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.

Состояние вещества определяет тип взаимодействия элементарных частиц, который свой для твёрдой, жидкой и газообразной фазы. Но на уровне квантовых явлений всё настолько необычно, что «ни в сказке сказать, ни пером описать». В квантовом мире скрыто так много всего непознанного, что каждое открытие предоставляет горизонты возможностей. Так, недавно обнаруженное новое квантовое состояние вещества обещает помочь в создании квантовой памяти и не только.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте и их коллеги из Китая воспроизвели условия, при котором вещество приобрело хиральное бозе-жидкостное состояние. Хиральность указывает на отсутствие левой и правой симметрии в структуре вещества, а отношение к бозе-жидкости говорит о чрезвычайной текучести или сверхпроводимости при температурах, близких к абсолютному нулю.

Новое состояние вещества было получено в образце из двух наложенных один на другой слоёв полупроводника. В верхнем слое был избыток электронов, а в нижнем — определённый дефицит дырок. Тонкость эксперимента была в том, что на всех электронов дырок не хватало. Приложив к образцу сверхсильное магнитное поле, учёные начали следить за движением электронов. По мере увеличения силы поля образец переходил в состояние хиральной бозе-жидкости с демонстрацией ряда уникальных свойств.

«На краю двух полупроводниковых слоёв электроны и дырки движутся с одинаковыми скоростями, — сказал физик Линьцзе Ду (Lingjie Du) из Нанкинского университета в Китае. — Это приводит к спиралевидному транспорту, который можно дополнительно модулировать внешними магнитными полями, так как при более высоких полях каналы электронов и дырок постепенно разделяются».

Например, при охлаждении до температуры близкой к абсолютному нулю электроны в веществе «зависали в предсказуемом порядке и с фиксированным направлением спина» и не реагировали на другие частицы или на магнитные поля. Подобная стабильность может найти применение в цифровых системах хранения данных на квантовом уровне.

Другой интересный момент заключался в том, что воздействие внешней частицы на один из электронов в системе проявлялось реакцией на всех электронах в системе, что объяснили эффектом квантовой запутанности частиц в бозе-жидкости. Это открытие тоже обещает быть полезным в будущих квантовых системах.

Если квантовые компьютеры пойдут по пути развития классических систем, то следующим шагом для них станет объединение в сети, включая глобальные. Необходимо будет передавать квантовые состояния, в частности — запутывать кубиты одного компьютера с кубитами другого. На небольших расстояниях это ещё можно сделать, но обеспечить такую передачу на десятки, сотни и тысячи километров — это задача, требующая особых ретрансляторов. Работу такого показали в Австрии.

Источник изображения: Harald Ritsch/University of Innsbruck

Проблема с ретрансляторами квантовых состояний в том, что любое измерение квантовых характеристик объекта ведёт к коллапсу всех остальных состояний. Такая физика сильно затрудняет квантовое распределение ключей и квантовую криптографию на этой основе. Дополнительно проблему усугубляет тот факт, что передачу квантовых состояний необходимо втиснуть в существующую кабельно-волоконную инфраструктуру — обеспечить работу как на пассивном, так и на активном оборудовании. Если проще — переносящий квантовое состояние фотон требуется сначала перевести в фотон со стандартной для современной телекоммуникации частотой для его передачи по оптике, где свои требования к длинам волн, а затем сделать обратное преобразование.

Осуществить подобный трюк удалось учёным из австрийского Университета Инсбрука. Исследователи собрали ретранслятор запутанности фотонов и показали её «телепортацию» на 50 км. Уточним, речь идёт не о передаче информации, которую можно расшифровать тем или иным способом, а о передаче квантового состояния (обычно речь идёт об измерении спина — ориентации магнитного вектора элементарной частицы). Один из фотонов мог быть 0, 1 или бесконечным множеством промежуточных значений, но при измерении характеристик одного из них, второй мгновенно показывал противоположное значение по измеряемому параметру.

На самом деле, учёные не выносили оптоволокно из лаборатории и использовали бобины с двумя отдельными 25-км отрезками оптического кабеля. Ретранслятор с квантовой памятью соединял эти отрезки посредине. Квантовая память в виде ионов кальция в оптической ловушке (в оптическом резонаторе) играла роль запоминающего устройства на случай потери фотонов в процессе передачи, но главное — она была ключевым элементом в обмене запутанными состояниями между фотонами в одном и другом отрезке оптоволокна.

Каждый из ионов кальция испускал по фотону. Эти фотоны разлетались по своим кабелям (сегментам сети) и при этом оставались спутанными каждый со своим ионом. Перед отправкой фотона в другой конец оптоволокна его преобразовывали в фотон с длиной волны 1550 нм, чтобы он соответствовал действующему стандарту в телекоммуникации. Затем ионы кальция запутывали между собой. Эксперимент показал, что запутывание ионов в ретрансляторе вело к синхронному запутыванию фотонов или, проще говоря, к мгновенной передачи запутанности по оптическому кабелю длиной 50 км.

Согласно проделанным экспериментам, учёные сделали вывод о необходимости ретрансляции квантовых состояний каждые 25 км. Это будет наилучшим образом соответствовать требованиям для сохранения высокой пропускной способности и наименьшей вероятности появления ошибок.

Одна из важнейших нерешённых задач в физике — это нахождение связи между квантовой механикой и общей теорией относительности. Для её решения необходима сложнейшая математика и невообразимые эксперименты. И если на бумаге ничего невозможного нет, то с опытами всё плохо — либо кванты, либо классика. Но надежда есть. Группа европейских и сингапурских учёных предложила квантовый симулятор, который воспроизводит эффект квантовой гравитации и не только.

Источник изображения: NASA / TU Wien

В физике и не только симуляция на одних системах может быть транслирована на другие, казалось бы, совершенно иные по свойствам системы. Учёные из Венского технологического университета, Университета Крита, Наньянского технологического университета (Сингапур) и Берлинского университета опубликовали в научном журнале Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA (PNAS) статью, в которой рассказали об успешной симуляции гравитационного линзирования на квантовом симуляторе. Фактически они утверждают о симуляции квантовой гравитации, обоснованием которой занимаются все физики-теоретики и никак не могут это сделать.

В качестве основы для квантового симулятора исследователи взяли облака сверхохлаждённых атомов — это определённо квантовые структуры с соответствующим математическим аппаратом и массой решений по управлению ими (вспомним многочисленные квантовые вычислители-симуляторы). Вместо света учёные взяли за основу звук и представили его как релятивистский объект из общей теории относительности. Получился квантовый симулятор распространения света в пространстве, который работал в точном соответствии как с ОТО, так и с квантовой теорией. В частности, эксперимент показал осуществимость эффекта гравитационного линзирования на симуляторе.

Эксперименты показывают, что форма световых конусов, эффекты линзирования, отражения и другие явления могут быть продемонстрированы в атомных облаках именно так, как это ожидается в релятивистских космических системах. Постановка экспериментов и полученные результаты могут помочь открыть неизвестные доселе явления и эффекты и, в конечном итоге, могут привести к созданию общей теории функционирования нашей Вселенной.

Швейцарские физики поставили эксперимент, который может служить почти абсолютным доказательством существования эффекта квантовой запутанности. Этот вопрос крайне смущал многих физиков прошлого века, включая Альберта Эйнштейна, и был предметом постоянных споров. Для нового эксперимента построили 30 метров вакуумной трубы с криогенным охлаждением, чтобы фотон как можно дольше летел от одной запутанной частицы к другой и не успел вмешаться в измерения.

Устройство 30-м трубы из эксперимента с волноводом посередине. Источник изображения: ETH Zurich/Daniel Winkler

Эйнштейн не мог смириться с мыслью, что квантово запутанные частицы мгновенно влияют друг на друга на условно бесконечных расстояниях. В таком случае они должны «передавать информацию» быстрее скорости света. По его мнению, мы просто не всё знаем о квантовой физике, и могут быть какие-то скрытые параметры, которые уже содержатся в характеристиках частицы и выдаются в ответ на измерение свойств одной из запутанных частиц.

Например, если мы измерили направление спина одного из пары запутанных фотонов, то информация о спине второго (оно будет противоположным по направлению) становится известна мгновенно, где бы этот второй фотон из пары не находился. Это также называют эффектом квантовой телепортации.

Для определения системы на наличие скрытых параметров в 60-х годах прошлого века физик Джон Белл предложил мысленный эксперимент, который уже в семидесятые годы поставил Джон Клаузер (за что ему, в частности, была присуждена Нобелевская премия по физике за 2022 год). В классической системе (нашем с вами мире) неравенства Белла соблюдаются всегда, тогда как в квантовом мире они нарушаются.

Если применить неравенства Белла к запутанным частицам, то случайное измерение двух запутанных частиц одновременно должно либо удовлетворять неравенствам, либо нарушать их. В последнем случае это будет доказательством, что никаких скрытых параметров нет и частицы «передают информацию» по законам квантовой физики — быстрее скорости света.

Учёные из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) создали криогенную установку, в которой фотон путешествует дольше, чем ведутся локальные измерения связанных частиц. По 30-м трубе в вакууме с охлаждением до -273°C микроволновый фотон пролетает с одного конца в другой за 110 нс. Измерения длились на несколько наносекунд быстрее. Никакая информация по классическим законам не могла передаться за это время, тогда как эффект квантовой запутанности частиц себя полностью проявил.

До этого применение неравенств Белла предполагало лазейки в постановке экспериментов. Устранить все спорные места мог только эксперимент, в ходе которого измерения должны проводиться за меньшее время, чем требуется свету, чтобы пройти от одного конца к другому — это доказывает, что между ними не было обмена информацией.

«В нашей машине 1,3 [тонны] меди и 14 000 винтов, а также огромное количество знаний по физике и инженерных ноу-хау», — сказал квантовый физик из ETH Zurich Андреас Валлрафф (Andreas Wallraff).

У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами. В опыте участвовали две сверхпроводящие схемы, которые играли роль связанных частиц, тогда как обычно речь идёт о запутывании элементарных частиц типа электронов, фотонов или атомов. В эксперименте использовались объекты нашего большого мира, и они отыграли по законам квантовой физики.

Это означает, что на основе сверхпроводящих макросистем можно строить квантовые компьютеры, осуществлять квантовую связь и делать много другого интересного не углубляясь до таких тонких и пугливых (сверхчувствительных) материй, как элементарные частицы. В этом скрыт небывалый потенциал, который учёные намерены разрабатывать дальше.

Законы физики запрещают нулевые колебания во Вселенной и, тем самым, гарантируют, что абсолютный ноль или тепловое дно никогда не будет достигнуто. Однако приближаться к нему можно, бесконечно затрачивая на каждый шаг время и энергию. Благодаря новой работе международной группы физиков у нас появился ещё один параметр, усложняя который можно приближаться к абсолютному нулю, что обещает новые и неожиданные открытия.

Источник изображения: Pixabay

Для охлаждения элементарных частиц (материи) необходимо тем или иным способом отбирать у них энергию до тех пор, пока у нас будут на это ресурсы и время. В теории охладить материю до абсолютного нуля (-273,15 °C) можно за бесконечное время с затратами бесконечной энергии, что в реальном мире недостижимо по обоим параметрам. В системе всё равно останутся нулевые колебания, что будет означать отличную от абсолютного нуля температуру. Но теперь появляется теоретическая возможность использовать для охлаждения материи ещё один неиспользованный ранее ресурс — это сложность системы.

Фактор сложности или комплексности системы проистекает из законов квантовой физики. Точнее, из квантовой неопределённости и невозможности одновременно знать две «враждующие» характеристики квантовой системы, например, одновременно координаты и импульс (количество движения). Квантовое состояние системы описывается бесконечным набором волновых функций, и измерение одного из состояний заставляет мгновенно исчезать все остальные.

Физики предположили, что если определить координаты частицы, то это будет означать, что она полностью остановилась (все остальные состояния коллапсировали) и достигала состояния, как в случае абсолютного нуля. Все квантовые детали (информация о них) фактически стираются. Согласно принципу Ландауэра, потеря одного бита данных приводит к выделению энергии. Иначе говоря, система теряет энергию и охлаждается ещё сильнее. И чем сложнее квантовая система, тем больше она несёт информации и тем сильнее охлаждается при измерении квантовых свойств.

Именно это новое открытие роли сложности квантовой системы открывает новый угол зрения на поиск пути к абсолютному нулю, даже если это такое же практически невозможное решение, как и те, с которыми учёные уже работали (энергия и время).

«Мы обнаружили, что можно определить квантовые системы, которые позволяют достичь абсолютного основного состояния даже при конечной энергии и за конечное время — никто из нас этого не ожидал», — сказал один из участников проекта Маркус Хубер (Marcus Huber) из Венского технологического университета в Австрии.

Вполне возможно, что повышение сложности квантовых систем — это ещё один способ приблизиться к абсолютному нулю или, по крайней мере, ускорить процесс движения в эту сторону. В перспективе новый подход может привести к открытию новых явлений в квантовой физике и к созданию новых материалов и технологий.