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.

Теоретически предсказанное явление альтермагнетизма (altermagnetism) впервые получило подтверждение в научном эксперименте. Международная группа учёных наблюдала магнитный вихрь в материале, который никогда не проявлял магнитных свойств. Таких материалов может быть сотни, и это — возможность тысячекратно уплотнить магнитную запись данных и совершить новый прорыв в вычислениях.

Источник изображения: Oliver Amin/University of Nottingham

Альтермагнетики сочетают в себе — в едином материале — полезные свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Они потенциально могут привести к тысячекратному увеличению быстродействия микроэлектронных компонентов и цифровой памяти, будучи при этом более надёжными и энергоэффективными. Это третий класс магнетизма, который до этого года существовал лишь в моделях.

Старший научный сотрудник Оливер Амин (Oliver Amin), возглавлявший эксперимент и являющийся соавтором исследования, сказал: «Наша экспериментальная работа обеспечила связь между теоретическими концепциями и реализацией в реальной жизни, что, как мы надеемся, откроет путь к разработке альтернативных магнитных материалов для практического применения».

Магнитные свойства материала зависят от ориентации спина его электронов. В ферромагнитных материалах, таких как железо, которые обладают сильной реакцией на магнитные поля, спины всех электроны выровнены в одном направлении. В антиферромагнетике, в случае другого типа магнетизма, спины соседних электронов направлены в противоположных направлениях и, следовательно, нейтрализуют друг друга, поэтому материал в целом не реагирует на внешнее поле. В случае нового типа магнетизма спины электронов на соседних позициях также разнонаправлены, но эти направления постоянно и симметрично поворачиваются.

Новое экспериментальное исследование было проведено на международной установке MAX IV в Швеции. Это ускоритель электронов или синхротрон, который генерирует рентгеновские лучи. Рентгеновские лучи направляются на магнитный материал, и электроны, испускаемые поверхностью образца, регистрируются с помощью специального микроскопа. Это позволяет получить изображение магнетизма в материале с разрешением вплоть до наноразмерных. В образце теллурида марганца — на его поверхности — учёные обнаружили циркулирующие магнитных вихри, которые укладываются в теоретические предсказания по альтермагнетизму.

Теллурид марганца, вероятно, не подойдёт для промышленного применения явления, хотя другой немагнитный полупроводник — антимонид хрома — вполне может им стать. Физики предсказывают, что более 100 соединений будут проявлять немагнитное поведение. За последний год опубликовано около 200 работ по альтермагнетизму, что говорит об интересе и нужде в новой и более плотной технологии записи данных. С такой активностью учёных нельзя исключать, что уже через 10 лет альтермагнетизм заявит о себе в виде коммерческого продукта. А вдруг?

ЦЕРН сообщил, что научная коллаборация ALICE впервые обнаружила самые тяжёлые на сегодня экзотические частицы и их антиподы из антивещества. Учёных давно волнует проблема, по какой причине в нашем мире много материи и практически полностью отсутствует антиматерия. Материя и антиматерия должны были появиться в равных пропорциях, но в какой-то момент после Большого взрыва что-то пошло не так и антивещество почти исчезло из Вселенной. Ответ ищут в БАКе.

Источник изображения: Janik Ditzel / ALICE collaboration

Ранее в этом году коллаборация STAR на релятивистском коллайдере тяжёлых ионов (RHIC) наблюдала антигиперводород-4 (antihyperhydrogen-4). Это связанные состояния антипротона, двух антинейтронов и антилямбды. Всё это антиматерия, эксперименты с которой позволяют разобраться в причинах дисбаланса вещества и антивещества во Вселенной. В коллаборации ALICE, работающей в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (БАК), решили пойти дальше и найти следующий по тяжести атом и его версию в виде антивещества.

Примечательно, что обнаружить следы новых частиц помог искусственный интеллект. Учёные взяли данные по экспериментам 2018 года, где на БАК сталкивались два пучка ионов свинца. Программа впервые смогла выявить признаки антигипергелия-4 (antihyperhelium-4) — антиматерии по отношению к экзотическому гипергелию-4. Атом антигипергелия-4 состоит из двух антипротонов, антинейтрона и антилямбды. Полученный результат имеет значение в 3,5 стандартных отклонения (сигма), а также представляет собой первое свидетельство существования самого тяжёлого гиперядра из антивещества, когда-либо полученного на БАКе.

Также в данном разборе было обнаружено ядро антигиперводорода-4 со стандартным отклонением на 4,5 сигма. Сотрудники ALICE подтвердили открытие своих коллег и смогли измерить выходы и массы обоих гиперядер. Надо сказать, что впервые гиперядра были обнаружены около 70 лет назад при распаде в атмосфере космических частиц. Учёные могут только завидовать космической энергии таких частиц, уровень которой едва ли возможно повторить в земных лабораториях.

К слову, антигипергелий-4 возник на БАК при энергии столкновений 5,02 ТэВ (тераэлектронвольт), что просто меркнет на фоне рекордных регистраций космических частиц с энергией в сотни эксаэлектронвольт, а это разница до восьми порядков.

Зарегистрированный учёными выход антигипергелия-4 равен единице, что означает, что он поровну образуется с атомами гипергелия-4. Учёные снова убедились, что вещества и антивещества во Вселенной должно быть поровну. Ищем причину асимметрии дальше.

Швейцарские учёные впервые придали кубиту осязаемые физические черты. Вместо ионов, атомов и электромагнитных ловушек они предложили кубит на основе резонирующей пьезоэлектрической мембраны. Тем самым учёные значительно повысили время когерентности кубита, в течение которого он дольше остаётся в состоянии суперпозиции. Это открывает возможность проводить с ним квантовые вычисления или использовать его в качестве сверхчувствительного датчика

Два серых прямоугольника слева — это сверхпроводящий кубит, а точка справа — резонатор. Источник изображения: ETH Zürich

Учёные давно научились транслировать квантовые свойства элементарных частиц и атомов в состояния кубитов для вычислений или измерений. Однако эти методы страдают от высокой вероятности ошибок и крайне малого времени удержания квантовых состояний, что затрудняет свободное манипулирование ими. Было бы заманчиво воспроизвести квантовые состояния на макроскопическом уровне, обучив систему реагировать на изменения на микроуровне. Этого удалось добиться исследователям из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zürich).

Учёные объединили сверхпроводящий кубит и пьезоэлектрический резонатор. Предложенное решение позволило транслировать состояние суперпозиции в резонансные колебания мембраны. По сути, это первый полностью механический кубит, утверждают исследователи. В ходе серии экспериментов они доказали, что устройство способно реагировать на одиночные фотоны. Время когерентности механического (точнее, акустического) кубита значительно превышает время когерентности «бозонных» кубитов и напрямую зависит от типа используемых сверхпроводящих материалов.

На следующем этапе учёные намерены проверить предложенный ими механический кубит в составе вычислительных схем квантового компьютера, а также использовать его в качестве сенсора для различных измерений.

Перевод сверхвысоких и высоких частот в слышимые ухом человека звуки — это не просто развлечение или новый вид искусства. Для учёных это возможность по-новому изучить массив тех или иных данных, что может привести, если не к новым открытиям, то к лучшему пониманию процессов. Поэтому мы можем натурально услышать пение звёзд, чёрных дыр и ветра из плазмы. Теперь мы также можем услышать пение магнитного поля Земли во время странного события 41 тыс. лет назад.

Источник изображения: European Space Agency

Тогда, в самом начале верхнего палеолита, магнитное поле Земли «внезапно» — в течение нескольких сотен лет — совершило обратимую смену полюсов. Происшествие получило в науке название «событие Лашамп». В самый критический момент перехода магнитное поле ослабело примерно до 6 % или даже сильнее, что позволило космическим лучам без помех достигать поверхности планеты и её недр, оставляя свой след в виде ряда изотопов. Собственно, по соотношению этих изотопов учёные теперь реконструируют кратковременный переворот магнитного поля Земли.

Исследователи из Технического университета Дании (Technical University of Denmark) и Немецкого исследовательского центра геонаук (German Research Center for Geosciences) преобразовали динамику и интенсивность смены полюсов в звук, представив его в виде скрежета валунов и скрипа дерева. Они утверждают, что это даёт лучше понять, как происходил этот процесс. Для этого учёные использовали данные наблюдений за полем Земли европейской миссии Swarm и другие, например, геологические.

Звук магнитного поля Земли — это первый случай озвучивания магнитного поля планеты, полученного с использованием данных миссии Swarm. Впервые эту «симфонию» учёные воспроизвели на городской площади в Копенгагене через систему из 32 динамиков. При этом каждый динамик воспроизводил изменения магнитного поля в разных точках мира за последние 100 000 лет.

Нейтрино были теоретически предсказанные ещё в 1934 году. Но эти элементарные частицы продолжают оставаться средоточием научных тайн для учёных. Для углублённого понимания физики этих частиц в США создают гигантский комплекс с системой подземных тоннелей. Чуть больше месяца назад завершились масштабные земляные работы, в ходе которых было извлечено 800 тыс. тонн породы. На очереди подготовка помещений к развёртыванию оборудования, на что уйдут годы.

Источник изображений: techspot.com

Эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) будет включать два детектора нейтрино: ближний и дальний. База между источником мюонных нейтрино в Фермилаб и дальним детектором составит 1300 км. Ближний детектор будет размещён недалеко от источника, а дальний — в Южной Дакоте под Сэнфордской лабораторией. В августе рабочие закончили извлекать грунт под Сэнфордской лабораторией, создав, в том числе под землёй пространство для детектора высотой с 7-этажный дом.

Впечатляющий объём грунта между лабораторным источником нейтрино и дальним детектором, а также специальные камеры для них, содержащие по 17 тыс. т жидкого аргона, нужны для отсеивания нейтрино из других источников (космические и, особенно, солнечные), а также для фильтрации иных элементарных частиц. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом. Им нужны хорошие фильтры и особые детекторы. Например, чтобы повысить вероятность столкновения нейтрино с веществом до 50 % необходимо направить его сквозь сплошную стену свинца толщиной в один световой год. Толща земли, жидкий аргон и другие технические решения призваны создать для детектирования нейтрино в эксперименте наиболее благоприятные условия.

Схема эксперимента. Источник изображения: Wikipedia

Как сообщило недавно Министерство энергетики США, финансирующее проект из бюджета, установка детекторов в дальней части проекта намечена на 2028 год и лишь после этого будет смонтирован ближний детектор. Ранее предполагалось завершить последнюю фазу ввода детектора в строй в 2027 году. Похоже, планы растянутся ещё на годы: от 3 до 5 лет.

В основе ряда нейронных сетей, алгоритмов машинного обучения и искусственного интеллекта лежат глубокие открытия в области физики, о чём сегодня заявили представители Нобелевского комитета Каролинского института Стокгольма. Премия 2024 года за эти заслуги присуждена физику Джону Хопфилду (John Hopfield) и математику Джеффри Хинтону (Geoffrey Hinton).

Источник изображения: nobelprize.org

Джон Хопфилд родился 15 июля 1933 года, а докторскую степень по физике он получил в 1958 году в Корнеллском университете. Джеффри Хинтон родился 6 декабря 1947 года, а в 1978 году получил докторскую степень в Эдинбургском университете в сфере ИИ. Интересно отметить, что Хинтон приходится правнуком известному британскому математику Джорджу Булю (1815–1864). Сейчас он сотрудник Университета Торонто, Канада.

Оба начали плотно работать над нейронными сетями с начала 80-х годов прошлого века. Джон Хопфилд стал известен в 1982 году как изобретатель ассоциативной нейронной сети, получившей его имя. Хинтон изобрёл метод, который позволял автоматизировать процесс извлечения данных для идентификации элементов изображений. Где во всём этом физика?

Для создания нейросети Хопфилд воспользовался известным свойством атомов стремиться к наименьшему значению их энергии. Сеть Хопфилда описывается способом, эквивалентным поведению энергии в системе атомных спинов. Обучение происходит путем нахождения таких значений для соединений между узлами сети, чтобы сохранённые изображения имели низкую энергию. Тогда поиск сводится к такой обработке соединений между узлами, после которой энергия сети снижалась, и это вело бы к обнаружению наилучшего соответствия.

Джеффри Хинтон использовал сеть Хопфилда в качестве основы для новой сети, использующей другой метод: машину Больцмана. С её помощью можно научиться распознавать характерные элементы в данных конкретного типа. Для этого Хинтон использовал инструменты статистической физики, науки о системах, построенных из множества похожих компонентов. Машина обучается путем подачи ей примеров, которые с большой вероятностью могут возникнуть при запуске машины. Машина Больцмана может использоваться для классификации изображений или создания новых примеров (рисунков), на которых она была обучена.

«Работа лауреатов уже принесла наибольшую пользу. В физике мы используем искусственные нейронные сети в широком спектре областей, таких как разработка новых материалов с определенными свойствами», — прокомментировала награждение Эллен Мунс (Ellen Moons), председатель Нобелевского комитета по физике.

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.

Первое описание статического электричества датировано 600 годом до н. э. и было сделано греческим философом Фалесом Милетским. Это кажется невероятным, но физику явления учёные поняли лишь недавно, завершив серию исследований в области возникновения статического заряда. Это открытие может иметь решающее значение для многих областей — от безопасности на производстве до выработки энергии для носимой и подключённой электроники.

Источник изображения: Pixabay

Кошки оказались особенно хороши в генерации статического электричества. Во-первых, их хочется погладить, на чём, собственно, можно было бы и остановиться. Во-вторых, и в основном, всё началось с меха, которым натирали янтарь, о чём упомянул любознательный грек. Поэтому, хотя кошки и не являются главными виновниками возникновения статического электричества, их мех — идеальный проводник, а разрядом чаще всего бьёт их владельцев и сочувствующих.

Точку в изучении секрета возникновения статического электричества поставили учёные из Северо-Западного университета (Northwestern University) в пригороде Чикаго. Они завершили серию начатых в 2019 году исследований этого явления, собрав все необходимые данные для описания физики процесса. Ещё четыре года назад учёные поняли, что ключевую роль в возникновении статического заряда играют наноразмерные деформации поверхности трущихся объектов и процесс скольжения.

В ходе последнего исследования в 2024 году было выяснено, как деформации на наноуровне и скольжение приводят к распределению и накоплению заряда, который выливается в ощутимый «удар током», когда, например, мы гладим кошку. Чем ниже влажность воздуха, тем выше вероятность разряда. Учёные рекомендуют сначала протереть шерсть кошки влажной салфеткой, чтобы избежать статического разряда, если вас это беспокоит.

«Впервые мы можем объяснить тайну, которую раньше никто не мог разгадать: почему трение имеет значение, — пояснил ведущий автор работы Лоуренс Маркс (Laurence Marks), профессор материаловедения и инженерии университета. — Люди пытались, но не могли объяснить результаты экспериментов, делая необоснованные предположения. Теперь мы можем это обосновать, и ответ удивительно прост. Разные деформации спереди и сзади скользящего предмета приводят к возникновению тока».

Для подтверждения результатов экспериментов исследователи создали модель, которая оценивала электрические токи, вызываемые трением. Они назвали это явление «упругим сдвигом». По сути, заряд связан с приложенной силой и трением — как описывает третий закон Ньютона (действие равно противодействию) — и с тем, как заряды смещаются в процессе скольжения. Когда материалы с наноразмерными деформациями трутся друг о друга, они создают разность потенциалов статического заряда между передней и задней кромкой объектов, что приводит к накоплению заряда и, в конечном итоге, разряду.

Источник изображения: Nano Letters, 2024

«Статическое электричество влияет на жизнь как простым, так и глубоко скрытым образом, — сказал Маркс. — Зарядка зёрен статическим электричеством оказывает большое влияние на измельчение кофейных зёрен и их вкус. Земля, вероятно, не была бы планетой без ключевого этапа слипания частиц, образующих планеты, что происходит из-за статического электричества, генерируемого сталкивающимися гранулами. Удивительно, как многое в нашей жизни и во Вселенной зависит от статического электричества».

На практическом уровне существует несколько способов минимизации ударов статическим электричеством, таких как выбор одежды из натуральных волокон, ходьба босиком и повышение влажности в помещении. Влажность ниже 40 % способствует усилению проводимости процесса «упругого сдвига». Если ваша кошка бьёт вас током, особенно зимой, можно нейтрализовать заряд, предварительно погладив её влажной тряпкой. Однако, возможно, лучше получить разряд самому, чем вызвать шок у домашнего питомца, если ему не понравится влажная тряпка. Кошачья шерсть, к сожалению для владельцев, является отличным источником электростатического заряда.

«Поляризация и связанные с ней заряды спереди и сзади трущихся объектов неодинаковы, и разница между ними приводит к протеканию тока, аналогично тому, как разница в давлении воздуха над и под крылом самолёта создаёт подъёмную силу», — поясняют исследователи в статье, опубликованной недавно в журнале Nano Letters.

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!

Международная группа учёных получила самые тяжёлые атомы антиматерии, когда-либо созданные в коллайдере на Земле. Антивещество антигипергидроген-4 появилось в установке RHIC в Брукхейвенской национальной лаборатории. Исследованием руководили китайские учёные, которые сообщили о достижении. Это шаг к новым знаниям, который поможет человечеству продвигаться вперёд в своём развитии.

Источник изображения: Institute of Modern Physics, China

Изучение антиматерии даёт подходы к поиску новой физики или к объяснению дисбаланса в соотношении вещества и антивещества, возникшего вскоре после Большого взрыва. Если бы материи и антиматерии было поровну или они были бы полностью идентичны, за исключением знака заряда, то Вселенная не возникла бы. Произошло бы взаимное уничтожение вещества и антивещества с выделением энергии. Между тем, мы наблюдаем материальную Вселенную вокруг нас, а антиматерия, если и встречается в природе, то в крайне редких случаях. В основном её производят в лабораториях, включая столкновения частиц в коллайдерах.

Как вариант, возникло предположение, что вещество и антивещество могут отличаться по всё ещё неуловимым для наших приборов свойствам, а не только полярностью заряда. Поэтому так важно проводить эксперименты на коллайдерах, изучая все доступные параметры антиматерии в широком спектре веществ. Получение на коллайдере RHIC атомов (ядер) антигипергидрогена-4 относится к таким экспериментам, позволяя измерить массу, энергию и другие свойства конкретно этого антивещества для их сравнения с обычным гипергидрогеном-4.

Полученные в результате работы коллайдера RHIC атомы антигипергидрогена-4 состоят из антипротона, двух антинейтронов и антигиперона. Последние редки в экспериментах (как и гипероны), но, по сути, это чуть более тяжёлые версии антинейтрона. Гипероны и антигипероны отличаются очень малым временем жизни — около одной десятой наносекунды. Поэтому сами по себе ядра антигипергидрогена-4 не обнаруживаются на регистрирующем оборудовании. Зато остаются следы их распада (треки), по которым можно восстановить исходную картину.

Из 6,6 млрд столкновений удалось уверенно идентифицировать всего 16 ядер антигипергидрогена-4. Это немного, но достаточно для оценки их свойств. Исследователи продолжат эксперименты, чтобы набрать больше данных по этому антивеществу — пока самому тяжёлому, которое было получено на коллайдере. Это поможет проверить наши физические теории и, возможно, указать новое направление для их развития, если удастся узнать что-то новое и необычное об антиматерии.

Исследования, за которые была присуждена Нобелевская премия по физике в 2023 году, легли в основу для разработки «аттомикроскопа», способного «задержать» течение времени до шага в одну аттосекунду. Это переводит учёных во временные масштабы жизни электронов — позволяет буквально увидеть их движение, о чём раньше можно было только мечтать. Созданное в Университете Аризоны устройство стало первым, которое обеспечило подобную детализацию субатомного мира.

Представление одного электрона в движении. Источник изображений: Science Advances

В каждой секунде 10¹⁸ аттосекунд. Это намного больше, чем прошло секунд с момента Большого взрыва. Проникнуть в такой масштаб времени означает приблизиться к точным измерениям для нужд квантовых наук и фундаментальных исследований. Ранее рекордом «заморозки» времени был масштаб 43 аттосекунды. Учёные из США создали микроскоп, который сократил его до 1 аттосекунды.

Работа учёных опиралась на достижения нобелевских лауреатов физиков Анн Л'Юилье (Anne L’Huillier), Ференца Крауса (Ferenc Krausz) и Пьера Агостини (Pierre Agostini) «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электрона в материи». Это была мечта множества научных коллективов и, фактически, лишь вопрос времени. Похоже, американцы успели первыми создать «аттосекундный» микроскоп, что не исключает появление подобных приборов в остальных странах.

Блок схема «аттомикроскопа»

Принцип работы устройства учёные описали в статье в журнале Science Advances. В установку подаётся импульс ультрафиолетового лазера. Лазер выбивает из фотокатода сверхбыстрый электронный импульс. По второму каналу подаётся два других лазерных импульса, один из которых поляризуется, а второй служит накачкой для «оживления» электронов в образце. Поляризованный импульс стробирует быстрый электронный импульс и это даёт точку отсчёта для измерений, которые записываются на выходе микроскопа в виде дифракционной картины электронной динамики вещества.

Используя эту технику, команда смогла генерировать электронные импульсы продолжительностью всего в одну аттосекунду, что позволило им наблюдать сверхбыстрое движение электронов, которое обычно невозможно увидеть. Исследователи говорят, что этот прорыв может найти применение в квантовой физике, химии и биологии.

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.

Физики коллаборации FASER впервые смогли получить нейтрино высоких энергий в земной лаборатории. Рукотворные нейтрино были произведены на Большом адронном коллайдере (БАК). Характеристики этих частиц полностью соответствовали Стандартной модели. Учёным впервые удалось буквально пощупать эти неуловимые частицы, что поможет проверять теории в фундаментальной физике и расширять её границы.

Трек нейтрино на фотоэмульсионной плёнке. Источник изображений: FASER

Нейтрино низких энергий регистрируются достаточно давно, например, это могут быть солнечные нейтрино. Также учёные научились регистрировать нейтрино сверхвысоких энергий, приходящие из глубин космоса. Для этого глубоко под землёй или в толще льдов (например, в Антарктике и на Байкале) размещаются детекторы, которые способны уловить эти частицы со сверхвысокой энергией. Полученные результаты соответствуют теории и служат доказательством правоты учёных.

Нейтрино высоких энергий регистрируются крайне редко и никогда не были получены на Земле искусственным путём. Речь идёт о диапазоне энергий от 200–300 ГэВ (гигаэлектронвольт) до 10 ТэВ. Впервые заявка о проникновении учёными в данный диапазон энергий была сделана в марте 2023 года. Что отдельно приятно, за анализ значительной части экспериментов и его теоретическое обоснование надо благодарить российский Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ). Не исключено, что в подготовке новой работы, опубликованной в прошлом месяце в журнале Physical Review Letters, также принимали участие российские физики.

Схема установки с детектором

Исследователи изучили часть объёма детектора FASER𝜈 в эквиваленте около 129 кг (общий вес детектора достигает 1,1 т — его датчики состоят из чередующихся пластинок вольфрама и фотоэмульсии). Учёным удалось выявить четырёх кандидатов в события от взаимодействий электронных нейтрино и восемь кандидатов события от взаимодействий мюонных нейтрино — все с достоверностью выше 5 «сигма», что эквивалентно открытию. Все кандидаты в рукотворные нейтрино были в малоизученном на практике диапазоне энергий от 520 до 1760 ГэВ. Измеренные характеристики частиц полностью соответствуют Стандартной модели, что стало очередным доказательством, что земная наука немного разбирается в том, как устроен наш мир.