Вероятно, в какой-то момент, когда критическая масса развитых квантовых технологий, нашего понимания физики и экспертизы перевалит некую черту, начнется эра полностью квантовых машин. В частности, физикам из МГТУ удалось за 2023 год создать прототип квантового процессора на базе сверхпроводников и разные компоненты квантовых устройств. В данном обзоре новостей представлены последние открытия в физике и астрофизике. Мировые новости экономики, финансов и инвестиций.
Физика: 10 научных прорывов 2023 года со всего мира
Это одна из фундаментальных проблем на пути к квантовому компьютеру, которую пытаются решить ученые всего мира. Квантовая коррекция ошибок была теоретически открыта в 1995 году, она предлагает средства для борьбы с декогерентностью, используя избыточность. То есть кодирует кубит в системе большего размера, уменьшая тем самым ее способность взаимодействовать с тем, с чем не нужно. Авторам нового исследования удалось более чем удвоить время жизни квантовой информации. Их кубит с исправлением ошибок жил 1,8 миллисекунды да, в квантовом мире все происходит быстро.
Результата помог добиться новый алгоритм машинного обучения, добавленный к физическим расчетам: умея анализировать массивы данных, недоступные человеку, он настроил процесс исправления ошибок.
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. 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. У поставленного эксперимента была и другая цель — убедиться, что сравнительно большие сверхпроводящие системы могут обладать квантовыми свойствами.
Хорошо, но хотя бы протоны с нейтронами твердые. Но при ближайшем рассмотрении те и другие распадаются на кварки. А Большой адронный коллайдер демонстрирует, что и кварк — это не «частица», а некая одномерная колеблющаяся струна. Получается, все вокруг - это энергия, колебания, а «твердое вещество» - своего рода иллюзия. Фантасты гадают, может, мы живем в Матрице, и мир — лишь компьютерная симуляция? На самом деле и гадать не надо, по сути так и есть. Мир «твердых предметов» удобен и комфортен. Взял стакан, поставил на стол, никуда он не денется. Но есть проблема: он иллюзорен, и мы его сами создали под нас, под возможности наших органов чувств. Да, мы в Матрице, которую сотворили природа и наш мозг. В прошлом году международная группа ученых доказала: мир иллюзорен, и у каждого наблюдателя своя «голограмма». Им удалось воплотить «в железе» мысленный эксперимент, предложенный физиком Юджином Винером. Винер утверждал: если один видит, что знаменитый кот Шредингера мертв, друг этого наблюдателя увидит, что кот жив. Это назвали «парадокс друга Винера». Ученые с огромным трудом синтезировали шесть пар специальных фотонов, и оказалось: ничто во Вселенной не является «состоявшимся», «твердо установленным», пока информация об этом не обошла всю Вселенную. А, поскольку Вселенная велика, все вокруг по сути существует в неком подвешенном состоянии. Моя книга упала со стола. Но, пока информация об этом не дошла до самой далекой галактики, моя книга находится в квантовой суперпозиции где-то между столом и полом. Когда случился Большой взрыв, мир был очень прост, состоял из чистой энергии, и описывался одной формулой. Но Вселенная расширялась, остывала, и из первоначально единой энергии выделились гравитация, электромагнетизм, сильные и слабые взаимодействия два последних «держат» вместе элементарные частицы в атомном ядре. Все запуталось, и теперь физики пытаются распутать запутанное, найти формулу Единого, того, с чего все началось. Термин «запутанность» остро актуален в современной физике. Вы наверняка слышали о квантовой запутанности. Скажем, два кванта «дружат», взаимодействуют, а потом разлетаются по разным уголкам Вселенной. Но связь сохраняется навсегда. Если что-то случится с одним, другой в точности повторит состояние первого. Причем он «узнает» об этом мгновенно, быстрее скорости света. Это уже не теория: инженеры вот-вот представят новое поколение связи, которая заменит Интернет и сотовую телефонию, а опыты по квантовой запутанности в хороших школах учитель показывает просто на столе. Чтобы «пощупать» то, Единое, надо вернуться в состояние Большого взрыва, когда господствовали колоссальные энергии. А где, как? Пока что лучший инструмент — Большой адронный коллайдер. Протон в коллайдере — больше, чем протон. Мы почти научились превращать его в первоматерию, накачивая колоссальными энергиями. Тут на сцену выходят страхи, что мы устроим черную дыру в центре Европы, или спровоцируем «эффект бабочки», и все вокруг расплывется, как на картинах Сальвадора Дали. Если вы думаете, что это досужие разговоры, а сами физики не обсуждают это за чашкой кофе, то заблуждаетесь. Что из этого следует? Дежавю, исчезающие предметы, двойники, которые понятия не имеют о существовании друг друга, призраки — все это может оказаться проявлением неизвестных частиц и энергий. Просто пока нет инструмента, чтобы это измерить. Не хватает энергии. Или нужен в принципе другой инструмент. Вообразим, например, что есть такое понятие, как «душа», у нее есть энергия, и есть частицы, которые эту энергию переносят. Слово «душа» все чаще фигурирует в исследованиях физиков. Упомянутый Джо Дэвис говорит о «термодинамической душе»: это «энергетическая память» хоть человека, хоть камня, которая делает одушевленной всю Вселенную. Идея одушевленности мира следует из принципов квантовой механики: фотон каким-то образом «сознательно» выбирает свой путь от лампы до страниц вашей книги. Если попытаться проконтролировать дорогу каждого фотона, они поменяют свое поведение — «ребята, за нами следят». Разумно и «частицу души» искать на больших энергиях. А что это за энергии?
До революции квантовых вычислений доживут не все квантовые стартапы, которым удалось выйти на публичный рынок. Природа квантовых технологий делает их полезными для решения трудоемких задач с огромным количеством переменных. Квантовые вычисления потенциально: улучшат финансовое моделирование и повысят эффективность электрических батарей. Например, для обычных суперкомпьютеров существуют неразрешимая задача сортировки потенциальных кандидатов на получение лекарств - для решения потребуется время вычислений, превышающее текущую продолжительность жизни Вселенной". Новое исследование противоречит мнению Альберта Эйнштейна. Точный механизм пока не определен, но эксперименты новых нобелевских лауреатов доказывают, что квантовая теория действительно описывает естественный мир и что запутанность существует. Это открытие подготовило почву для совершенно новой отрасли вычислительной техники. Сейчас идет гонка за разработкой первых коммерческих квантовых компьютеров, на карту которых потенциально поставлены огромные богатства. Новые небольшие публичные компаний, занимающихся квантовыми технологиями, будут испытывать трудности с получением значительного дохода в течение многих лет. Однако в какой-то момент квантовые технологии изменят мир.
Прорыв уровня Эйнштейна? Создана теория, которая может объяснить весь мир
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. 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.
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. 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. 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.
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. 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. 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 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. 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.
Между тем, как и любые процессы в этом мире, химические реакции подвержены законам квантового мира. Учёные впервые выяснили, до какой степени можно пренебрегать ими при изучении химических процессов и как квантовые явления в химических реакциях влияют на физический мир. Ионы пробивают энергетические барьеры для химической связи с молекулами. Поэтому всё сводится к пренебрежению квантовыми эффектами и к решению задач только с позиции классической физики. Подобное приближение удобно для практического применения в повседневной жизни, но не позволяет разобраться в ряде фундаментальных процессов мироустройства.
Очевидно, что для изучения квантовых явлений в химических реакциях необходимо придумать и поставить эксперимент, который был бы подтверждён теоретическими выкладками. Эффект туннелирования оказался одним из наиболее удобных кандидатов на постановку такого эксперимента, но на его организацию потребовались годы планирования. Опыт удался у команды исследователей из Университета Инсбрука, о чём они сообщили в свежем выпуске журнала Nature. Для опыта был выбран изотоп водорода дейтерий, который поместили в ионную ловушку и охладили, после чего заполнили ловушку газообразным водородом. За счёт сильного охлаждения отрицательно заряженным ионам дейтерия не хватало энергии для химической реакции с молекулами водорода.
Тем не менее, отдельные ионы дейтерия вступали в реакцию с молекулами водорода, чего не могло быть с точки зрения классической физики. По их количеству мы можем сделать вывод о том, как часто происходила реакция».
Например, в МГУ работает «квантовый телефон» для связи между ректоратом и другими отделениями университета, сейчас специалисты внедряют видеоформат такой связи. Другой пример: учёные МГУ и РФЯЦ-ВНИИЭФ запускают проект по созданию квантовой космической связи — платформы с небольшими низкоорбитальными спутниками, которые обмениваются с наземным терминалом квантовой информацией для обеспечения безопасной связи.
Эта перспективная технология решает проблемы защищенной передачи информации на большой территории России; выведение первого пробного спутника на орбиту запланировано в 2024 году. Мы идёт по пути развития квантовой криптографии - квантового распределения ключе - вплоть до создания квантового интернета. Система работает полностью в автоматическом режиме, когда нет системного администратора, через которого могла бы произойти утечка информации; скорость генерации ключей может быть очень высокой, мастер-ключ может меняться тысячу раз в секунду, хотя и раз в минуту — вполне достаточная скорость для большого числа приложений, — отметил научный руководитель Центра квантовых технологий МГУ Сергей Кулик. Физик кратко упомянул и развитие технологий квантовой сенсорики — измерительных приборов на основе квантовых эффектов.
Научная программа НЦФМ включает три направления исследований, посвящённых развитию вычислительных и информационных технологий. В рамках НЦФМ специалисты развивают одну из квантовых субтехнологий — квантовые коммуникации. Планируется создать квантовую сеть на основе сертифицированного оборудования, а также существенно продвинуться в области квантовой космической связи. В марте 2023 года состоялсяexternal link, opens in a new tab первый научный семинар НЦФМ, посвящённый развитию технологии рентгеновской литографии в России.
Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними.
В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда чем точнее можно локализовать частицу в пространстве , тем более неопределенной становится длина волны тем меньше можно сказать об импульсе частицы. Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это энергия и время протекания квантовых процессов.
Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот — точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности. Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее — и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде.
Так существует ли она вообще? Взялись объяснять,а на самом деле только наврали. При столкновении могут получаться разные частицы и не обязательно три. Поэтому он ощущает огромные скорости и траектории частиц как некую единую сущность-они сливаются для него в нечто единое. Следует признать, ничто во вселенной не имеет постоянных и точных характеристик!
Но взаимодействие этих относительно локальных сгустков энергий,называемых человеком частицами, бесконечно более сложно и,в пределе,не может быть осознано человеком. Вселенная-это энергия-пространство,она едина-все процессы в ней взаимосвязаны. И выделение из вселенной для исследования какого-либо пространства, превращает это пространство в виртуальное, так как при этом обрывается бесконечное количество связей этого пространства со всей вселенной. Все сформулированные человеком законы действую всегда только в соответствующих постулированных им виртуальных "пространствах" с введенным в них необходимыми параметрами и их свойствами. Нужно осознать бесконечные ограничения человека при поступательном познавании вселенной.
Вселенная строго детерминирована ,но она всегда была и будет иррациональна-непознаваема для него. И у человека на данном этапе развития нет даже никаких идей,объясняющих энергетические процессы в этом и других физических пространствах микрокосмоса. И то,что "о частице нельзя сказать ничего определенного", еще раз подтверждает иррациональность энергетических процессов вселенной. Человек описывает процессы вселенной, используя термины: относительность, неопределенность, парадоксы,вероятности.. А наступление и существование всех событий,предсказанных любыми законами, поэтому всегда вероятностно.
А в сути это представление могли бы задавать нам смыслы нашего сознания и этику жизнесосуществования.
Он защищает квантовый бит информации, кодируя его в системе большего размера, чем в принципе необходимо для представления одного кубита. IBM 16 Qubit Processor. Фото: Flickr Однако эта более крупная система делает влияние окружающей среды еще более агрессивным, а закодированный кубит — более хрупким. Из-за этого эффекта и осложнений, связанных с дополнительными компонентами для исправления ошибок, этот процесс не продливал срок службы квантового бита на практике. Исследователи говорят, что на самом деле безубыточность даже с неисправленным кубитом — редкое событие.
Вопреки теоретическим обещаниям, в большинстве экспериментов исправление ошибок ускоряет декогерентность квантовой информации. Что сделали ученые? В ходе эксперимента ученые впервые показали, что увеличение избыточности системы, активное обнаружение и исправление квантовых ошибок обеспечило повышение устойчивости квантовой информации. Это больше, чем просто демонстрация принципа», — объясняет физик. Группе ученых удалось более чем удвоить время жизни квантовой информации. Их кубит с исправлением ошибок жил 1,8 миллисекунды — в квантовых вычислениях все происходит быстро.
Ключевую теорию квантовой физики наконец-то доказали. Главное
Ожидается, что Intel первой добьется коммерциализации 2-нм чипов. TSMC будет применять 2-нм техпроцесс в чипах для iPhone, но затем предложит передовые полупроводники и другим компаниям. Согласно ранее озвученным планам Samsung, компания сначала начнет массово производить 2-нм чипы для мобильных устройств, начиная с 2025 года, а затем в 2026 году начнет выпускать продукты для высокопроизводительных вычислений. Rapidus открывает фабрику по производству 2-нм чипов в городе Титосэ на Хоккайдо, Япония.
Пилотную производственную линию планируют ввести в эксплуатацию в апреле 2025 года, а массовое производство обещают начать в 2027 году. Лебедева Российской академии наук и руководитель научной группы «Масштабируемые ионные квантовые вычисления» Российского квантового центра, а также лауреат Национальной Премии в области будущих технологий «ВЫЗОВ» в номинации «Перспектива» стал гостем нового выпуска Kuji подкаста. Илья поговорил с Андреем Коняевым и Тимуром Каргиновым о квантовом компьютере, трансформации искусственного интеллекта и закате человечества.
Фото 1931 года. А вот стоит их потревожить и сместить с комфортной позиции, как они немедленно начинают что-то поглощать или излучать. Это и есть очень вкратце суть теории атома Бора. А потом в 1924 году француз Луи де Бройль довёл науку до заключения, которое, честно говоря, до сих пор воспринимается как нечто либо волшебное, либо просто-напросто жуткое а может быть, и то и другое : что не только электрон или фотон, но и вообще ЛЮБАЯ ЧАСТИЦА одновременно является волной. То есть словосочетание "корпускулярно-волновой дуализм" само по себе несколько холодит душу, но, если попытаться вдуматься в его смысл, становится ещё хуже. И ещё через три года этому последовало вящее доказательство.
Вот пожалуйста. Пучок электронов пропущен через некое препятствие, в котором два просвета. И попал на этот экран. Но почему-то на экране в итоге получается вот такое нечто, которое рисуется только при распространении волн. Дифракция электронов. Вот в этом научно-популярном фильме физик Джим Аль-Халили объясняет, что будет, если из особой пушки через такое же препятствие с двумя просветами стрельнуть всего лишь ОДНИМ-единственным электроном.
Но как только сие непонятно что сталкивается с беспросветным препятствием — превращается в добропорядочную частичку.
Они устроены таким образом, что ошибки в их работе автоматически корректируются, что позволяет вести сложные и длительные вычисления при их помощи. В 2023 году сразу несколько научных коллективов разработали квантовые процессоры на базе большого числа логических кубитов. Опыты с этими вычислительными машинами впервые на практике продемонстрировали то, что использование логических кубитов действительно позволяет уменьшать частоту появления ошибок при длительной работе компьютера. Один из самых масштабных проектов такого рода, квантовый компьютер на базе 48 логических кубитов, был создан в США группой Михаила Лукина, профе ссора Гарвард ского университета.
Их новая методика позволяет генерировать определенные запутанные состояния в массиве кубитов — строительных блоков квантовых компьютеров. Изменения в одной из них мгновенно влияют на другую, независимо от расстояния. Понимание запутанности имеет решающее значение для использования истинной силы квантовых компьютеров. Ранее создание и изучение конкретных запутанных состояний в мультикубитных системах было чрезвычайно сложной задачей.
Квантовая механика
Одним из самых ярких открытий является новость о том, что команда National Institute of Standards and Technology (NIST) представила новое устройство, которое может стать переломным моментом в разработке квантовых компьютеров. Квантовая физика – это раздел физики, который изучает поведение элементарных частиц на микроуровне, используя квантовую механику. Новости науки и техники/. Новости физики в сети Internet: май 2023 (по материалам электронных препринтов). квантовая физика — самые актуальные и последние новости сегодня.
Новости по теме: квантовая физика
| Новости физики в Интернете за декабрь 2023. УФН | Квантовая физика называется разделом теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-силовые системы, взаимодействия и законы их движения. |
| квантовая физика: самые последние новости и статьи — Профиль. Страница 1 | свежие новости дня в Москве, России и мире. |
Будущее квантовых компьютеров: перспективы и риски
Статья Квантовая физика, Квантовые точки принесли ученому из России Нобелевскую премию, Разработан первый в мире квантовый аналог механического двигателя. Главным научным прорывом 2023 года в области квантовой физики стала разработка и проверка работы сразу нескольких квантовых компьютеров, способных автоматически корректировать случайные ошибки, возникающие в процессе их работы. Или построить новые методы долгосрочной защиты информации на основе квантовой и постквантовой криптографии, которые будут устойчивы к широкому классу атак, поскольку их надёжность сводится к фундаментальным законам физики. Статья Квантовая физика, Квантовые точки принесли ученому из России Нобелевскую премию, Разработан первый в мире квантовый аналог механического двигателя.
Эфир существует! Российские ученые совершили прорыв в фундаментальной физике
Это делает сенсоры более портативными и надежными и позволяет снизить общую стоимость мониторинговой системы. В планах разработчиков — создание компактных квантовых сенсоров для использования при пограничном контроле, мониторинге инфраструктуры и окружающей среды 362 views Квантач 2-нм чипы появятся уже в следующем году На фоне бума ИИ-технологий особенно важным становится производство передовых полупроводников. Компании Samsung, TSMC и Intel планируют освоить 2-нм техпроцесс и начать массовое производство в 2025 году, а Rapidus — только открыть пробное производство. Ожидается, что Intel первой добьется коммерциализации 2-нм чипов. TSMC будет применять 2-нм техпроцесс в чипах для iPhone, но затем предложит передовые полупроводники и другим компаниям. Согласно ранее озвученным планам Samsung, компания сначала начнет массово производить 2-нм чипы для мобильных устройств, начиная с 2025 года, а затем в 2026 году начнет выпускать продукты для высокопроизводительных вычислений. Rapidus открывает фабрику по производству 2-нм чипов в городе Титосэ на Хоккайдо, Япония.
Как полагают многие физики в мире, дальнейшее развитие квантовых компьютеров потребует создания систем, способных автоматически находить и корректировать случайные ошибки в их работе. Подобные сбои неизбежно возникают в работе кубитов, квантовых ячеек памяти и примитивных вычислительных блоков в результате их взаимодействия с объектами окружающего мира. Ученые обнаружили, что эти случайные сбои в работе квантовых компьютеров можно подавить, если использовать для расчетов так называемые логические кубиты, виртуальные квантовые ячейки памяти, состоящие из нескольких соединенных друг с другом физических кубитов.
Они устроены таким образом, что ошибки в их работе автоматически корректируются, что позволяет вести сложные и длительные вычисления при их помощи. В 2023 году сразу несколько научных коллективов разработали квантовые процессоры на базе большого числа логических кубитов.
Фотонные инь и ян Команда ученых из Оттавского университета Канада и Римского университета Сапиенца визуализировала квантовую запутанность, использовав метод бифотонной голографии. Голография позволяет построить трехмерное изображение с двумерной поверхности на основе излучаемого предметами света. Камера с временной меткой отсняла с разрешением порядка наносекунды на каждом пикселе пару запутанных фотонов, визуализировав их «танец» в реальном времени. Картинка напоминает символ инь и ян. Такие голограммы позволят определять волновую функцию запутанных квантовых частиц, что необходимо для точного предсказания их поведения.
Основное преимущество модульных квантовых компьютеров заключается в том, что их можно постоянно модифицировать, добавляя процессоры, серверы и проч. Этот путь мы прошли за четыре года.
Что интересно, о существовании "кота" можно узнать только если открыть оба "ящика" — в противном случае наблюдатель увидит набор не связанных друг с другом фотонов. Используя данную "клетку", физики смогли создать чрезвычайно больших котов Шредингера, состоявших в общей сложности из более 80 фотонов. Это приближает нас к реализации макроскопической версии эксперимента, в которой мы смогли бы видеть "кота" невооруженным глазом. С ее помощью физики смогут понять, почему мы не видим проявлений "странностей" квантовой механики в повседневной жизни. По словам Шоелкопфа, их "кот" в первую очередь будет интересен физикам, занимающимся разработкой квантовых компьютеров, так как его клетка является одновременно и ячейкой квантовой памяти с пока рекордным сроком работы, и прибором для коррекции ошибок при квантовых вычислениях.
Новости квантовой физики
В 1964 году физик Джон Белл придумал, как различить в эксперименте две версии квантовой механики — ортодоксальную и со скрытыми параметрами. Позднее он стал работать на стыке атомной физики и квантовой оптики, занявшись изучением бозе-эйнштейновских конденсатов и разработкой методов глубокого охлаждения атомов с помощью лазерных пучков. Новости науки и техники/. Ученые МФТИ совершили прорыв в области квантовой физики.
Физики обнаружили гигантский невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе
Он отметил, что особую ценность представляет то, что в 2023 году впервые сразу на нескольких платформах физикам удалось экспериментально продемонстрировать то, что увеличение числа физических кубитов, входящих в состав логических квантовых битов, действительно улучшает качество работы и стабильность этих ячеек памяти и элементарных вычислительных блоков квантового компьютера. Другим важным "квантовым" физическим прорывом года, как добавил директор Международного центра теоретической физики имени Абрикосова Москва Алексей Кавокин, было создание австрийскими физиками первого в мире квантового повторителя сигналов на базе ионов кальция. По его словам, эта разработка значительно приблизила мир к созданию всемирной сети квантовых коммуникаций и к разработке распределенных квантовых вычислительных систем, чьи компоненты удалены друг от друга на очень большие расстояния. О квантовой коррекции ошибок Многие физики в настоящее время предполагают, что дальнейшее развитие квантовых компьютеров потребует создания систем, способных автоматически находить и корректировать случайные ошибки в их работе.
Результат теор. Яркие пятна — это бозе-эйнштейновские конденсаты экситонных поляритонов. Конденсат Бозе — Эйнштейна был получен в полупроводниковом микрорезонаторе, содержащем слой нового кристаллического материала диселенида молибдена толщиной в один атом. Локализация света в слое такой малой толщины была достигнута впервые. В результате этого исследования могут быть созданы новые типы лазеров, основанные на двумерных кристаллах, позволяющие создавать кубиты — квантовые транзисторы, основу квантового компьютера, работающего на светожидкости. Руководитель лаборатории оптики спина СПбГУ профессор Алексей Кавокин Важно понимать: как не раз отмечал ученый, квантовые компьютеры называют сегодня атомной бомбой XXI века, ведь они открывают огромные возможности не только в области, например, создания новых лекарств, но и в области кибератак.
Имея компьютер с такими мощностями, можно разгадать практически любой шифр, поэтому перед учеными сегодня также стоит важная задача защиты квантовых устройств — квантовой криптографии, в которой открытия Алексея Кавокина и его коллег также играют очень важную роль. Сегодня Алексей Кавокин возглавляет лабораторию оптики спина имени И.
Теория скрытых переменных предполагает, что парадоксы квантовой механики являются следствием неполноты описания природы — отсюда якобы и следует вероятностный характер квантовых предсказаний. Сторонником такой интерпретации был и Эйнштейн, которому приписывают максиму «Бог не играет в кости». В 1960 году Джон Стьюарт Белл вывел математическое неравенство, носящее теперь его имя. Оно чётко формализует эту проблему: если существуют скрытые переменные, корреляция между результатами значительного количества измерений не может превысить некоторого предела. А квантовая механика, в свою очередь, утверждает, что в экспериментах определённого типа неравенство Белла нарушается, то есть возможна более сильная корреляция квантовых частиц.
Он работал с атомами кальция, которые могут излучать спутанные фотоны при облучении их светом с определёнными свойствами. Сущность экспериментов была в измерении поляризации двух фотонов в спутанной паре при помощи специальных фильтров. После целой серии измерений удалось показать, что неравенство Белла нарушается. Ален Аспе Alain Aspect из университета Париж — Сакле и Высшей школы политехники развил схему эксперимента, устранив некоторые подводные камни. Он использовал новый способ возбуждения атомов, так, что удалось добиться более высокой интенсивности испущенных фотонов. Более важно, что он нашёл способ переключения схемы измерения после того, как спутанная пара вылетает за пределы источника. В этом случае исключается влияние на корреляцию фотонов со стороны самой установки, которая существовала в момент запуска пары.
Во всех случаях серьёзным недостатком таких решений было и остаётся необходимость сильнейшего охлаждения запутанных частиц, что было также в случае схемы французских учёных. 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. 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. 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.
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. 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. 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. 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. 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. 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.