Группа китайских учёных перенесла на квантовый уровень принцип работы четырёхтактного двигателя. Разработка обещает сказать новое слово в создании нанороботов атомарного масштаба. Учёные пока не сошлись в едином мнении о сути процессов, однако публикация в журнале Nature Communications однозначно говорит о потенциале работы.

Источник изображения: Pixabay

Считалось, что чем сильнее проявляются квантовые свойства ионов, тем выше эффективность молекулярного теплового двигателя. Исследователи из Гуанчжоуского института промышленных технологий, Чжэнчжоуского университета и Мичиганского университета показали, что эффект зависит не только от «накачки» иона, но также от умелого подавления его квантовых характеристик. Точнее, для наиболее эффективной работы — выделения энергии ионом — требуется комбинировать как возбуждение, так и подавление ряда его квантовых характеристик.

Исследователи воздействовали на ион кальция лазерным излучением разной интенсивности и разной частоты. При этом интенсивность выделения энергии ионом в виде потока фотонов менялась таким образом, что наибольший КПД был отмечен в режиме «четырёхтактного» двигателя, когда «нагрев» и «охлаждение» чередовались в определенном порядке. До этого о росте КПД с использованием подавления квантовых свойств ионов ничего не было известно.

«Наше исследование в основном направлено на демонстрацию. Для того чтобы действительно производить пригодные для использования молекулярные двигатели или обеспечивать энергией нанороботов, нам необходимо найти подходящую рабочую среду, подобно водяному пару в паровом двигателе», — говорится в заметке об изобретении в издании SCMP.

Такая условная среда была обнаружена в процессе разностороннего воздействия на ион кальция с помощью лазера. Конечно же, это не пар. Это комплекс явлений, в котором энергия извне (с помощью лазера) трансформируется в локальную работу. Теперь учёным необходимо придумать, как использовать это явление на практике, а также обнаружить наиболее эффективные режимы облучения для выработки максимального КПД, как при «нагреве», так и при «охлаждении».

Экспериментально и самим фактом существования квантовых вычислителей убедительно доказано, что квантовая физика работает совсем не так, как то, что мы видим и ощущаем вокруг себя в обычном мире. Сложно понять, как единица информации может быть одновременно любым значением между 0 и 1, но в квантовом мире это так. И если существуют суперпозиции состояний, то почему бы не существовать суперпозициям процессов, подумали учёные? Например, будущего и прошлого.

Источник изображения: Pixabay

На сайте ArXiv появились две научные статьи, поводом для написания которых стали эксперименты с обратимым вектором времени в мире квантовых частиц. Две независимые группы учёных — одна из Оксфордского университета, а другая из Венского университета — в серии экспериментов доказали, что фотон можно привести в состояние суперпозиции процессов, идущих в противоположных направлениях времени. Сразу уточним, что это не путешествие во времени. Однако это может фундаментально изменить представление о течении времени на квантовом уровне, что обещает привести к удивительным открытиям в физике.

В одном из экспериментов фотон был помещен в суперпозицию процессов, когда он двигался через кристалл. Поскольку фотоны не имеют массы, они слабо взаимодействуют с веществом. Это, а также способность фотонов расщепляться в довольно редких процессах позволило сначала математически, а затем экспериментально показать, что фотон может двигаться в кристалле одновременно слева направо, и справа налево. Проще говоря, процессы оказались в суперпозиции, что эквивалентно суперпозиции времени.

Строго говоря, во «встречных потоках времени» двигались две виртуальные частицы, которые были одним реальным фотоном. Учёные измеряли поляризацию фотонов на обоих выходах из кристалла и статистически доказали, что квантовые перевороты времени проявляют себя с большой вероятностью. С настолько большой, что эти процессы можно взять на вооружение, например, при создании квантовых логических элементов.

Как открытие повлияет на будущее квантовых вычислителей, сегодня никто не берётся судить, но простор для этого определённо открывается. Также открываются новые горизонты для пересмотра множества других теорий в квантовой физике, самой значительной из которых может считаться теория гравитационного взаимодействия.

Группа физиков из Университета Квинсленда провела компьютерное моделирование, которое теоретически обосновало наличие у чёрных дыр квантовых свойств. Учёные взяли самую легко вычисляемую и неотъемлемую характеристику чёрной дыры — её массу, и показали, что чёрная дыра может быть одновременно тяжёлой как миллионы солнц и лёгкой как атом. Совсем как легендарный кот Шрёдингера, который и жив и мёртв одновременно.

Источник изображения: NightCafe Creator AI

Гипотезу о дискретных значениях масс чёрных дыр (точнее, допустимых диапазонов масс подобно наличию энергетических уровней электронных орбит), в своё время выдвинул американо-израильский физик-теоретик Яаков Давид Бекенштейн. Новое исследование во многом подтвердило его теорию — математически у чёрных дыр действительно оказался чётко выраженный диапазон допустимых масс. Но что более важно, теоретический эксперимент показал суперпозицию по массам. Проще говоря, чёрные дыры с точки зрения математики (которая никогда не ошибается), имеют разные массы одновременно.

«Мы хотели выяснить, могут ли [чёрные дыры] одновременно иметь дико разные массы, и оказалось, что да, — сказал ведущий автор исследования Джошуа Фу (Joshua Foo), доктор физико-математических наук из Квинслендского университета. — До сих пор мы глубоко не исследовали, демонстрируют ли чёрные дыры некоторые из странных и удивительных свойств квантовой физики».

Если чёрные дыры обладают квантовыми свойствами в отношении масс, то им присущи и другие квантовые свойства. Звучит интригующе, ведь мы до сих пор были уверены, что пересечение мира субатомных частиц с его квантовой механикой невозможно с тем миром, который мы видим и осязаем вокруг себя тем или иным образом. Оказалось, хотя это пока только математика, макрообъекты потенциально могут быть одновременно и живы и мертвы, создавать квантовую запутанность и, как следствие, проявлять квантовую телепортацию.

Нобелевский комитет присудил премию по физике 2022 года Алену Аспе (Alain Aspect), Джону Клаузеру (John F. Clauser) и Антону Цайлингеру (Anton Zeilinger). Исследуя нарушения неравенств Белла, они экспериментировали с запутанными фотонами и проводили работы по квантовой информатике. Церемония награждения состоится 10 декабря.

Источник изображения: nobelprize.org

Исследования всех трёх учёных касаются запутанных квантовых частиц и нарушений неравенств Белла. В шестидесятые годы прошлого века ирландский физик Джон Стюарт Белл (John Stewart Bell) сформулировал неравенства, позволяющие проверить, содержит ли квантово-механическая система скрытые параметры — их невозможно измерить экспериментально, но они влияют на результаты измерений других параметров системы. Если скрытые параметры существуют, то выполняется гипотеза локального реализма, и свойства объекта существуют до их измерения, а сам объект влияет только на своё локальное окружение. Неравенства Белла поддаются экспериментальной проверке — их выполнение и невыполнение дают разные вероятности состояний.

Американец Джон Клаузер в семидесятые годы экспериментально проверил выполнение неравенств Белла и доказал, что они нарушаются, то есть в квантовой механике нет скрытых параметров. Это означает, что её вероятностная природа не является следствием неполного описания.

В начале восьмидесятых французский учёный Аллен Аспе в рамках работы над докторской диссертацией развил идеи Клаузера и смог сделать так, чтобы начальные условия, при которых испускается пара запутанных фотонов, не оказывала влияния на результаты измерений. Аспе также доказал, что неравенства Белла не выполняются.

Наконец, австриец Антон Цайлингер впервые в 1997 году показал возможность квантовой телепортации с использованием запутанных фотонов, то есть изменения поляризационного состояния одной частицы при изменении состояния другой, которая находилась на расстоянии от исходной.

Уже в следующем году Россия может вывести на орбиту свой первый космический аппарат с оборудованием на основе квантовых технологий. Об этом сообщил заместитель директора Центра компетенций НТИ по направлению «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС» Игорь Павлов.

Источник изображений: pixabay.com

Спутнику предстоит распределять квантовые ключи между Москвой и Владивостоком. Они будут использоваться для шифрования информации, которая затем сможет передаваться по различным каналам: посредством мобильной и спутниковой связи, а также через проводные линии.

«Мы в рамках работ по НТИ делали наземный приёмник, и также у нас есть партнёр — компания, которая занимается как раз разработкой оборудования для спутника. Спутниками у нас занимаются "Роскосмос", "Газпром космические системы", а мы разрабатываем оборудование, которое на спутник будет устанавливаться. Первые запуски будут, наверное, в 2023 году уже», — приводит «Газета.Ru» заявления господина Павлова.

В ближайшие пять лет запуски квантовых спутников будут осуществляться в академических целях — для оценки финансовых затрат и тестирования технологии. Затем может быть принято решение о покрытии такой сетью всей территории России.

Добавим, что квантовые коммуникации обеспечивают высочайшую степень защиты информации. Дело в том, что незаметно похитить данные, передающиеся по квантовым каналам, невозможно в силу фундаментальных законов физики.