Теги → физика
Быстрый переход

Способность графена сохранять сверхпроводимость в сильных магнитных полях выведет медицину и квантовые вычисления на новый уровень

Физики Массачусетского технологического института (MIT) заметили признаки редкого типа сверхпроводимости в материале, который называется «повёрнутый под "магическим углом" трёхслойный графен». Материал сохранял сверхпроводимость в магнитном поле силой 10 Тесла, что невозможно для обычных сверхпроводников. Подобное свойство может помочь значительно улучшить разрешение сканеров МРТ и привести к появлению помехоустойчивых квантовых компьютеров.

Сверхпроводимость в графене в представлении художника. Источник изображения: MIT

Сверхпроводимость в графене в представлении художника. Источник изображения: MIT

Аппараты МРТ в настоящее время ограничены магнитными полями от 1 до 3 Тесла. Если бы они могли быть построены из сверхпроводников с более сильной устойчивостью к магнитным полям, то сканеры МРТ могли бы получать более чёткие и глубокие изображения человеческого тела. То же самое относится к квантовым компьютерам. Сильные магнитные поля разрушают квантовые состояния кубитов и делают невозможным значительное масштабирование систем. Поможет ли с этим новое открытие, пока неясно, но надежда на прорыв всегда остаётся.

В своём эксперименте учёные из МИТ и их коллеги из японского Национального института материаловедения, проверили воздействие магнитного поля на три уложенных друг на друга слоя графена. Средний слой графена физики повернули на угол 1,56 градуса по отношению к внешним слоям. Это так называемый «магический» угол, при котором графен приобретает новые свойства, например, становится сверхпроводником. Применив к этому бутерброду постоянный магнит, учёные обнаружили, что магнитное поле постепенно подавляет эффект сверхпроводимости, но позже она возвращается и не пропадает вплоть до напряжённости 10 Тесла (более сильного магнита в лаборатории не нашлось, так что это может быть не предел материала).

Физики считают, но пока не уверены в этом, что электроны в повёрнутом под «магическим углом» трехслойном графене приобретают спин-триплетный характер — они образуют куперовские пары с полным спином равным 1. В обычном сверхпроводнике электроны в куперовских парах отталкиваются (их полный спин равен 0) и плохо сопротивляются внешнему магнитному полю. В спин-триплетных сверхпроводниках — редчайшем типе сверхпроводников — куперовские пары за счёт более сильного сцепления электронов остаются устойчивы к внешним магнитным полям и не теряют сверхпроводимости до довольно сильных значений напряжённости.

Если физикам удастся доказать, что повёрнутый под «магическим углом» трехслойный графен — это спин-триплетный сверхпроводник, то это откроет путь к новым сверхпроводящим материалам, что расширит область применения этого эффекта.

Учёные из Швейцарии приблизились к тому, чтобы квантовые явления можно было увидеть и даже «пощупать»

Выявлять квантовые эффекты на уровне атомов и элементарных частиц — это непростая и труднореализуемая задача. Постичь всегда лучше то, что можно наблюдать и точно измерить. В идеале необходимо заставить квантовые эффекты возникать на макроуровне — на уровне классической физики. Этой проблемой занялись исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и преуспели.

Зелёная точка в центре — это стеклянная наносфера. Источник изображения: ETH Zurich

Зелёная точка в центре — это стеклянная наносфера. Источник изображения: ETH Zurich

На днях в опубликованной в журнале Nature статье группа авторов под руководством профессора фотоники ETH Zurich Лукаса Новотны (Lukas Novotny) сообщила о квантовом эксперименте со стеклянной наносферой диаметром 100 нм. Это объект нашего родного макроскопического мира, хотя он в сотни раз тоньше человеческого волоса. В то же время крохотный шарик из стекла содержит десять миллионов атомов и не может (и не должен) проявлять квантовые эффекты. Но учёные создали шарику из стекла условия, при которых он может повести себя как электрон или одиночный атом. В частности, шарик может повести себя как волна, а не только как частица, и это явление возможно наблюдать едва ли не воочию.

Задача исследователей заключалась в том, чтобы замедлить стеклянный шарик как совокупность всех атомов до квантового состояния с наименьшей энергией. В таком состоянии частицы остаются стабильны и позволяют наблюдать волновые свойства. Для этого шарик поместили в вакуумную камеру и охладили до температуры 269 °C ниже нуля. Тепловое движение атомов сферы значительно снизилось, но для проявления шариком квантовых эффектов необходимо более сильное охлаждение, с чем исследователи пока не справились.

Пока же учёные испытали на наносфере возможность замедления с использованием электромагнитных колебаний. В вакууме в подвешенном состоянии наносфера удерживается в оптической ловушке, которую создаёт лазерный луч. Другой луч позволяет точно измерять колебания наносферы, а обратная связь с электродами позволяет в заданные моменты времени включать электромагнитные поля для гашения колебательных движений сферы. Примерно так в обычной жизни мы раскачиваем или тормозим качели — создаём ускоряющий или тормозящий импульс в нужные для решения задачи моменты времени.

Наносфера в лазерной ловушке может быть заторможена до проявления квантовых эффектов. Источник изображения: ETH Zurich

Наносфера в лазерной ловушке может быть заторможена до проявления квантовых эффектов. Источник изображения: ETH Zurich

Если учёные смогут затормозить наносферу до квантового состояния с наименьшей энергией, что придаст шарику квантовомеханические свойства, дальше дело будет за малым. Существуют проверенные в физике эксперименты с двойными щелями, которые проявляют волновые функции частиц. В таких экспериментах электроны или атомы как бы оказываются в двух местах одновременно, проявляя волновые свойства. На деле речь идёт о явлении интерференции, когда разные части волны проходят через две разнесённые в пространстве щели и на выходе создают характерную картинку. Подобную картинку учёные рассчитывают увидеть в эксперименте со стеклянной наносферой, что станет доказательством квантового явления на макроуровне.

Классический двухщелевой опыт. Источник изображения: Wikipedia

Классический двухщелевой опыт. Источник изображения: Wikipedia

Добавим, даже сегодня у таких не доведённых до конца экспериментов огромный потенциал. На основе таких наносфер и околоквантовых явлений можно создавать датчики ускорения и перемещения, которые будут точнее отслеживать перемещение объектов, чем все GPS вместе взятые. Особенно такое любят военные, но это уже другая история.

Китайцы создадут самый мощный в мире лазер, чтобы синтезировать неизвестную материю

Исследовательская группа в Шанхае обещает через два года запустить лазерную установку Station of Extreme Light (SEL) рекордной мощности. Лазер SEL сможет излучать импульс мощностью 100 петаватт, что в 10 000 раз превышает мощность всех электрических станций на Земле. Учёные рассчитывают, что столь мощный импульс позволит из «ничего» синтезировать материю с неизвестными свойствами.

Источник изображения: Chinese Academy of Sciences

Источник изображения: Chinese Academy of Sciences

По данным китайских источников, сейчас Шанхайский институт оптики и точной механики располагает лазером мощностью 10 петаватт. Недавно сделанное учёными открытие позволяет увеличить мощность лазерного импульса в 10 раз — до 100 петаватт. Сделать это поможет предложенный китайцами метод расщепления луча на цветовой спектр с последующим усилением каждой отдельной длины волны и последующей «сборкой» в один мощный луч.

Традиционно один мощный луч лазера собирался из нескольких лучей меньшей мощности. Связано это с тем, что фокусирующее и отражающее оборудование — линзы, призмы и зеркала — не выдерживают сверхэкстремальных энергетических ударов (температур). Первоначально шанхайский проект Station of Extreme Light предполагал использовать четыре лазера для достижения нового рекордного показателя мощности импульса. Открытие возможности расщепить дифракционной решёткой луч на несколько спектральных составляющих с последующим усилением каждой из них и финальной сборкой в единый поток позволило свести дело к одному источнику лазерного импульса.

Новый способ значительно упростит и удешевит создание лазера рекордной мощности, а чем проще установка, тем надёжнее она в настройке и эксплуатации. Учёные обещают, что SEL заработает в 2023 году и позволит как добиться новых открытий в фундаментальной физике, так и помочь с поиском новых материалов, новых лекарств и в других областях.

Добавим, сейчас самым мощным лазером в мире располагают учёные из Южной Кореи. К сожалению, сравнимых данных по китайскому проекту Station of Extreme Light пока нет, поэтому напрямую сравнить китайскую и южнокорейские установки нельзя.

Учёные узнали тайну перовскита — этот минерал оказался новым состоянием материи

«Русский» минерал перовскит оказался очень и очень непрост, что вновь подтвердило его углублённое исследование. Обнаруженный около 180 лет назад в уральских горах минерал показывает высокую эффективность как в фотоэлектрических панелях, так и в светодиодных источниках света. Но учёные до сих пор не могут понять до конца почему. Новое исследование пролило немного света на эту тайну. Выяснилось, что перовскит представляет собой новое состояние материи — невероятно.

Графическое представление образования квантовой капли в кристаллической структуре перовскита. Источник изображения: Colin Sonninchsen

Графическое представление образования квантовой капли в кристаллической структуре перовскита. Источник изображения: Colin Sonninchsen

Фотоэлементы из перовскита раз за разом показывают всё лучший и лучший КПД, хотя его кристаллическая структура изобилует дефектами, если сравнивать этот минерал с кристаллическим кремнием и другими полупроводниками. Этот момент всегда ставил исследователей в тупик: почему минерал с дефектами в решётке работает лучше, чем вещество с идеальной кристаллической решёткой? Поэтому именно данный аспект заинтересовал группу учёных с кафедры химии Университета Макгилла (государственный исследовательский университет, расположенный в городе Монреаль, провинция Квебек, Канада).

С помощью насосно-зондовой микроскопии — одного из методов нелинейной оптической визуализации для изучения химических реакций — учёные пронаблюдали за поведением перовскита в динамике, и выяснили, что деформация в кристаллической решётке минерала ведёт не к затуханию энергии, а к её общему увеличению. Это как если бы на батут бросить камень и он постепенно не замер бы в его центре, а наоборот раскачался бы и улетел куда-нибудь.

Подобное «неестественное» поведение перовскита учёные объяснили тем, что его кристаллическая решётка деформируется вслед за движением электрона и ведёт себя подобно жидкости. В процессе движения электрона через минерал возникают и объединяются две квазичастицы — поляритон и экситон. Это похоже по результатам на образование в материале квантовой точки. Точнее, квантовой капли, если говорить о свойствах перовскита, присущих жидкостям.

Утверждается, что такого поведения вещества ещё не наблюдалось, и это стоит отдельного открытия, не говоря о том, что понимание фундаментальных физических процессов в перовскитах поможет значительно улучшить их использование в фотопреобразователях. Добавим, исследование было опубликовано в журнале Physical Review Research.

В Южной Корее запустили самый мощный в мире лазер, который поможет раскрыть множество загадок физики

Южнокорейские учёные создали мощнейшую в мире лазерную установку. Интенсивность импульсов установки равна всему падающему на Землю свету Солнца, сфокусированному в луч диаметром 10 микрон. Колоссальная энергия импульсов на микрометровой мишени позволит ставить эксперименты, которые помогут проникнуть в суть взаимодействия света и материи, что откроет дорогу для новых направлений в фундаментальной физике. Научные открытия польются рекой.

Источник изображения: CoReLS

Источник изображения: CoReLS

Много лет подряд мощнейшим импульсным лазером оставалась установка в США — титаново-сапфировый лазер HERCULES в Университете штата Мичиган. На своём пике «Геркулес» развивал 1022 Вт на см2. Исследователи из Центра релятивистской лазерной науки Южной Кореи (CoReLS) смогли на порядок превзойти это достижение и сообщили о создании импульсного лазера с мощностью 1023 Вт на см2.

Длительность импульсов таких лазеров очень и очень маленькая — всего несколько фемтосекунд, а размеры мишени в ширину в 50 раз меньше диаметра человеческого волоса и составляют 1,1 мкм.

Для достижения рекордной интенсивности пришлось до предела усложнить оптическую систему фокусировки и очень точно контролировать волновой фронт импульсов. Например, в качестве зеркал были использованы так называемые деформирующие зеркала, которые компенсировали малейшие искажения при фокусировке импульсов.

Источник изображения: CoReLS

Источник изображения: CoReLS

«Этот высокоинтенсивный лазер позволит нам в лаборатории исследовать астрофизические явления, такие как электрон-фотонное и фотон-фотонное рассеяние, — сказал Нам Чхан-хи (Chang Hee Nam), директор CoReLS и профессор Института науки и технологий Кванджу. — Мы можем использовать его для экспериментальной проверки и получения доступа к теоретическим идеям, некоторые из которых были впервые предложены почти столетие назад».

Интересно отметить, что подобные лазерные установки могут использоваться для лечения онкологических больных. Лазерный импульс огромной интенсивности выбивает из мишени протоны, которые применяются для лучевой терапии.

Физики сделали шаг по направлению к квантовому жёсткому диску

Учёные из Чикагского университета провели эксперимент по приведению множества молекул в единое квантовое состояние. Фактически они создали квантовое явление, которое можно наблюдать, изучать и которым можно управлять на макроуровне. Практическую пользу эксперимента можно представить как создание чистого листа бумаги, на котором можно будет записывать квантовую информацию — это открытие, которое трудно переоценить.

Множество молекул, котрые ведут себя как один квантовый объект. Источник изображения: Chin Lab

Множество молекул, которые ведут себя как один квантовый объект. Источник изображения: Chin Lab

Атомы и их квантовые состояния трудно поддаются изучению по многим причинам, главной из которых была и остаётся крайняя миниатюрность объекта исследования. На макроуровне изучать квантовые явления могут помочь молекулы и группы молекул, состоящие из многих ядер. Но остаётся проблема придать всему множеству молекул в массиве единое квантовое состояние. Помочь в этом может такое явление, как перевод вещества в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна.

В состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна облако атомов с низкой плотностью охлаждается до уровня чуть выше абсолютного нуля, после чего все они переходят в одинаковое квантовое состояние, и всё облако может рассматриваться как единый квантовый объект.

Физикам из Чикагского университета удалось создать рекордно большой массив из молекул в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна. Для этого массив молекул охладили до рекордно низкой температуры в 10 нанокельвинов, что помогло объединиться в молекулы большему числу атомов. Также молекулы были заключены в единую плоскость, что дольше удерживало их в стабильном состоянии. Конечным результатом эксперимента стал двумерный молекулярный конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из нескольких тысяч молекул с одинаковыми ориентацией и частотой колебаний.

Если подобным образом использовать специальные молекулы, например, с чётко выраженной магнитной ориентацией, то станет возможным управлять квантовым объектом — записывать и считывать информацию. Это прямой путь к квантовым носителям данных, по которому можно двигаться дальше, и который приведёт к новым открытиям и возможностям.

«Это идеальная отправная точка, — сказал один из авторов исследования. — Например, если вы хотите построить квантовые системы для хранения информации, вам нужен чистый лист, на котором можно писать, прежде чем вы сможете форматировать и хранить эту информацию».

Российские учёные обнаружили, как фотоны могут помочь в создании многопроцессорных квантовых компьютеров

Российские учёные из НИТУ «МИСиС» в составе международной группы исследователей доказали возможность эффективного взаимодействия между микроволновыми фотонами. Эти частицы не могут взаимодействовать напрямую, поэтому физики нашли обходной путь — заставили фотоны влиять друг на друга с помощью массива сверхпроводящих кубитов. Это открытие приближает создание коммерческих квантовых компьютеров.

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

По словам учёных, сверхпроводящие кубиты являются идеальным решением для взаимодействия с фотонами. «Использование сверхпроводящих кубитов, которые, по сути, являются рукотворными атомами, объясняется тем, что для данного типа объектов характерно очень сильное взаимодействие со светом. Обычные атомы намного меньше, чем длина волны. Взаимодействие обычного света с естественным атомом довольно слабое», — поясняет один из авторов исследования, заведующий лабораторией «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС» и руководитель группы в Российском квантовом центре, профессор, доктор физ.-мат. наук Алексей Устинов.

Серия экспериментов на специально созданной установке показала, что в процессе взаимодействия с массивом сверхпроводящих кубитов в спектре фотонов возникает интервал частот, в котором волновод становится непрозрачным (происходит отражение фотонов). Иначе говоря, учёные могли заставить фотон двигаться либо по одному пути (волноводу), либо по другому. То есть, появляется возможность управлять поведением фотонов — кодировать его и с помощью этого механизма передавать с фотоном информацию.

Сделанное открытие особенно важно, поскольку массивы сверхпроводящих кубитов заключены в ограниченный по объёму криостат с температурой близкой к абсолютному нулю. Передача квантовой информации с помощью фотонов между несколькими такими криостатами подобна работе многопроцессорных конфигураций. Это позволяет надеяться на хорошее масштабирование квантовых вычислителей и на работу в кластерах.

Чуть больше о сделанном открытии можно прочесть на сайте НИТУ «МИСиС». Также работа по теме опубликована в издании npj Quantum Materials и свободна для прочтения.

Тёмную материю будут искать с помощью датчика на квантовом бите

Предполагается, что подавляющее большинство материи в окружающей нас Вселенной — это тёмная материя. Считается, что на видимую и осязаемую материю приходится всего около 15 %, а остальные 85 % [тёмной] материи ещё ни разу не удалось определить. Учёные из США предложили схему эксперимента, которая может помочь экспериментально обнаружить существование тёмной материи, для чего они предложили использовать сверхпроводящий кубит.

Физики из лаборатории Ферми и Чикагского университета разработали новый эксперимент, в ходе которого можно будет поискать две гипотетические частицы, предложенные в качестве кандидатов в тёмную материю — это тёмные фотоны и аксионы. Первые могут смешиваться с обычными фотонами, но при этом должны обладать массой, а вторые способны в определённых условиях распадаться на два фотона.

Каждый из этих кандидатов потенциально могут проявить себя там, где обычных фотонов быть не должно. Тёмный фотон может спонтанно превратиться в обычный, а аксионы, как сказано выше, при взаимодействии с магнитным полем могут испускать два обычных фотона.

Схема эксперимента. Кубит возвращает 1 если в резонаторе появился фотон. Источник изображения: Akash Dixit, University of Chicago

Схема эксперимента. Кубит возвращает 1 если в резонаторе появился фотон. Источник изображения: Akash Dixit, University of Chicago

Исследователи разработали устройство, которое блокирует обычные фотоны и усиливает любые фотоны, которые могут возникнуть при взаимодействии с темной материей (тёмными фотонами или аксионами). В схему детектирования входит сверхпроводящий микроволновый резонатор из алюминия чистотой 99,9999 %. Внутри резонатора находится антенна в виде сверхпроводящего кубита. Именно она обнаруживает фотоны в резонаторе, если они там вдруг появятся из «ниоткуда».

Резонатор и кубит охлаждены до температуры очень и очень близкой к абсолютному нулю — до –273,1 °C (абсолютный нуль находится на уровне –273,15 °C). Система способна фиксировать фотон до 50 раз в течение 500-мкс времени жизни этой частицы, что необходимо для надёжного подтверждения его появления в изолированном резонаторе.

Антенна с кубитом. Источник изображения: Reidar Hahn, Fermilab

Антенна с кубитом. Источник изображения: Reidar Hahn, Fermilab

В идеале, говорят исследователи, температуру резонатора и кубита надо было опустить до –273,14 °C, тогда фоновый шум и его влияние на кубит были бы полностью ликвидированы, но технологически сегодня этого сделать не представляется возможным.

Отметим, эксперимент по охоте за тёмной материей пока не поставлен. Это пока лишь концепция, о которой исследователи рассказали в издании Physical Review Letters.

ЦЕРН построит контейнеры для накопления и перевозки антивещества

Благодаря научной фантастике мало кто не знает об антивеществе. И хотя оно экспериментально обнаружено около 70 лет назад, учёные знают об антиматерии крайне мало. В окружающем нас мире антивещество самостоятельно не образуется, а полученное на ускорителях не хранится и с трудом поддаётся изучению. Чтобы узнать об антивеществе больше, ЦЕРН запустила проект по созданию контейнеров для накопления и транспортировки антиматерии.

Принципиальное устрйоство для улавливания антипртонов. Источник изображения: CERN

Принципиальное устройство для улавливания антипротонов. Источник изображения: CERN

В ЦЕРНе антивещество в виде антипротонов создаётся бомбардировкой пучком протонов из лабораторного синхротрона по металлической мишени. На выходе установки антипротоны обладают энергией порядка 3500 МэВ (миллионов электронвольт), поэтому их замедляют до медленных или «холодных» антипротонов, иначе они трудно поддаются изучению. Замедлитель антипротонов снижает энергию этих античастиц до 5,3 МэВ, что происходит вследствие прохождения пучка антипротонов через тонкий лист металлической фольги.

Однако даже этого недостаточно, поэтому ЦЕРН в специальном комплексе Extra Low ENergy Antiproton (ELENA) с накопительным кольцом с помощью плазмы замедляет антипротоны до 90 КэВ. Недостатком уже созданных установок остаётся то, что их производительность катастрофически мизерна. Для создания одного нанограмма антивещества, например, потребовалось бы тысячи лет работы установки.

Антивещество необходим перевозить из комплекса ELEA в ЦЕРН в комплекс лабораторий ISOLDA. Источник изображения: CERN

Антивещество необходимо перевозить из комплекса ELEA в ЦЕРН в комплекс лабораторий ISOLDA. Источник изображения: CERN

Ещё одной проблемой остаётся то, что в месте производства антипротонов слишком «шумно» от фоновых магнитных и электрических полей от работающего оборудования. Но перевести антипротоны для изучения в другое место так просто нельзя. Они не должны контактировать с обычным веществом, иначе произойдёт аннигиляция с выделением колоссальных объёмов энергии и гамма-излучения.

Для накопления и транспортировки антивещества на другие научные объекты для изучения, в частности, в комплекс ISOLDE в ЦЕРН, запущен проект по разработке двух экспериментальных установок: BASE-STEP и PUMA. Одна из установок будет улавливать и высвобождать антипротоны, а другая — накапливать. Габариты будущей накопительной системы должны позволить транспортировать антивещество на небольшом грузовике.

Опытная установка BASE-STEP. Источник изображения: CERN

Опытная установка BASE-STEP. Источник изображения: CERN

Установка BASE-STEP — это так называемая ловушка Пеннинга с однородным статическим магнитным полем и пространственно неоднородным электрическим полем. Ловушка охлаждается жидким гелием и должна быть приспособлена для перевозки. Длина установки будет достигать двух метров, а вес — одной тонны. Хранилище антипротонов — PUMA — это двухзонная ловушка внутри сверхпроводящего магнита соленоидного типа весом в одну тонну, внутри которого создаётся вакуум и поддерживается температура до четырех градусов выше абсолютного нуля. Генерируемое магнитом поле будет удерживать антипротоны, не позволяя им контактировать с веществом в течение длительного периода времени.

Ввод нового оборудования для транспортировки и хранения антивещества планируется в 2023 году. Перевозки будут осуществляться на небольшие расстояния в пределах комплекса ЦЕРН. Изучение антипротонов в лабораторных условиях поможет сделать много новых научных открытий. В этом можно не сомневаться.

Немецкие физики обосновали возможность туннелей в пространстве-времени

Червоточины, кротовые норы или туннели в пространстве-времени для мгновенного перехода из одной точки вселенной в другую — это непременный атрибут космической фантастики. Новое исследование немецких физиков утверждает, что такие туннели действительно могут существовать. Более того, в своей работе они смогли теоретически обосновать существование червоточин и приблизились к возможному пониманию этого явления.

Червоточина в представлении художника. Источник изображения: scitechdaily.com

Червоточина в представлении художника. Источник изображения: scitechdaily.com

Исследование проведено международной группой физиков во главе с доктором Хосе Луисом Бласкес-Сальседо (Jose Luis Blázquez-Salcedo) из Университета Ольденбурга с публикацией выводов в научном журнале Physical Review Letters. В своей работе физики представили новую теоретическую модель образования и существования червоточин, которая делает микроскопические червоточины более обоснованными, чем в предыдущих теориях.

Червоточины, как и черные дыры, появились в уравнениях общей теории относительности Альберта Эйнштейна, опубликованной в 1916 году. Важным постулатом теории Эйнштейна стало то, что Вселенная имеет четыре измерения — три пространственных измерения и время как четвертое измерение. Вместе они образуют то, что известно как пространство-время, и это пространство-время может быть растянуто и искривлено массивными объектами, такими как звезды. А раз возможно искривление, то нельзя исключать такой конфигурации континуума, когда две крайне отдалённые точки пространства могут сближаться до близкого расстояния.

«С математической точки зрения такой короткий путь был бы возможен, но никто никогда не наблюдал настоящую кротовую нору», — объясняют физики. Предыдущие модели предполагают, что единственный способ сохранить червоточину открытой и пройти сквозь неё — это использовать экзотическую форму материи, которая имеет отрицательную массу или, другими словами, весит меньше нуля, и которая существует только в теории. Но новая работа демонстрирует на своей модели, что червоточины можно также преодолевать без таких материалов.

Исследователи выбрали сравнительно простой «полуклассический» подход. Они объединили элементы теории относительности с элементами квантовой теории и классической теории электродинамики. В своей модели для путешествия сквозь червоточины они рассмотрели определенные элементарные частицы, в частности электроны. В качестве математического описания было выбрано уравнение Дирака с включением в модель Поля Дирака. Сочетание квантовой теории и теории относительности допустило условие, при котором материя в виде заряженных электронов может преодолевать червоточины без последствий. Это не про космические корабли, но электромагнитное излучение, а значит — связь, может оказаться реальностью для мгновенной передачи данных из одного уголка Вселенной в другой.

Для суперкомпьютеров будущего учёные предложили ненастоящие молекулы из несуществующих частиц

Исследователи Сколтеха и их коллеги из Кембриджского университета выяснили, что квазичастицы поляритоны можно представлять в виде сложных структур, напоминающих молекулы. Такие искусственно генерируемые «молекулы» потенциально могут стать основой квантового суперкомпьютера будущего, скорость вычисления и энергоэффективность которого экспоненциально превзойдут возможности современных устройств.

Источник изображения: Physical Review B Letters

Источник изображения: Physical Review B Letters

Поляритоны — это несуществующие частицы (квазичастицы), которые возникают в процессе взаимодействия фотонов с элементарным возбуждением среды, в данном случае — с электронным возбуждением в полупроводниках, диэлектриках или металлах. Такое возбуждение тоже представляется квазичастицей или экситоном. Тем самым исследователи говорят о «молекулах» из экситонных поляритонов (светоэкситонах).

Источник изображения: Physical Review B Letters

Источник изображения: Physical Review B Letters

В ходе исследования выяснилось, что экситонно поляритонные конденсаты — относительно устойчивые квазиобразования в полупроводниках — способны объединяться в кластеры с самыми причудливыми, но устойчивыми формами. По своему поведению такие образования ведут себя подобно молекулам, хотя последние состоят из атомов, а первые — из взаимодействий квазичастиц. Подобное различие не стало помехой тому, чтобы представить квазичастицы в виде «молекул» со всеми вытекающими особенностями. Например, «молекулы» из квазичастиц можно синтезировать с высокой предсказуемостью результата вплоть до получения заданных структур. Такими структурами могут быть элементы для переключения и переноса данных, а участие во всём этом фотонов обещает низкое рассеивание энергии и более высокие скорости передачи данных.

Источник изображения: Physical Review B Letters

Источник изображения: Physical Review B Letters

«В ходе дальнейшего исследования мы обнаружили, что такие состояния [комбинации поляритонных конденсатов] могут принимать самые разные формы, которыми можно управлять, настраивая отдельные физические параметры системы. На основе этих наблюдений мы сделали предположение о существовании "искусственных поляритонных молекул" и предложили исследовать возможности их использования в квантовых информационных системах», — сказал один из авторов исследования Александр Джонстон.

Добавим, чуть подробнее об исследовании на русском языке рассказывается на сайте Сколтеха. Прочесть можно по этой ссылке.

Российские физики открыли новый принцип квантового переключения для электроники — это может продлить жизнь закону Мура

Теоретическая работа по изучению квантовых контактов во внешнем осциллирующем электромагнитном поле привела к интересному открытию, которое может лечь в основу будущей наноэлектроники. Выявленные процессы могут найти применение при производстве электронных схем с «транзисторами» атомарного размера. Может так случиться, что закону Мура дадут жизнь на квантовом уровне.

Результаты теоретического исследования квантовых контактов во внешнем осциллирующем поле группа российских физиков вместе со своими зарубежными коллегами опубликовала в журнале Physical Review B при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Квантовые контакты, о которых идёт речь, это очень и очень маленькие двумерные точечные переходы между двумя проводниками. Размеры таких контактов не больше нескольких длин волн электрона, что сопоставимо с размерами атома. Создать такой контакт можно с помощью двумерного электронного газа, если его поместить между двумя массивными проводниками. Электроны в таком газе могут свободно двигаться только в двух направлениях.

Чтобы свести размеры контакта до ещё меньших размеров, на электронный газ воздействуют внешним запирающим электромагнитным полем и чем сильнее потенциал на затворе, тем уже контакт. Это решает задачу создания настолько малого контакта между проводниками (перехода в виде двумерной области), что в нём начинают проявляться интересные квантовые явления.

Одним из таких явлений стало то, что перетекание электронов через точечный квантовый контакт из одного проводника в другой — процесс выравнивания потенциалов — оказался управляемым и управление это легко реализовать. Физики теоретически вывели, что если повышать частоту внешнего электромагнитного поля, внутри которого находится контакт, то при определённом значении частоты ток через контакт перестаёт течь. Это как если бы в двух сообщающихся сосудах с разным уровнем воды потрясли соединительный патрубок, и вода перестала бы течь в ёмкость с меньшим уровнем. На макроуровне это невозможно представить, а на квантовом вполне может работать.

Китайский оператор начал предоставлять услуги звонков с квантовым шифрованием

Один из трёх государственных телекоммуникационных гигантов Китая — компания China Telecom — объявил о новой пилотной программе, позволяющей пользователям смартфонов совершать телефонные звонки, защищённые квантовым шифрованием. Услуга доступна с первого января в провинции Аньхой, но к предоставлению будут допущены особые клиенты, а не все желающие подряд.

Источник изображения: AP

Источник изображения: AP

Сообщается, что в процессе совершения защищённого вызова генерируются два секретных ключа с использованием «квантовой информационной технологии». Ключи используются для проверки личности звонящего и информации о вызове, обеспечивая сквозное шифрование.

Судя по всему, ключи генерирует некая квантовая система в оборудовании оператора, но речь явно не о квантовой криптографии, которая опирается на квантовое распределение ключей. Поэтому услугу China Telecom не следует путать с квантовой криптографией.

Для получения этой услуги абонент должен получить особую SIM-карту и установить приложение «Квантовый безопасный вызов» компании. Специального телефона (оборудования) на стороне абонента не нужно, что ещё раз подтверждает тот факт, что говорить о мобильной квантовой криптографии слишком рано.

Источник изображения: gizchina.com

Источник изображения: gizchina.com

На этом фоне настоящим квантовым смартфоном выглядит прошлогодняя разработка Samsung — смартфон Galaxy A Quantum. В этот смартфон, по крайней мере, встроен чип генерации случайных чисел, основанный на элементах квантовой физики, а предложение China Telecom, вероятно, опирается на генерацию случайных чисел для сложных паролей на базе удалённого оборудования. Поэтому ни о каком квантовом шифровании, как оно сегодня понимается, речь не идёт.

Тем не менее, тенденция к появлению систем коммуникации с квантовой защитой демонстрирует уверенный рост. На горизонте маячат квантовые вычислители, которые грозят крахом современным алгоритмам шифрования. Противостоять этой угрозе могут только решения, основанные на квантовой физике. Пока в виде паролей на основе «абсолютно» случайных генераторов чисел, а позже — на базе квантового распределения ключей.

В России появилась Национальная квантовая лаборатория, которая займётся квантовыми вычислениями

Государственная корпорация «Росатом» объявила о запуске нового федерального проекта — Национальной квантовой лаборатории (НКЛ): инициатива нацелена на развитие технологий квантовых вычислений и укрепление позиций России в соответствующей области на мировом рынке.

Новая структура объединит усилия и ресурсы ключевых университетов, научных центров, технологических компаний, финансовых организаций, стартапов и команд-разработчиков в области создания квантовых компьютеров. Участники создаваемого консорциума займутся развитием необходимой инфраструктуры для проведения работ в области квантовых вычислений, а также обеспечат подготовку кадров.

Национальная квантовая лаборатория на текущий момент объединяет семь структур: СП «Квант» (организация Росатома), НИУ «ВШЭ», НИТУ «МИСиС», МФТИ (НИУ), Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Российский квантовый центр и Фонд «Сколково». К участию в работах приглашаются другие заинтересованные компании и организации.

Сообщается, что в рамках проекта на территории Сколково будет построен центр нанофабрикации площадью 2000 м2. Кроме того, планируется развернуть передовой лабораторный комплекс площадью более 3500 м2.

«Опыт мировых лидеров в области квантовых вычислений показывает, что добиться значительных результатов можно, только создав национальные программы с поддержкой на самом высоком государственном уровне. Запуск НКЛ — ключевой шаг для развития всей отечественной индустрии квантовых технологий», — отмечают участники проекта. 

В России создан прототип самой чувствительной видеокамеры в мире

Около пятнадцати лет в России производятся однопиксельные счётчики одиночных инфракрасных фотонов собственной разработки. Эти решения открывают путь к квантовой связи и к квантовым компьютерам. А если из таких датчиков собрать матрицу из сотен или тысяч пикселей, то появится возможность сверхчувствительной инфракрасной видеосъёмки и масса новых применений в медицине, науке, сфере безопасности и не только. В России такую матрицу сделали.

Прототип камеры. Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

Прототип камеры. Источник изображения: НИТУ «МИСиС»

В основе прототипа сверхчувствительной инфракрасной видеокамеры лежит разработка российского физика Григория Гольцмана на базе Центра НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ «МИСиС». В начале 2000-х Гольцман предложил однопиксельный счётчик одиночных инфракрасных фотонов и создал компанию «Сконтел» для коммерческого продвижения разработки. Датчики «Сконтел» успешно используются в опытной российской аппаратуре для организации распределения квантовых ключей в защищённой связи. Но теперь учёный с коллегами пошёл дальше — они намерены создать видеокамеру со сверхчувствительной матрицей на 1000 пикселей.

Подобная камера, если её сделать, позволит не только видеть практически в полной темноте, но даже «смотреть» сквозь горные породы и тело человека, показывая, соответственно, расположение минералов и раковых опухолей. Также массивы сверхчувствительных пикселей помогут продвинуться в создании квантовых компьютеров и систем квантовой связи.

Представленный сегодня группой разработчиков «МИСиС» прототип состоит всего из восьми пикселей. На следующем этапе учёные планируют создать 1000-пиксельную матрицу, принцип организации и управления которой они как раз обкатывают на восьмипиксельном прототипе. Но даже на этапе прототипа, сообщают исследователи, аналогов этой разработке в мире сегодня нет.

Для получения изображений с камеры с большим разрешением, чем допускает матрица, учёные собираются применить интересный метод фиксации фотонов. Для этого матрица будет последовательно закрываться разными шаблонами, а результирующее изображение будет получено после суммирования всех паттернов. Таким образом 1000-пиксельная матрица может вывести картинку, состоящую из миллиона пикселей, и на это уйдёт довольно мало времени. Это особенно важно для приборов медицинского назначения, помогающих диагностировать онкологические заболевания.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥