как их называет Энглунд. В обычных оптических коммуникациях фотон можно передать получателю — в данном случае другой вакантной пустоте в алмазе — и его квантовое состояние будет передано новому электрону, поэтому два электрона будут связаны. Передача таких запутанных битов позволит двум людям разделить криптографический ключ. «У каждого есть строка нулей и единиц, или верхних и нижних спинов, которые кажутся совершенно случайными, но они идентичны», говорит Энглунд. Используя этот ключ для шифрования передаваемых данных, можно сделать их абсолютно защищенными. Если кто-то захочет перехватить передачу, отправитель будет об этом знать, поскольку акт измерения квантового состояния изменит ее.

Энглунд экспериментирует с квантовой сетью, которая посылает фотоны по оптоволокну через его лабораторию, объект ниже по дороге в Гарвардском университете и другую лабораторию Массачусетского технологического института в соседнем городе Лексингтон. Ученые уже преуспели в передаче квантово-криптографических ключей на большие расстояния — в 2017 году китайские ученые сообщили, что передали такой ключ со спутника на орбите Земли на две наземные станции в 1200 километрах друг от друга на горах Тибета. Но битрейт китайского эксперимента был слишком низким для практических коммуникаций: ученые зафиксировали только одну запутанную пару из шести миллионов. Инновация, которая сделает криптографические квантовые сети на земле практичными, — это квантовые повторители, устройства, размещенные с интервалами в сети, которые усиливают сигнал, не меняя его квантовых свойств. Цель Энглунда — найти материалы с подходящими атомными дефектами, чтобы из них можно было создать эти квантовые повторители.

Трюк в том, чтобы создать достаточно запутанных фотонов для переноса данных. Электрон в азотозамещенной вакансии поддерживает свой спин достаточно долго — около секунды — что увеличивает шансы на то, что свет лазера пройдет через него и произведет запутанный фотон. Но атом азота маленький и не заполняет пространство, созданное отсутствием углерода. Поэтому последовательные фотоны могут быть слегка разных цветов, а значит, и потеряют соответствие. Другие атомы, олово, например, прилегают плотно и создают стабильную длину волны. Но они не смогут удерживать спин достаточно долго — следовательно, ведется работа по поиску идеального равновесия.

Рассеченные концы

Пока Энглунд и другие пытаются совладать с отдельными электронами, другие ныряют еще глубже в квантовый мир и пытаются манипулировать уже долями электронов. Эта работа уходит корнями в эксперимент 1982 года, когда ученые из Лаборатории Белла и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора сделали сэндвич из двух слоев разных полупроводниковых кристаллов, охладили их почти до абсолютного нуля и применили к ним сильное магнитное поле, заточив электроны в плоскости между двумя слоями кристаллов. Так сформировался своего рода квантовый бульон, в котором движение любого отдельного электрона определялось зарядами, которые он ощущал от других электронов. «Это уже не отдельные частицы сами по себе», говорит Майкл Манфра из Университета Пердью. «Вообразите себе балет, в котором каждый танцор не только делает собственные па, но и реагирует на движение партнера или других танцоров. Это в некотором роде общий ответ».

Странно во всем этом то, что у такой коллекции могут быть дробные заряды. Электрон — это неделимая единица, ее не разрежешь на три части, но группа электронов в нужном состоянии может произвести так называемую квазичастицу с 1/3 заряда. «Будто электроны делятся на части», говорит Мохаммед Хафези, физик из Joint Quantum Institute. «Это очень странно». Хафези создал этот эффект в сверххолодном графене, одноатомном слое углерода, и недавно показал, что может манипулировать движением квазичастиц, подсвечивая графен лазером. «Теперь это контролируется», говорит он. «Внешними узелками, такими как магнитным полем и светом, можно управлять, подтягивать или распускать. Меняется природа коллективных изменений».

Манипуляции с квазичастицами позволяют создать особый тип кубита — топологический кубит. Топология — это область математики, изучающая свойства объекта, которые не меняются, даже если этот объект скручивается или деформируется. Стандартный пример — пончик: если бы он был идеально эластичным, его можно было бы переформировать в кофейную чашку, ничего особо не меняя; дырка в пончике будет играть новую роль в отверстии в ручке чашки. Однако, чтобы превратить пончик в крендель, придется добавить ему новых дыр, меняя его топологию.

Топологический кубит сохраняет свои свойства даже при изменяющихся условиях. Обычно частицы меняют свои квантовые состояния, или «декогерируют», когда нарушается что-то в их окружении, вроде небольших вибраций, вызванных теплом. Но если вы сделаете кубит из двух квазичастиц, разделенных некоторым расстоянием, скажем, на противоположных концах нанопроволоки, вы по сути расщепите электрон. Обе «половинки» должны будут испытать одно и то же нарушение, чтобы декогерировать, а такое маловероятно, что произойдет.

Это свойство делает топологические кубиты привлекательными для квантовых компьютеров. Из-за способности кубита быть в суперпозиции множества состояний одновременно, квантовые компьютеры должны быть способными производить практически невозможные без них вычисления, например, моделировать Большой Взрыв. Манфра, по сути, пытается создать квантовые компьютеры из топологических кубитов в Microsoft. Но есть и более простые подходы. Google и IBM, по сути, пытаются создать квантовые компьютеры на основе переохлажденных проводов, которые становятся полупроводниками, или ионизированных атомов в вакуумной камере, удерживаемых лазерами. Проблема таких подходов в том, что они в большей степени чувствительны к изменениям окружающей среды, чем топологические кубиты, особенно если число кубитов растет.

Таким образом, топологические кубиты могут привести к революции в нашей способности манипулировать крошечными вещами. Однако есть одна существенная проблема: их пока не существует. Исследователи изо всех сил пытаются создать их из так называемых майорановских частиц. Предложенная Этторе Майораной в 1937 году, эта частица является сама себе античастицей. Электрон и его античастица, позитрон, имеют идентичные свойства, кроме заряда, но заряд майорановской частицы будет равен нулю.

Ученые полагают, что определенные конфигурации электронов и дырок (отсутствие электронов) могут вести себя как майорановские частицы. Их, в свою очередь, можно использовать в качестве топологических кубитов. В 2012 году физик Лео Коувенховен из Технологического университета Делфта в Нидерландах и его коллеги измерили то, что показалось им майорановскими частицами в сети сверхпроводниковых и полупроводниковых нанопроводов. Но единственным способом доказать существовать этих квазичастиц будет создание топологического кубита на их основе.

Другие эксперты в этой области настроены более оптимистично. «Думаю, что без каких-либо вопросов кто-то однажды создаст топологический кубит, просто ради интереса», говорит Стив Саймон, теоретик конденсированных веществ в Оксфордском университете. «Вопрос лишь в том, сможем ли мы сделать из них квантовый компьютер будущего».

Квантовые компьютеры — равно как и высокотемпературные сверхпроводники и невзламываемое квантовое шифрование — могут появиться через много лет или не появиться никогда. Но в то же время ученые пытаются расшифровать загадки природы в мельчайших масштабах. Пока никто не знает, насколько далеко удастся зайти. Чем глубже мы проникаем в мельчайшие составляющие нашей Вселенной, тем сильнее они нас выталкивают.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_06_14_naskolko_slozhno_pokorit_kvantovuyu_prir Thu, 14 Jun 2018 18:00:15 +0300
<![CDATA[Насколько мы близки к созданию квантового компьютера?]]>

Гонка в самом разгаре. Ведущие компании мира пытаются создать первый квантовый компьютер, в основе которого лежит технология, давно обещающая ученым помочь в разработке дивных новых материалов, идеальном шифровании данных и точном прогнозировании изменений климата Земли. Такая машина наверняка появится не раньше чем через десять лет, но это не останавливает IBM, Microsoft, Google, Intel и других. Они буквально поштучно выкладывают квантовые биты – или кубиты – на процессорном чипе. Но путь к квантовым вычислениям включает много больше, чем манипуляции с субатомными частицами.

Кубит может представлять 0 и 1 одновременно, благодаря уникальному квантовому явлению суперпозиции. Это позволяет кубитами проводить огромное количество вычислений одновременно, значительно увеличивая вычислительную скорость и емкость. Но существуют разные типы кубиты, и не все они создаются одинаковыми. В программируемом кремниевом квантовом чипе, например, значение бита (1 или 0) определяется направлением вращения его электрона. Однако кубиты чрезвычайно хрупкие, и некоторым нужна температура в 20 милликельвинов – в 250 раз холоднее, чем в глубоком космосе, – чтобы оставаться стабильными.

Конечно, квантовый компьютер – это не только процессор. Этим системам нового поколения потребуются новые алгоритмы, новое программное обеспечение, соединения и куча еще не изобретенных технологий, извлекающих выгоду из колоссальной вычислительной мощи. Кроме того, результаты вычислений нужно будет где-то хранить.

«Если бы все не было так трудно, мы бы уже сделали один», говорит Джим Кларк, директор по квантовому оборудованию в Intel Labs. На выставке CES в этом году Intel представила 49-кубитовый процессор под кодовым названием Tangle Lake. Несколько лет назад компания создала виртуальную среду для испытаний квантового ПО; она использует мощный суперкомпьютер Stampede (в Техасском университете) для имитации 42-кубитового процессора. Однако, чтобы на самом деле понять, как писать ПО для квантовых компьютеров, нужно моделировать сотни или даже тысячи кубитов, говорит Кларк.

Scientific American взял у Кларка интервью, в котором тот рассказал о разных подходах к созданию квантового компьютера, почему они такие хрупкие и почему вся эта затея занимает так много времени. Вам будет интересно.

Чем квантовые вычисления отличаются от традиционных?

Распространенная метафора, которая используется для сравнения двух видов вычислений, — это монетка. В традиционном компьютерном процессоре транзистор либо «орел», либо «решка». Но если спросить, какой стороной смотрит монетка, когда крутится, вы скажете, что ответом может быть и то и другое. Так устроены квантовые вычисления. Вместо обычных битов, которые представляют 0 или 1, у вас квантовый бит, который одновременно представляет и 0, и 1 до тех пор, пока кубит не перестанет вращаться и не войдет в состояние покоя.

Пространство состояний – или способность перебирать огромное число возможных комбинаций – в случае с квантовым компьютером экспоненциально. Представьте, что у меня в руке две монеты и я подбрасываю их в воздух одновременно. Пока они вращаются, они представляют четыре возможных состояния. Если я подброшу три монеты в воздух, они будут представлять восемь возможных состояний. Если я подброшу в воздух пятьдесят монет и спрошу у вас, сколько состояний они представляют, ответом будет число, которое не сможет рассчитать даже самый мощный суперкомпьютер мира. Триста монет – все еще относительно небольшое число – будет представлять больше состояний, чем атомов во Вселенной.

Почему кубиты такие хрупкие?

Реальность такова, что монеты, или кубиты, в конечном итоге прекращают вращаться и коллапсируют в определенное состояние, будь то орел или решка. Цель квантовых вычислений состоит в том, чтобы поддерживать их вращение в суперпозиции в множестве состояний длительное время. Представьте, что у меня на столе крутится монетка и кто-то толкает стол. Монетка может упасть быстрее. Шум, изменение температуры, электрические флуктуации или вибрация – все это может помешать работе кубита и привести к утрате его данных. Один из способов стабилизировать кубиты определенных типов – поддерживать их в холодном состоянии. Наши кубиты работают в холодильнике размером с бочку на 55 галлонов и используют специальный изотоп гелия для охлаждения почти до температуры абсолютного нуля.

Как разные типы кубитов различаются между собой?

Существует не меньше шести или семи различных типов кубитов, и примерно три-четыре из них активно рассматриваются для использования в квантовых компьютерах. Разница в том, как манипулировать кубитами и заставить их общаться между собой. Нужно, чтобы два кубита общались между собой, чтобы проводить большие «запутанные» расчеты, и разные типы кубитов запутываются по-разному. Описанный мной тип, который требует чрезвычайного охлаждения, называется сверхпроводящей системой, которая включает наш процессор Tangle Lake и квантовые компьютеры, построенные Google, IBM и другими. Другие подходы используют осциллирующие заряды пойманных ионов – удерживаемых на месте в вакуумной камере лазерными лучами – которые выступают в роли кубитов. Intel не разрабатывает системы с пойманными ионами, потому что для этого нужно глубокое знание лазеров и оптики, нам это не под силу.

Тем не менее мы изучаем третий тип, который называем кремниевыми спин-кубитами. Они выглядят точно как традиционные кремниевые транзисторы, но оперируют одним электроном. Спин-кубиты используют микроволновые импульсы для контроля спина электрона и высвобождения его квантовой силы. Эта технология сегодня менее зрелая, чем технология сверхпроводящих кубитов, однако, возможно, имеет гораздо больше шансов масштабироваться и стать коммерчески успешной.

Как добраться до этого момента отсюда?

Первый шаг – сделать эти квантовые чипы. В то же время мы провели моделирование на суперкомпьютере. Чтобы запустить квантовый симулятор Intel, нужно порядка пяти триллионов транзисторов для моделирования 42 кубитов. Для достижения коммерческой досягаемости нужно порядка миллиона кубитов или больше, но, начав с симулятора вроде этого, можно построить базовую архитектуру, компиляторы и алгоритмы. Пока у нас не появятся физические системы, которые будут включать от нескольких сотен до тысячи кубитов, непонятно, какого рода программное обеспечение мы сможем на них запускать. Есть два способа нарастить размер такой системы: один – добавить больше кубитов, что потребует больше физического пространства. Проблема в том, что если наша цель – создать компьютеры на миллион кубитов, математика не позволит их хорошо масштабировать. Другой путь – сжать внутренние размерности интегральной схемы, но такой подход потребует сверхпроводящей системой, а она должна быть огромной. Спин-кубиты в миллион раз меньше, поэтому мы ищем другие решения.

Помимо этого, мы хотим улучшить качество кубитов, что поможет нам протестировать алгоритмы и создать нашу систему. Качество относится к точности, с которой информация передается со временем. Хотя многие части такой системы улучшат качество, самые большие успехи будут достигнуты благодаря разработке новых материалов и улучшению точности микроволновых импульсов и другой управляющей электроники.

Недавно Подкомитет по цифровой торговле и защите прав потребителей США провел слушания о квантовых вычислениях. Что законодатели хотят знать об этой технологии?

Есть несколько слушаний, связанных с разными комитетами. Если взять квантовые вычисления, можно сказать, что это технологии вычислений следующих 100 лет. Для США и других правительств вполне естественно интересоваться их возможностью. У Евросоюза есть план на много миллиардов долларов по финансированию квантовых исследований по всей Европе. Китай прошлой осенью анонсировал исследовательскую базу на 10 миллиардов долларов, которая займется квантовой информатикой. Вопрос ведь в чем: что мы можем сделать как страна на национальном уровне? Национальная стратегия квантовых вычислений должна быть в ведении университетов, правительства и промышленности, работающих совместно над разными аспектами технологии. Стандарты определенно необходимы с точки зрения коммуникаций или архитектуры программного обеспечения. Рабочая сила также представляет проблему. Сейчас, если я открываю вакансию эксперта по квантовым вычислениям, две трети заявителей, вероятно, будут не из США.

Какое влияние могут оказать квантовые вычисления на разработку искусственного интеллекта?

Как правило, первые предлагаемые квантовые алгоритмы будут посвящены безопасности (например, криптографической) или химии и моделированию материалов. Это проблемы, которые принципиально неразрешимы для традиционных компьютеров. Тем не менее есть масса стартапов и групп ученых, работающих над машинным обучением и ИИ с внедрением квантовых компьютеров, даже теоретического. Учитывая временные рамки, необходимые для разработки ИИ, я бы ожидал появления традиционных чипов, оптимизированных специально под алгоритмы ИИ, которые, в свою очередь, окажут влияние на разработку квантовых чипов. В любом случае ИИ определенно получит толчок из-за квантовых вычислений.

Когда мы увидим, что рабочие квантовые компьютеры решают реальные проблемы?

Первый транзистор был создан в 1947 году. Первая интегральная схема – в 1958 году. Первый микропроцессор Intel – который вмещал около 2500 транзисторов – вышел на свет только в 1971 году. Каждая из этих вех была разделена более чем десятилетием. Люди думают, что квантовые компьютеры вот уже за углом, но история показывает, что любые достижения требуют времени. Если через 10 лет у нас будет квантовый компьютер на несколько тысяч кубитов, это определенно изменит мир так же, как его изменил первый микропроцессор.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_06_04_naskolko_mi_blizki_k_sozdaniyu_kvantovog Mon, 04 Jun 2018 11:00:44 +0300
<![CDATA[Ученые создали конденсатор потока. Но для путешествий во времени его использовать не получится]]>

Одна из самых знаменитых кинокартин о путешествиях во времени «Назад в будущее» не в последнюю очередь запомнилась благодаря чертовски стильному автомобилю марки DeLorean. Основной деталью, благодаря которой было возможно совершать временные скачки, был конденсатор потока (Flux Capacitor). И он так и оставался бы лишь фантазией сценаристов Боба Гейла и Роберта Земекиса, если бы группа ученых из Австрии и Швейцарии не создала самый настоящий конденсатор потока, применение которого для перемещений во времени пока под вопросом, но зато он полезен для кое-чего другого.

Новое устройство может управлять движением заключенных в него микроволновых сигналов. Более того, ученые разработали не один, а целых два варианта построения конденсатора потока: двухполосный и трехполосный. Именно последний и напоминает изобретение доктора Эммета Брауна.

Схема трехполосного конденсатора потока

Прибор использует эффект квантового туннелирования магнитного потока вокруг конденсатора, благодаря чему ломается принцип симметрии по отношению к обращению времени (time-reversal symmetry). Но раз речь зашла о времени, не стоит радоваться и думать, что мы приблизились к созданию машины времени. В упрощенном варианте это означает, что микроволновые сигналы просто начинают двигаться в одном определенном направлении. По признанию одного из авторов разработки, Тома Стэйтса,

«Наше устройство будет весьма полезным для реализации квантовых вычислений. Именно для этого потребуется высокая точность контроля над распространением сигнала. Более того, эту технологию можно использовать в радарных системах, модулях беспроводной передачи данных, для улучшения качества сигнала и скорости мобильной связи, интернета и так далее».

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_05_31_uchenie_sozdali_kondensator_potoka_no_dl Thu, 31 May 2018 13:30:59 +0300
<![CDATA[На МКС создадут самое холодное место во Вселенной]]>

С помощью ракеты-носителя «Антарес» компании Orbital ATK аэрокосмическое агентство NASA отправило к Международной космической станции оборудование для проведения эксперимента по экстремальному охлаждению материи. Проект Cold Atom Laboratory («Лаборатория холодного атома», CAL) предназначен для достижения температуры, которая в 10 миллиардов раз ниже температуры вакуума. Это необходимо для получения конденсата Бозе — Эйнштейна — группы из большого числа атомов, которые проявляют квантовые свойства на макроскопическом уровне.

Эксперимент состоит из нескольких инструментов, таких как короб, лазеры, вакуумная камера и электромагнитный «нож». Все это предназначено для работы с атомами, а именно — для их охлаждения до температуры, наиболее близкой к абсолютному нулю, чем когда-либо. В случае успеха эксперимент поможет максимально замедлить их скорость на самый длительный на данный момент срок.

При абсолютном нуле, равном -273,15 градуса Цельсия (0 кельвинов), атомы вещества полностью прекращают двигаться, что, однако, недостижимо на практике из-за нулевых колебаний — квантовых флуктуаций, проявляющихся при достижении системой минимального энергетического состояния. Такой эффект наблюдается при создании конденсата Бозе — Эйнштейна, состоящего из бозонов — частиц, которые могут занимать одно и то же квантовое состояние, то есть становиться неразличимыми с точки зрения экспериментатора. Поскольку все частицы способны достигнуть минимального энергетического уровня, весь конденсат перестает взаимодействовать с атомами окружающего вещества, в результате чего, например, исчезает сила трения и возникает сверхтекучесть.

Микрогравитация на борту МКС позволит проводить наблюдения за конденсатом Бозе — Эйнштейна в течение рекордно долгого периода времени — 10 секунд.

«Исследование этих гиперхолодных атомов может перевернуть наше понимание материи и фундаментальной природы гравитации. Эксперименты, которые мы проведем с CAL, помогут нам лучше понять гравитацию и темную энергию — одни из наиболее распространенных сил во Вселенной», — прокомментировал Роберт Томпсон, ученый проекта CAL в Лаборатории реактивного движения NASA.

Квантовые эффекты, которые проявляются в конденсате Бозе — Эйнштейна, в том числе сверхтекучесть, могут применяться для эффективной передачи энергии и создания сверхпроводимых устройств, а также квантовых компьютеров и сверхточных атомных часов с лазерным охлаждением.

Cold Atom Laboratory запустили на борту частного грузового космического корабля Cygnus в понедельник, 21 мая. Помимо этого, на МКС было отправлено оборудование для секвенирования геномов микробов, обнаруженных на борту МКС, а также ручной секстант для определения положения станции по звездам.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_05_22_na_mks_sozdadut_samoe_holodnoe_mesto_vo Tue, 22 May 2018 10:30:58 +0300
<![CDATA[Ученые обещают прототип квантовой батареи через три года]]>

Итальянские физики предложили новую концепцию квантовой батареи на запутанных кубитах, которую можно реализовать на базе существующих технологий. Они надеются создать экспериментальный образец с пятью кубитами в течение трех лет. Статья с результатами опубликована в журнале Physical Review Letters.

Несколько лет назад физики предложили теоретическую идею квантовой батареи, которая будет хранить энергию не в виде химических соединений, а благодаря возбужденным состояниям квантовых объектов. Большинство из этих работ написали ученые, занимающиеся исследованиями по квантовой теории информации, которые интересуются фундаментальными теоремами о предельных уровнях хранения энергии и ее передачи. В новой работе физики предложили схему, которую можно реализовать на практике.

Итальянские физики предложили использовать в качестве кубитов сверхпроводниковые контуры или полупроводниковые квантовые точки. В рассмотренном авторами простейшем варианте они должны обладать двумя энергетическими уровнями — основным и возбужденным. Все кубиты помещаются в общий оптический резонатор, где их можно одновременно перевести в возбужденное состояние и запутать одним воздействием, например, лазерным импульсом определенной энергии. В результате, по подсчетам ученых, мощность, с которой можно заряжать батарею, увеличивается пропорционально квадратному корню из кубитов. В то же время для батареи из массива кубитов в отдельных резонаторах эта величина не изменяется при добавлении новых элементов.

Авторы отмечают, что предложенная система не нарушает никаких термодинамических законов, так как в ней используется более интенсивный поток энергии от источника к батарее, чем допустим для других устройств. Также физики отмечают, что подобные устройства не станут заменой современных аккумуляторов. Несмотря на близкую к теоретической скорость зарядки, они также будут разряжаться экстремально быстро — на масштабе наносекунд. Кроме того, по сравнению с химическими элементами у них крохотная емкость: типичная разница энергий между уровнями кубита составляет 0,001 электронвольта, в то время как современные аккумуляторы ноутбуков хранят около 1024 эВ. Поэтому основным полем применения подобных батарей может стать сфера квантовых вычислений. В этом случае батарея, находящаяся внутри квантового компьютера, будет работать в цикле: каждый кубит будет заряжаться, пока компьютер забирает энергию у следующего для проведения вычислений.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_04_01_uchenie_obeshayut_prototip_kvantovoy_batare Sun, 01 Apr 2018 09:00:03 +0300
<![CDATA[Ученые хотят выяснить, являемся ли мы квантовыми компьютерами]]>

Есть гипотеза, точнее множество гипотез, согласно которым наш мозг представляет собой не что иное, как биохимический квантовый компьютер. В основе этих идей лежит предположение о том, что сознание необъяснимо на уровне классической механики и может быть объяснено только с привлечением постулатов квантовой механики, явлений суперпозиции, квантовой запутанности и других. Ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре через серию экспериментов решили выяснить — действительно ли наш мозг является квантовым компьютером.

На первый взгляд может показаться, что компьютер и мозг работают одинаково – оба обрабатывают информацию, могут ее сохранять, принимают решения, а также имеют дело с интерфейсами ввода и вывода. В случае мозга этими интерфейсами выступают наши органы чувств, а также способность управлять различными объектами, не являющимися частью нашего тела, например, искусственными протезами.

Мы многого не знаем о том, как работает наш мозг. Но есть люди, которые считают, что многообразие процессов работы нашего мозга, которое невозможно объяснить с точки зрения классической механики, можно объяснить с позиции квантовой механики. Другими словами, они уверены, что такие аспекты квантовой механики, как квантовая запутанность, явление суперпозиции и все остальные вещи, на основе которых работает квантовая физика, на самом деле могут управлять процессами работы нашего мозга. Разумеется, не все согласны с такой формулировкой, но так или иначе ученые решили это проверить.

«Если вопрос о квантовых процессах, происходящих в мозге, найдет положительный отклик, то это приведет к настоящей революции в нашем понимании и лечении мозговых функций и когнитивных способностей человека», — говорит Мэт Хелгесон из Калифорнийского университета Санта-Барбары и один из участников команды, занимающейся данным исследованием.

Немного базовой теории. В мире квантовых вычислений все подчиняется квантовой механике, позволяющей объяснить поведение и взаимодействие самых крошечных объектов во Вселенной — на квантовом уровне, где не действуют правила классической физики. Одной из ключевых особенностей квантовых вычислений является использование так называемых кубитов (квантовых битов) в качестве носителя информации. В отличие от обычных битов, которые используются в обычных компьютерах и представляют собой двоичный код в виде «нулей» и «единиц», кубиты могут одновременно приобретать значения и нуля, и единицы, то есть находиться в так называемой суперпозиции, которая упоминалась выше.

Если исходить из вышеописанного, то квантовые компьютеры обещают просто невероятный потенциал в компьютерных вычислениях, который позволит справляться с задачами (в том числе и в науке), на которые не способны даже самые мощные, но при этом обычные компьютеры.

Что же касается нового исследования ученых из Калифорнийского университета, которое вот-вот начнется, то оно будет направлено на поиск «мозговых кубитов».

Одной из основных особенностей «обычных» кубитов является то, что для их работы требуется среда с очень низкой температурой, приближающейся к абсолютному нулю, однако исследователи предполагают, что это правило может не распространяться на кубиты, которые могут находиться в человеческом организме.

В рамках одного из грядущих экспериментов ученые постараются выяснить, можно ли хранить кубиты внутри спина атомного ядра, а не среди электронов, которые его окружают. В частности, объектом исследования должны будут стать атомы фосфора — вещества, содержащегося в наших организмах, — по мнению ученых, способных играть роль биохимических кубитов.

«Тщательно изолированные спины ядер могут хранить и, возможно, обрабатывать квантовую информацию в течение часов или даже большего времени», — говорит один из участников исследования, Мэтью Фишер.

В рамках других экспериментов ученые хотят взглянуть на потенциал декогеренции, которая происходит в результате нарушения связей между кубитами. Во время протекания этого процесса у самой квантовой системы начинают появляться классические черты, которые соответствуют информации, имеющейся в окружающей среде. Другими словами, квантовая система начинает смешиваться или запутываться с окружающей средой. Для того чтобы наш мозг можно было рассматривать в качестве квантового компьютера, в нем должна иметься система, которая позволяла бы защищать наши биологические кубиты от этой декогеренции.

Задачей еще одного эксперимента станет исследование митохондрий – клеточных субъединиц, отвечающих за наш метаболизм и передачу энергии внутри нашего организма. Ученые предполагают, что эти органеллы могут играть существенную роль в квантовой запутанности и обладать квантовой связью с нейронами.

В общем и целом нейромедиаторы (активные химические вещества, с помощью которых происходит перенос электрохимических импульсов) между нейронами и синаптические связи, возможно, создают в нашем мозге объединенные квантовые сети. Фишер и его команда хотят это проверить, попытавшись воспроизвести такую систему в лабораторных условиях.

Процессы квантовых вычислений, если они действительно присутствуют в нашем мозге, помогут нам объяснить и понять самые загадочные его функции, например, его способность переводить память из кратковременной в долговременную, или же приблизиться к понимаю вопросов о том, откуда же на самом деле берутся наши сознание, осознание и эмоции.

Все это – очень высокий уровень, очень сложная физика, наряду с биохимией, поэтому здесь никто не будет гарантировать, что мы сможем получить все ответы на поставленные выше вопросы. Даже если окажется, что мы пока еще не достигли нужного уровня, который позволил бы нам ответь на вопрос о том, является ли наш мозг квантовым компьютером, запланированные исследования могут привнести большой вклад в понимание того, как работает самый сложный орган человека.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_03_31_uchenie_hotyat_viyasnit_yavlyaemsya_li_mi_kv Sat, 31 Mar 2018 20:00:59 +0300
<![CDATA[Российские учёные рассказали, как с помощью лазера сделать проводник из изолятора]]> http://so-l.ru/news/y/2018_03_28_rossiyskie_uchenie_rasskazali_kak_s_pomo Wed, 28 Mar 2018 16:44:00 +0300 <![CDATA[Лазер превратит диэлектрики в проводники]]> Ученые из Российского квантового центра, МГУ и их коллеги из Германии и Британии впервые теоретически описали, как будут вести себя так называемые моттовские диэлектрики под действием сверхкоротких (и очень мощных) лазерных импульсов. Результаты расчетов показывают, что в этом случае диэлектрик будет превращаться в проводник, что в перспективе можно будет использовать для электроники. Исследование опубликовано  в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает пресс-релиз Российского квантового центра.

«Эта работа – в каком-то смысле, первый шаг в terra incognita, до этого никто не занимался изучением поведения моттовских диэлектриков в сверхсильном световом поле. Наши результаты позволяют судить о поведении неравновесных систем многих тел с высокой точностью, что является одной из важных задач квантовой физики», - говорит соавтор статьи Алексей Рубцов, руководитель исследовательской группы Российского квантового центра и профессор МГУ.

Он и его коллеги впервые описали поведение так называемых моттовских диэлектриков под действием сверхмощных и сверхкоротких лазерных импульсов. Моттовские диэлектрики отличаются от обычных («зонных») диэлектриков тем, что ток в них не может течь из-за сильного взаимодействия между электронами. Моттовские диэлектрики (как правило, это оксиды переходных металлов, например, NiO) перестают проводить ток при охлаждении, когда взаимодействие между электронами становится более существенным.

Ученые исследовали, как такие материалы будут реагировать на вспышки мощного фемтосекундного лазера, и моделировали, как должен выглядеть спектр отраженного от поверхности излучения, поскольку на его свойства влияют характеристики материала.

«До сих пор подобные исследования развивались в контексте единичных атомов или молекул, это были фундаментальные исследования, цель которых – изучить поведение электронов на орбиталях атомов. Теперь мы переключились на физику твердого тела, и здесь картина намного сложнее, поскольку это – это многоэлектронная задача, где взаимодействующие электроны влияют на проводимость», - говорит ученый.

По его словам, полученные данные позволяют предсказать, как ведут себя под действием излучения сложные квантовые системы, и, в свою очередь, сформулировать закономерности поведения таких систем.

]]>
http://so-l.ru/news/y/2018_03_27_lazer_prevratit_dielektriki_v_provodniki Tue, 27 Mar 2018 14:16:40 +0300