Новая научная работа устанавливает самые строгие ограничения на квантовую гравитацию, которая считается ключом к созданию «теории всего» — универсальной модели мироздания, охватывающей как квантовую физику, так и классическую механику. Исследование основано на изучении свойств нейтрино с помощью подводного детектора KM3NeT в Средиземном море. Выводы, сделанные на основе показаний датчиков, указали на дальнейшие направления поиска.

Визуализация эксперимента. Источник изображения: KM3NeT

Нейтринный телескоп KM3NeT — это крупная подводная обсерватория, предназначенная для обнаружения нейтрино по их взаимодействию с водой. Она состоит из двух детекторов. В эксперименте по поиску признаков квантовой гравитации использовался детектор ORCA, расположенный на глубине около 2450 метров у берегов Тулона (Франция).

Квантовая гравитация — это недостающее звено между общей теорией относительности и квантовой механикой. Пока она остаётся лишь гипотезой, потенциальным ключом к единой теории, способной объяснить как бесконечно большое, так и бесконечно малое. Решение этой головоломки может скрываться в скромном нейтрино — элементарной частице, не имеющей электрического заряда и почти невидимой, поскольку она крайне редко взаимодействует с материей, беспрепятственно проходя сквозь всё на нашей планете.

Именно поэтому нейтрино так трудно обнаружить. Однако в редких случаях частица может взаимодействовать, например, с молекулами воды на дне моря. В таком случае возникает так называемое черенковское излучение — слабое свечение, которое можно зафиксировать фотодетекторами. Толща воды отсеивает большинство элементарных частиц земного и космического происхождения, тогда как нейтрино беспрепятственно проникают на глубину.

Известно, что в процессе путешествия нейтрино осциллируют — изменяют свою массу. Однако в сумме их масса остаётся неизменной, находясь в состоянии квантовой суперпозиции. Это фундаментальное свойство нейтрино, которое также можно описать понятием когерентности. Если квантовая гравитация существует (а её предсказывают некоторые модели), то в ряде случаев она может нарушать когерентность нейтрино. Именно этот эффект — декогерентность — пытались зафиксировать детекторы KM3NeT.

Однако исследование не выявило отклонений в осцилляциях нейтрино. Они вели себя так, словно квантовой гравитации не существует. Но даже этот результат имеет важное значение, поскольку он накладывает новые, самые строгие на сегодняшний день ограничения на модели квантовой гравитации.

«Это, — объясняют учёные, — означает, что если квантовая гравитация действительно влияет на осцилляции нейтрино, то интенсивность этого влияния ниже пределов текущей чувствительности». Исследование установило верхнюю границу силы этого эффекта, которая теперь является более жёсткой, чем та, что была определена предыдущими экспериментами с атмосферными нейтрино. Оно также указывает направления для будущих исследований.

«Обнаружение декогеренции нейтрино стало бы большим прорывом, — поясняют исследователи. — До сих пор не было найдено никаких прямых доказательств существования квантовой гравитации, поэтому эксперименты с нейтрино привлекают всё больше внимания. Интерес к этой теме растёт. Люди, изучающие квантовую гравитацию, крайне заинтересованы в этом, поскольку, вероятно, декогеренцию нельзя объяснить никакими другими факторами».

16 марта начнёт работу конференция American Physical Society (APS), на которой ожидаются горячие дебаты по поводу разработанного компанией Microsoft квантового процессора Majorana 1 на не открытых физиками частицах — фермионах Майораны. Все работы Microsoft по поводу разработки были настолько сомнительными, что ряд физиков открыто обвиняют компанию в мошенничестве. В научном сообществе конференцию APS ждут с нетерпением и советуют запасаться попкорном.

Источник изображений: Microsoft

Заявления Microsoft о прорыве в разработке квантовых процессоров были сделаны в феврале, когда компания объявила, что её собственные специалисты создали «первый в мире топопроводник — революционный тип материала, который позволяет регистрировать майорановские частицы и управлять ими для создания более надёжных и масштабируемых кубитов, которые являются строительными блоками для квантовых компьютеров».

Поскольку фермионы Майораны пока ещё никто из физиков не регистрировал, множество учёных восприняли заявления Microsoft о квантовом прорыве как «ненадёжные» и «по сути мошеннические». В то же время в компании настаивают, что всё сделали правильно, и скоро поделятся ещё более впечатляющими результатами, в частности, на предстоящей конференции APS. Почему это не было сделано сразу, в компании не объясняют.

Один из аргументов Microsoft заключается в том, что статья была направлена для публикации в марте 2024 года, но вышла в печать в феврале 2025 года, хотя практика исправлять статьи широко распространена, и никто не мешал внести правки перед публикацией.

Microsoft и раньше делала громкие заявления о частицах Майораны, но ничем хорошим это не заканчивалось: в 2021 году исследователи из Редмонда отказались от статьи 2018 года, в которой они утверждали, что обнаружили эти частицы. Новая статья также изобилует пробелами и неточностями, на которые специалисты начали указывать после публикации в Nature. Развёрнутый ответ на критику компания обещает дать на конференции APS в период с 16 по 21 марта.

Генри Легг (Henry Legg), преподаватель теоретической физики в Сент-Эндрюсском университете в Великобритании (University of St Andrews), недавно опубликовал критический обзор в виде препринта на сайте arXiv.org, в котором утверждает, что работа гиганта программного обеспечения «ненадёжна и требует повторного рассмотрения».

Винсент Мурик (Vincent Mourik), физик-экспериментатор из немецкой национальной исследовательской организации Forschungszentrum Jülich, и Сергей Фролов, профессор физики и астрономии в Университете Питтсбурга в США (University of Pittsburgh), использовали YouTube, чтобы раскритиковать «отвлекающие факторы, вызванные ненадежными научными заявлениями Microsoft Quantum».

В интервью The Register Фролов пошел ещё дальше: «Эти опасения возникли довольно давно, так что [реакция сообщества] была вызвана не только этим объявлением как таковым. Оно было сделано в такой экспрессивной манере, что, я думаю, вызвало реакцию, но [не изменило] основного понимания того, что это, по сути, мошеннический проект». Фролов пояснил своё резко негативное отношение к открытию тем, что «это предполагаемая технология, основанная на фундаментальных физических законах, которые не были установлены». «Так что это довольно серьёзная проблема», — сказал учёный.

Фролов также заявил, что несколько недель назад в преддверии встречи APS на следующей неделе Microsoft уже поделилась данными с избранными исследователями, и это не укрепило уверенность приглашённых на мероприятие учёных в заявлениях компании. «Меня там не было, но я поговорил с несколькими людьми, которые были там… и они были не в восторге, и было много критики», — сказал он.

Физик уверен, что встреча APS на следующей неделе не решит этот вопрос по двум причинам. Во-первых, он считает, что Microsoft неправильно поняла науку: «Как физик я могу сказать, что этот кубит, о котором они говорят, просто не может работать, потому что топологический кубит требует майорановских частиц, а без майорановских частиц он не может существовать».

«Если все ваши результаты по Майоране будут тщательно изучены и подвергнуты критике, то это ни в коем случае не будет топологическим кубитом. Это оставляет только один вариант: это… ненадёжная демонстрация. И именно поэтому я говорю о мошенничестве, потому что на данный момент у меня нет других слов», — продолжает свои рассуждения Фролов.

По мнению профессора, формат конференции APS на следующей неделе не позволит тщательно изучить заявления Microsoft. В письме в адрес APS он пеняет организаторам за то, что они не пригласили выступить с докладом критиков Microsoft. Также в письме содержится призыв к APS раскрыть информацию о выплатах, полученных от Microsoft, и уведомить участников конференции о проблемах сообщества, связанных с заявлениями гиганта программного обеспечения. Также автор обращения желает, чтобы Microsoft поделилась исчерпывающими данными о своём исследовании, чтобы при необходимости внести исправления.

Критика со стороны Генри Легга связана с его мнением, что Microsoft опирается на тесты, которые не работают. «С этим так называемым протоколом топологического зазора возникает много проблем, — объяснил Легг. — И, в конечном счёте, он не даёт никакой информации о реальной физике, которая происходит в этих устройствах. В итоге протокол чувствителен к таким вещам, как диапазоны измерений». По мнению физика, компания в разных статьях использует разные диапазоны измерений, что она никак не объясняет в последней работе. Также учёный прослеживает несоответствия в статьях Microsoft за разные годы.

«У них было определение топологического [состояния], а потом они его изменили, — сказал он. — По сути, они превратили его в нечто почти бессмысленное и, безусловно, бессмысленное, когда дело доходит до создания топологического кубита».

Проблема, с которой столкнулась Microsoft, объяснил Легг, схожа с проблемой, из-за которой исследователи компании отозвали свою статью 2018 года. По его словам, это стало необходимым, потому что описанное в ней поведение не было доказательством существования частиц Майораны, а лишь описанием нарушения в системе.

«Суть в том, что системы, на которые они смотрят, по-прежнему так же неупорядочены, и качество устройств не улучшилось. Единственное, что улучшилось, — это качество пиар-кампании или, по крайней мере, уровень заявлений, которые они делают. И я бы сказал, что почти все в этой области [науки] согласны с этим», — отстаивает свою позицию учёный.

В Microsoft обещают дать развёрнутый ответ на предстоящей конференции, продолжая настаивать на том, что они придерживаются научного подхода, и претензий со стороны рецензентов и редакции журнала Nature не было.

Учёные провели интересный эксперимент по получению новой фазы вещества — сверхтекучего твёрдого тела (Supersolid). Но самое ценное в этом исследовании — то, что вещество было получено путём превращения в него лазерного луча. Ранее в состояние сверхтекучего твёрдого тела учёные переводили более материальные субстанции, например газы. Со светом такой эксперимент проведён впервые, что может дать новые подсказки в поиске ответов о сущностях квантового мира.

Источник изображения: ИИ-генерация Grok 3/3DNews

Состояние сверхтекучего твёрдого тела представляет собой сочетание твёрдых свойств с характеристиками сверхтекучей жидкости. Обычно такие состояния наблюдали у сверхохлаждённого гелия. Молекулы газа располагались в подобии кристаллической решётки, что позволяет относить supersolid-состояния к кристаллическим. В общем случае такие материалы характеризуются отсутствием вязкости, что также было подтверждено в эксперименте.

Чтобы создать сверхтекучее твёрдое вещество, исследователи направили лазер на пластину арсенида галлия, на которой были нанесены специальные бороздки. Когда свет попадал на эти бороздки, взаимодействие между ним и материалом приводило к образованию поляритонов — особых гибридных частиц, которые удерживались в бороздках заранее заданным образом. Это заставляло поляритоны выстраиваться в кристаллическую структуру и, таким образом, проявлять свойства сверхтекучего твёрдого тела, о чём учёные рассказали в свежем выпуске журнала Nature.

Источник изображения: Nature 2025

Группа исследователей планирует продолжить работу с новой фазой вещества, созданной из света, чтобы глубже изучить его структуру. Учёные отмечают, что новое состояние вещества, сформированное из света, может быть проще в исследовании, чем материалы, состоящие из атомов. Это, в свою очередь, поможет лучше понять природу материи в целом.

Исследователи из Университета Суррея (University of Surrey) в Великобритании не нашли в квантовой физике признаков запрета на течение времени вспять. Работа носит теоретический характер и не подтверждена экспериментами. В то же время она будоражит воображение потенциальной осуществимостью путешествий в прошлое, что, к сожалению, несовместимо с классической физикой и миром, в котором мы живём.

Источник изображения: ИИ-генерация DALL·E/3DNews

В своём исследовании, удостоенном публикации в журнале Scientific Reports, учёные рассказали о поисках истоков времени. Они стремились найти такую физическую величину или её материальное воплощение, которое бы отвечало за течение времени. Найти искомое коллективу не удалось, но время и силы были потрачены не зря. Из проведённых вычислений следует, что в мире квантовой физики — там, в самой глубине микромира, где всё устроено не так, как в макромире, — нет формального запрета на течение времени в обратном направлении.

В мире нет ничего точнее уравнений квантовой физики. При должном старании и затратах на эксперименты теоретический результат может совпасть с измерениями до двенадцатой цифры после запятой. Поэтому практически любая математически верная выкладка может быть подтверждена экспериментально. Это означает, что многие фантастические сегодня проекты, которые по разным причинам пока невозможно проверить на практике, со временем могут стать реальностью.

Отсутствие теоретического запрета на эволюцию назад во времени могло бы стать одним из таких открытий. Однако на практике это не означает возможность путешествий в прошлое. Всё дело в том, что исследователи изучали не движение и перемещение в привычном смысле, как в научной фантастике, а эволюцию квантовых свойств элементарных частиц. Важно отметить, что учёные показали: их работа не противоречит законам термодинамики. При обращении вектора времени в прошлое энтропия снижается только в пределах квантовой системы, но в классической системе при этом продолжает расти.

Для проведения расчётов учёные воспользовались так называемой цепью Маркова, или термодинамикой Маркова. Это открытая квантовая система, эволюция которой зависит только от её текущего состояния и не имеет памяти. Иными словами, её будущее состояние не зависит от прошлого. Расчёты показывают, что квантовые состояния элементов такой системы способны эволюционировать с равной вероятностью как в будущее, так и в прошлое. Для системы нет разницы, в каком направлении направлен вектор времени. В квантовом мире отсутствует механизм, который мог бы помешать «прокрутить» ход времени вспять.

Учёные из Северо-Западного университета США (Northwestern University) первыми в мире, как они утверждают, осуществили квантовую телепортацию по интернет-кабелю, загруженному посторонним трафиком. Им удалось передать запутанные состояния двух фотонов на расстояние 30,2 км по тому же оптоволокну, по которому шёл обмен обычными данными, а затем зафиксировать факт коллапса волновой функции и мгновенной телепортации квантового состояния.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Пока остаются серьёзные сомнения в том, можно ли использовать обычные коммуникации для передачи квантовых состояний — иначе говоря, для создания глобального квантового интернета без развёртывания новой отдельной инфраструктуры. Работа исследователей из США, опубликованная сегодня в журнале Optica, даёт основания полагать, что квантовые данные можно будет передавать по существующим линиям оптической связи.

Эксперимент проводился в лаборатории на катушке оптического кабеля длиной 30,2 км. Забегая вперёд, отметим, что на следующем этапе учёные попытаются телепортировать квантовые состояния через реальную интернет-сеть. В лабораторных условиях исследователи, насколько это было возможно, воспроизвели работу сети интернет в обычных условиях. По кабелю передавался интернет-трафик с полосой пропускания 400 Гбит/с в диапазоне C. Основной задачей было подобрать для двух запутанных фотонов такой частотный диапазон, чтобы их состояния не разрушились до измерения (до завершения передачи на другой конец линии). Также учёные разработали систему фильтров, чтобы минимизировать помехи от обычного трафика.

«Это невероятно захватывающе, потому что никто не думал, что это возможно, — заявил Прем Кумар (Prem Kumar) из Northwestern, руководитель исследования. — Наша работа показывает путь к квантовым и классическим сетям следующего поколения, разделяющим единую волоконно-оптическую инфраструктуру. По сути, это открывает дверь для вывода квантовых коммуникаций на новый уровень».

Следует уточнить, что квантовая телепортация не переносит информацию в традиционном понимании. Квантовое состояние фотона заранее неизвестно. Попытка его определить до передачи, например измерить направление спина, приведёт к коллапсу волновой функции, и тогда просто нечего будет отправлять. А раз мы не знаем, что передаём, смысла в телепортируемой информации нет. Однако можно телепортировать квантовые состояния, что лежит в основе квантовой криптографии. Если такое сообщение перехватят, об этом мгновенно станет известно, независимо от расстояния между запутанными фотонами.

Схема эксперимента. Источник изображения: Optica 2024

Учёные из Северо-Западного университета продемонстрировали, что на примере загруженной трафиком обычной волоконно-оптической линии запутанные фотоны можно передавать одновременно с обычными данными. Квантовое состояние сохраняется до конца передачи и при измерении телепортируется. Это открывает возможность для сосуществования квантовой криптографии и традиционного интернет-трафика. Но исследователи намерены идти дальше. Их интересует передача запутанных состояний другим парам фотонов, чтобы они участвовали в распределённых квантовых вычислениях. Только так можно будет наложить квантовый интернет на существующую инфраструктуру интернета.

Учёные из Университета Торонто обнаружили очередное свидетельство контринтуитивного восприятия квантового мира. В серии экспериментов было доказано, что в определённых условиях атомы и фотоны могут вести себя так, как будто время идёт вспять. Работа учёных пока не прошла рецензирование и с сентября находится на сайте arxiv.org.

Источник изображения: www.techspot.com

В ходе опытов исследователи пропускали свет (фотоны) через облако охлаждённых почти до абсолютного нуля атомов. Через такую среду свет проходит с некоторой задержкой, называемой групповой. Это связано с тем, что некоторые фотоны поглощаются атомами и возбуждают их. Это происходит вследствие поглощения энергии фотонов электронами атомов и их переходом на более высокий уровень. Затем электроны испускают фотоны и возвращаются на прежний энергетический уровень, а атомы выходят из возбуждённого состояния. Свет выходит как ни в чём не бывало, но спустя какое-то детектируемое время.

Интересное начинается, когда частота фотонов приближается к резонансной частоте атомов. В таких ситуациях групповая задержка становится отрицательной. В эксперименте учёные определяли это по фазовому сдвигу между опорным лучом и зондирующим — это так называемый эффект Керра. Согласно проделанным наблюдениям и расчётам, отрицательная групповая задержка света — это не ошибка измерений, а данность. Атомы вещества как бы возбуждались заранее ещё до прохождения фотонов, что, судя по всему, можно объяснить их суперпозицией в квантовом мире. Как это может происходить в нашем мире, объяснил Шрёдингер на примере кошки.

«Отрицательная временная задержка может показаться парадоксальной, но это означает, что если бы вы построили "квантовые" часы для измерения того, сколько времени атомы проводят в возбужденном состоянии, стрелка часов при определенных обстоятельствах двигалась бы назад, а не вперёд», — объяснил автор исследования Джозайя Синклер (Josiah Sinclair) из Университета Торонто.

По крайней мере, для групповой задержки прохождения света через вещество «отрицательное время» имеет ощутимое физическое значение, что необходимо будет учитывать в будущих исследованиях. Для мечтающих попасть в прошлое или будущее это не поможет осуществить их заветное желание, но лишний раз даёт убедиться, что в квантовом мире происходят настоящие чудеса.

Группа учёных из США смогла соединить квантово-механическую теорию и цифровую запись, проложив путь к потенциально сверхплотной оптической памяти. Запись осуществляется излучателями атомарного размера, встроенными в саму память, а ячейками для хранения информации выступают множественные дефекты в атомарной структуре памяти. Всё это замешано на управляемом изменении квантовых состояний дефектов, явив собой смесь классической и квантовой физики.

Источник изображения: Giulia Galli

Исследование и разработку моделей изучаемых явлений осуществили физики из Аргоннской национальной лаборатории министерства энергетики США и Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета. Сначала они провели моделирование и предсказали возможные результаты и лишь потом провели эксперименты. Проделанная учёными работа во многом новаторская. Ещё никто не изучал вопрос, как поведут себя дефекты в атомарной структуре твёрдых материалов, если по соседству с ними в нанометровой доступности расположатся излучатели энергии (фотонов). Фактически это физика в ближнем поле, которая непросто поддаётся изучению и, прежде всего, из-за возникновения разного рода квантовых эффектов.

«Мы разработали фундаментальные физические основы того, как передача энергии между дефектами может лежать в основе невероятно эффективного оптического метода хранения, — сказала Джулия Галли (Giulia Galli), профессор Чикагского университета и старший научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории. — Это исследование иллюстрирует важность изучения основных принципов и квантовомеханических теорий для освещения новых, зарождающихся технологий».

Если мы будет рассматривать, например, оптические диски, то минимально допустимое пятно для записи будет ограничено дифракционным пределом оптической системы и не сможет быть меньше длины волны записывающего лазера. Учёные предложили насытить материал атомами редкоземельных элементов, которые отличаются тем, что способны переизлучать падающий на них свет в более узком диапазоне и на других длинах волн. Тем самым можно создать материал с мириадами записывающих «лазеров» внутри, каждый из которых был бы размером с атом.

Точно также материал можно насытить ячейками для записи, в роли которых выступали бы дефекты в кристаллической структуре. При достаточном количестве атомов редкоземельных элементов и дефектов большинство из них находились бы в нанометровой доступности друг от друга. Суть открытия в том, что редкоземельные излучатели (точнее — переизлучатели) необратимо или на очень длительное время меняют квантовые состояния находящихся по соседству дефектов (переводят их из синглетного в триплетное состояние). А это память, работающая в оптическом диапазоне. И очень плотная память — на уровне атомарной структуры.

Учёные предупреждают, что они пока слабо представляют многие механизмы работы такой памяти, но не сомневаются, что это интересный и перспективный путь для удовлетворения нужд человечества в сохранении цифровых архивов.

Топ-кварки или t-кварки, были обнаружены всего 30 лет назад. Они чрезвычайно массивны по сравнению с остальными элементарными частицами Стандартной модели. Это делает их уникальными и загадочными, открывая перспективы для новых открытий в области физики — неизвестных взаимодействий или частиц. Раскрывая секреты топ-кварков, учёные впервые смогли квантово запутать их пары, что произошло на Большом адронном коллайдере без экстремального охлаждения среды.

Художественное представление пары запутанных топ-кварков. Источник изображения: CERN

До сих пор исследователи создавали квантовую запутанность лёгких частиц в условиях низких энергий. Обычно это были фотоны. Квантовая запутанность означает, что мы можем узнать некоторые квантовые свойства одной частицы (например, фотона) по детектируемым свойствам другой частицы из запутанной пары, даже если первая находится на краю Вселенной. При этом никакой передачи информации или энергии не происходит. Нам просто становятся известны определённые квантовые характеристики фотона из запутанной пары.

Топ-кварки — это частицы совершенно другого масштаба по массе и энергии. Они были открыты последними из шести типов кварков. Масса топ-кварка в 184 раза превышает массу протона и, например, значительно больше массы атома вольфрама. Запутать пару топ-кварков — значит выйти на энергетический уровень выше 10 ТэВ (тераэлектронвольт). В случае фотонов или других лёгких частиц (фотоны не имеют массы) для предотвращения разрушения квантовых состояний и запутанности экспериментальные системы охлаждаются до абсолютного нуля, чтобы минимизировать все внутренние колебания. Это известная проблема квантовых вычислений, которые страдают от короткого времени когерентности.

Для запутывания пар топ-кварков этого не потребовалось. Авторы исследования из коллаборации ATLAS создали необходимые для этого условия в процессе эксперимента на коллайдере БАК. Статья о работе вышла в журнале Nature. Похожую работу независимо также проделали учёные из коллаборации CMS, но их работа пока есть лишь на сайте препринтов arXiv.orgc.

Топ-кварки, благодаря своим свойствам, оказались удобным объектом для изучения запутанности с использованием относительно простых средств, по сравнению с другими случаями, и при этом на совершенно новом уровне энергий. Хотя стоит признать, что Большой адронный коллайдер трудно назвать «подручным инструментом», это вряд ли позволит в ближайшее время перевести эксперименты с топ-кварками в практическую плоскость квантовых вычислений или криптографии. Тем не менее, изучение квантовой запутанности на столь высокой энергетической ступени — это не просто шаг вперёд, это прорыв!

В ряде случаев системы навигации GPS использовать нельзя или невозможно. Они могут быть скомпрометированы или заблокированы по разным причинам, а также остаются фактором риска в работе автопилотов. Параллельная система навигации без GPS могла бы решить проблему, но пока такие системы размером с комнату. Учёные из США обещают преодолеть эти ограничения и создать доступный миниатюрный «квантовый» компас уже в ближайшее время.

Источник изображения: www.techspot.com

Квантовая навигация строится на так называемой атомной интерферометрии. Частицы ведут себя также как волны, а волны одной и той же частицы могут накладываться друг на друга и отличаться по фазе. Сдвиг по фазе и эффекты интерференции волн измеряются лазером. На атомы действуют силы, например, гравитация, или они ощущают ускорение или торможение, угловой момент и прочее, что измеряется с атомарной точностью — те самые сдвиги фаз и интерференция. Перенос этих данных в наш мир позволяет соотнести измерения со всеми нюансами движения навигационного прибора на транспортном средстве. Это обеспечивает настолько высокую точность навигации, что она может превосходить возможности GPS.

Для точной навигации без GPS необходимы шесть атомных интерферометров, что определяет конечные — немаленькие — размеры платформы. Учёные их Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Labs) смогли удивить, разработав сверхкомпактные оптические чипы для привода в действие квантовых систем навигации. Громадные лазерные установки они заменили крошечными фотонными интегральными схемами.

«Используя принципы квантовой механики, эти усовершенствованные датчики обеспечивают непревзойденную точность измерения ускорения и угловой скорости, обеспечивая точную навигацию даже в районах, где GPS недоступен», — утверждают разработчики.

Ключевым элементом для датчиков нового поколения стал модулятор, способный управлять и комбинировать лучи с несколькими длинами волн, получаемыми из одного источника. Тем самым отпадает необходимость в объединении отдельных лазеров (читай — умножать габариты), ведь всю работу может выполнить один лазер, используя для этого схему модулятора.

Помимо намного большей компактности, такие чипы также более устойчивы к вибрациям и ударам. Подобная надёжность позволит использовать квантовые датчики в самых сложных условиях эксплуатации, которые могут вывести из строя современные модели. Фактор стоимости также на повестке дня. Один современный лазерный модулятор легко преодолевает барьер в $10 тыс. Перевод производства на кремниевые пластины с сотнями и более чипов на 200- и 300-мм подложках — это залог снижения стоимости решений и повышение степени их доступности.

Предложенные «квантовые» компасы способны выйти далеко за пределы сферы навигации. Квантовые детекторы масс, к примеру, легко справятся с картографированием скрытых под землёй коммуникаций и сооружений. Они могут оказаться востребованы для оптической связи и квантовых вычислений, в дальномерах и прочем.

Учёные давно подозревают, что с высшей умственной деятельностью что-то нечисто, что она может опираться не только на обычную биохимию, но также на квантовые явления. Интуиция, спонтанность принятия решений и другие малопонятные умственные процессы оставляют простор для спекуляций на тему квантовой природы человеческого сознания. Новая работа китайских учёных показывает, что нервная ткань человеческого мозга совместима с квантовыми явлениями.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Шанхайского университета в журнале Physical Review E опубликовали статью, в которой изучили возможности протекания квантовых химических реакций в нервных клетках человеческого мозга. Подчеркнём, учёные не открыли и не зафиксировали квантовых процессов в мозге. Они лишь определили физическую осуществимость квантовых явлений в живой нервной ткани.

Как поясняют учёные: «Сознание в мозге зависит от синхронизированной активности миллионов нейронов, но механизм, ответственный за организацию такой синхронизации, остаётся неуловимым. В этом исследовании мы используем квантовую электродинамику резонатора для изучения генерации запутанных двойных фотонов посредством каскадного излучения в спектре колебаний С-Н-связей в хвостах липидных молекул».

Углерод-водородные связи, о которых говорят исследователи, находятся в изолирующей оболочке аксонов (в «хвостах» нейронов, передающих нервный импульс другим нейронам). Эта миелиновая оболочка может быть представлена в виде условного полого цилиндра. Цилиндр может служить резонатором, который способен усиливать рождённые в нейронах инфракрасные фотоны. Этим учёные обосновывают возможность перехода от квантового микроуровня (от молекул и атомов) до макроуровня живых клеток и клеточных процессов (биохимии).

Источник изображения: Physical Review E

Импровизированные резонаторы в виде миелиновых оболочек способны не только усиливать, но также запутывать пары фотонов — придавать им одну и туже волновую функцию. Затем плазма и протекающие в мозге биохимические реакции разносят связанные фотоны по всему мозгу, что может создавать механизм глобальной синхронизации мыслительных процессов. Это ещё не открытие этого неуловимого механизма, но вполне объясняющая его работу концепция. Разгадав тайну сознания, человек шагнёт на путь к его бессмертию. Пугающая и бесконечно привлекательная перспектива. Вполне в духе квантовых явлений.

Великобритания первой в мире провела серию испытательных полётов, в которых протестировали основу для технологий перспективной квантовой навигационной системы. Она поможет предотвратить одну из наиболее потенциально опасных, но недостаточно широко освещаемых угроз — глушение и подмену сигнала GPS.

Источник изображения: twitter.com/QinetiQ

Система глобального позиционирования (GPS) настолько глубоко проникла в жизнь современного человека, что стала восприниматься как нечто само собой разумеющееся, но лишь до тех пор, пока спутниковый сигнал по какой-то причине не теряется или «перепрыгивает» в другую точку. Для обычного человека это неприятно, но с кораблями и самолётами дело обстоит куда более критично, особенно если речь идёт о подмене сигнала. Только в 2022 году зафиксированы 49 605 случаев, когда гражданские самолёты стали жертвами подмены сигнала GPS, гласит статистика Европейской ассоциации бизнес-авиации. Часто это происходит вблизи зон конфликта для неверной навигации вражеских самолётов или БПЛА. Но результат таких действий также может повлиять на работу авиадиспетчеров, которые полагаются на данные, поступающие напрямую от приборов на самолётах.

Один из способов борьбы с этим — подключение резервных систем навигации, например, инерциальных. Это электронный просчёт пути по данным гироскопов и акселерометров, который является вполне рабочим методом. Но со временем в таких системах накапливаются ошибки, которые в случае с подводными лодками могут исчисляться милями — поэтому им приходится всплывать и сверяться с координатами по GPS. Самолёты движутся намного быстрее, и ошибки в их системах также накапливаются быстрее. Для решения этой проблемы британские компании Infleqtion, BAE Systems и QinetiQ, а также агентство по науке и инновациям UKRI решили создать собственную навигационную систему на основе квантовой механики.

Квантовые навигационные системы получают данные, используя такие явления как квантовая запутанность, квантовая интерференция и сжатие квантового состояния. В сочетании с высокоточными атомными часами и специальным программным анализом для фильтрации помех они способны заменять GPS в течение длительного времени. Недавно на объекте британского Министерства обороны в графстве Уилтшир прошли испытания квантовой системы позиционирования, навигации и синхронизации (PNT) на основе компактных оптических атомных часов Tiqker и установкой на основе ультрахолодных атомов — они работали на самолёте QinetiQ RJ100. Как ожидается, PNT впоследствии будет интегрирована в полномасштабную квантовую инерциальную навигационную систему (Q-INS).

Науке давно известен туннельный эффект, когда частицы преодолевают энергетический барьер, не имея для этого энергетических оснований. Это явление из квантового мира, которое нашло широкое применение в электронике. Теперь учёные расширили возможности туннелирования до группового поведения частиц, что стало повторением опыта 100-летней давности на квантовом уровне. Оказалось, группы электронов могут подталкивать одна другую к коллективному туннелированию.

Образец «квантового» материала для эксперимента. Источник изображения: Lance Hayashida/Caltech

В 1919 году немецкий физик Генрих Баркгаузен (Heinrich Barkhausen) поставил опыт, впоследствии названный его именем. На примере помещённого в катушку ферромагнитного материала он показал, что в процессе внешнего воздействия на материал происходит скачкообразное изменение его намагниченности. В процессе опыта Баркгаузена в подсоединённом к катушке громкоговорителе, например, возникал треск, когда к ферромагнетику подносили магнит. Намагниченность отдельных доменов затрагивала соседние, и это распространялось как лавина и, в то же время, скачками, пока материал полностью не становился намагниченным.

Учёные из Калтеха (Технологического института Калифорнии) решили обнаружить такой же эффект на квантовом уровне без внешних воздействий чисто за счёт квантовых явлений. Фактически это была проверка на спонтанное групповое туннелирвоание. Они поместили в катушку такой ферромагнитный материал, как литий-гольмий-иттрий фторид, и охладили его до температуры вблизи абсолютного нуля. Катушка нужна была для измерения напряжения, которое там возникнет в случае, если в материале начнёт меняться намагниченность.

После старта эксперимента учёные начали регистрировать скачки напряжения, аналогичные по природе шумам Баркгаузена. Это указало на то, что квантово-механическое туннелирование отдельных электронов привело к групповому или совместному туннелированию частиц.

«Классически каждая из мини-лавин, в которых группы спинов меняют направление, происходит сама по себе, — говорят авторы работы. — Но мы обнаружили, что благодаря квантовому туннелированию две лавины синхронизируются друг с другом. Это результат взаимодействия двух больших групп электронов друг с другом, и благодаря своему взаимодействию они производят эти изменения. Этот эффект совместного туннелирования стал неожиданностью».

Открытие даёт надежду на создание квантовых датчиков и других электронных приборов. Фактически квантовые явления в виде группового взаимодействия электронов можно использовать как макрообъекты, что упростит эксперименты в области квантовой физики и позволит использовать эти явления в обычной электронике и не только.

В квантовом мире царит неопределённость, которая в момент нарушается фактом наблюдения (измерения). Достигается это на сложных установках. Можно ожидать, что в нашем обычном мире больших и тяжёлых объектов тоже есть место для квантовой неопределённости, но доказать это прямым наблюдением очень и очень сложно. Однако учёные не сдаются.

Одно из зеркал детектора LIGO. Источник изображения: Caltech/MIT/LIGO Lab

Принцип квантовой неопределённости часто иллюстрируют с помощью мысленного эксперимента с кошкой Шрёдингера (в оригинале это кошка, а не кот), когда до открытия коробки с животным оно ни живо, ни мертво. Это позволяет понять контринтуитивные законы квантовой механики, но это не приближает нас к детектированию квантовых явлений на макроуровне.

Свой вариант натурного эксперимента по фиксации квантовой неопределённости в больших объектах предложили учёные из Университетского колледжа Лондона (UCL), Университета Саутгемптона в Великобритании и Института Бозе в Индии. Для исследования учёные предложили использовать систему гравиметрической обсерватории LIGO в США. Это два тоннеля по 4 км, соединённых под прямым углом (буквой Г). По тоннелям многократно с отражением курсирует луч лазера, который способен фиксировать искажения пространства-времени при прохождении через детектор гравитационной волны. Эту же систему можно использовать для выявления квантовой неопределённости с макрообъектами без строгих ограничений по массе и энергии, считают учёные.

В каждом из тоннелей можно подвесить зеркала на концах маятников (или мишени, заслоняющие основные зеркала датчика) и запускать в них по паре вспышек лазера с заданным интервалом. Если квантовая неопределённость в нашем большом мире есть, то первый импульс нарушит движение маятника — в этом проявится так называемый эффект наблюдателя, а второй импульс зафиксирует отклонение от расчётной траектории.

С математической точки зрения эксперимент должен подтвердить или опровергнуть соблюдение двух условий неравенства Леггетта-Гарга. Оно должно выполняться для всех условий классического мира. Если при взаимодействии с 10-кг зеркалами одно из этих условий не выполнится, значит, объект проявит свойства квантовой неопределённости.

С точки зрения математики это будет означать, что вы в данный момент с большой вероятностью сидите на стуле перед монитором, но также с бесконечно малой (но отнюдь не нулевой) вероятностью можете находиться на Луне, Марсе или в галактике Андромеда. Главное, что для доказательства подобной возможности не придётся рисковать жизнью кошки, хотя сам по себе эксперимент с зеркалами в установке LIGO потребует нетривиального оборудования и условий.

Статья об исследовании опубликована в журнале Physical Review Letters. Также она доступна на сайте arxiv.org.

Свыше 40 лет физики не могли объяснить поведение «странных металлов», которые при сильном охлаждении вели себя не так, как обычные металлы. Если в обычных металлах возникала сверхпроводимость и мгновенно исчезала на какой-то чёткой температурной отметке, то сопротивление странных металлов при изменении температуры менялось линейно. Этому не было внятного объяснения, пока это недавно не сделали физики из США.

Источник изображения: Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation

Комплексное обоснование теории поведения странных металлов — металлов, которые не подчиняются теории ферми-жидкости, — сделали руководитель проекта Аавишкар Патель (Aavishkar Patel) из Центра вычислительной квантовой физики (CCQ) Flatiron Institute в Нью-Йорке и физики Хаоя Гуо, Илья Эстерлис и Субир Сачдев из Гарвардского университета. Как минимум, учёные обосновали ряд характерных свойств «странных металлов». Стройная теория может помочь ответить на вопросы о достижении сверхпроводимости при высоких температурах и помочь в разработке квантовых компьютеров. Квантовая механика стала тем инструментом, который помог разобраться в вопросе.

Новая теория опирается на два ключевых свойства странных металлов. Во-первых, электроны в таких металлах могут запутываться друг с другом — переходить в абсолютно идентичные квантовые состояния — и оставаться в таком состоянии даже при удалении на значительные расстояния друг от друга. Во-вторых, странные металлы имеют неоднородное, похожее на лоскутное, расположение атомов.

«Ни одно из этих свойств по отдельности не объясняет странности “странных металлов”, но в совокупности всё становится на свои места», — пояснил глава проекта.

Неравномерность атомной структуры странного металла означает, что запутанность электронов зависит от того, в каком месте материала она произошла. Такое разнообразие вносит хаотичность в импульс электронов при их движении через материал и взаимодействии друг с другом. Вместо того чтобы течь вместе, электроны сталкиваются друг с другом во всех направлениях, что приводит к электрическому сопротивлению. Поскольку электроны сталкиваются тем чаще, чем горячее материал, электрическое сопротивление растёт вместе с температурой, что и наблюдается на практике. Там где у обычных металлов происходит скачок при переходе от сверхпроводимости к резкому увеличению сопротивления, странные металлы продолжают пропускать ток с плавным увеличением сопротивления току.

Ключевым в новой теории стало то, что физики объединили два явления — запутанность и неоднородность, что раньше не рассматривалось для одного материала, а по отдельности это не приводит к странному поведению металлов. Тем самым учёные предлагают механизм по коррекции условий сверхпроводимости в странных металлах. Искусственно созданные неоднородности могут воспроизвести сверхпроводимость в нужном месте с заданными целями, что может найти применение, например, в квантовых вычислителях. Когда вы можете на что-то влиять, это способно привести к желаемому результату.

«Бывают случаи, когда что-то хочет перейти в сверхпроводящее состояние, но не может этого сделать, поскольку сверхпроводимость блокируется другим конкурирующим состоянием, — говорит Патель. — Тогда можно задаться вопросом, не может ли присутствие этих неоднородностей разрушить эти другие состояния, с которыми конкурирует сверхпроводимость, и оставить дорогу для сверхпроводимости открытой».

Квантовые технологии находят применение не только в сфере вычислений и защищённой связи. Радарные технологии тоже ждут квантового превосходства. Классические радары слепнут в условиях сильных помех, тогда как эффект квантовой запутанности способен прорвать эту пелену. Французские учёные заявили, что они добились успеха на новом направлении и показали 20-процентное превосходство квантовых радарных технологий над классическими.

Источник изображения: Quantum Circuit Group (ENS de Lyon)

О разработке в журнале Nature Physics сообщила группа исследователей из Высшей нормальной школы Лиона (Ecole Normale Supérieure de Lyon, CNRS). Учёные создали схему, в которой происходит запутывание двух микроволновых фотонов (квантов энергии), один из которых летит к цели, отражается от неё и в окружении шумов возвращается к источнику, где сравнивается с «холостым» фотоном, с которым он находится в состоянии квантовой запутанности. Эффект запутанности позволяет с большой точностью детектировать сигнал и выделяет его даже на фоне очень сильных помех.

Измерение характеристик квантового радара показало, что опытная установка на 20 % превосходит возможности классических радаров определять цели. В теории эта разница может достигать четырёхкратного превосходства квантовых радаров, но для эксперимента даже такого преимущества достаточно, чтобы дальше работать в этом направлении.

Схема экспериментальной установки

Следует сказать, что до этого никто не заявлял о создании схемы квантового радара для микроволнового диапазона. Предыдущие эксперименты были основаны на запутывании пар фотонов видимого или близкого к нему диапазонов, что наука освоила довольно хорошо. Но фотоны видимого или инфракрасного света, как нетрудно догадаться, будут бесполезны в дождь, снег и в густой облачности. Поэтому работающая схема квантового радара с фотонами микроволнового излучения в гигагерцовом диапазоне, где работают классические радары, это определённый прорыв, которым можно гордиться.

Но также не следует забывать о разработках китайцев, которые тоже заняты серьёзными исследованиями в области квантовых радаров. Они также преуспели в экспериментах с запутыванием фотонов в оптическом диапазоне и представили альтернативу микроволновым фотонам в виде излучения запутанных электронов, разогнанных до скорости, близкой к световой. Во всех случаях серьёзным недостатком таких решений было и остаётся необходимость сильнейшего охлаждения запутанных частиц, что было также в случае схемы французских учёных.