Ученые впервые смогли телепортировать частицы на 44 километра
3 года назад 14940
Ученые впервые смогли телепортировать кубиты фотонов через оптоволокно на расстоянии в 44 километра, сообщает журнал PRX Quantum, передает РИА Новости.
Группа исследователей из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, действующей при Министерстве энергетики США, заявила, что во время эксперимента им удалось добиться показателей точности до 90 процентов, подтвержденных в ходе опытов в двух различных сетях.
Специалисты утверждают, что использованная ими технология совместима с современным телекоммуникационным оборудованием, не требует для своего внедрения прокладки дополнительного оптоволокна и в будущем может применяться при создании квантового интернета.
Квантовая телепортация кубита достигается с помощью квантовой запутанности, при которой две или более частицы неразрывно связаны друг с другом. В данном процессе квантовое состояние разрушается в точке отправления при проведении измерения и воссоздается в точке приема.
Китай объединил квантовой связью 700 линий на расстоянии тысяч километров
Китайские ученые создали интегрированную сеть квантовой связи, которая объединяет 700 волоконных и две наземно-спутниковых линии связи, а также реализовали квантовое распределение ключей между более чем 150 пользователи на суммарной дистанции 4,6 тыс. км, сообщает 7 января агентство Синьхуа.
Исследование, руководимое представителем Научно-технологического университета Китая Пань Цзяньвэем, осуществлялось группой ученых в течение последних нескольких лет. Исследование было опубликовано в журнале Nature online.
Сесть состоит из четырех квантовых городских сетей (QMAN), которые затрагивают Пекин, Цзинань, Хэфэй и Шанхай, формируя магистральную оптоволоконную линию протяженностью более 2000 км.
Кроме того, в нее входят две наземно-спутниковые линии, объединяющие наземную станцию Синьлун в Пекине и наземную станцию Наньшань в Синьцзян-Уйгурском автономном районе, расположенного на расстоянии 2600 км, говорится в статье. Синлун также соединена с Пекинской QMAN оптическим волокном.
Основанная на законах квантовой физики, квантовая связь имеет ультравысокую степень защищенности. Прослушка, перехват или взлом информации, проходящей через данные сети, поскольку состояние фотона, проходящего через оптическое волокно «обрушится», как только произойдет попытка прослушки.
Через квантовой сети были осуществлены видеовызовы, аудиовызовы, передача факса, текста и файлов, для технологической верификации и демонстрации технологии в реальном мире, отмечается в документе. Указывается также, что коммерческое использование квантовой связи ожидается уже в ближайшем будущем.
Глобальная квантовая сеть может быть реализована путем подключения большего числа национальных квантовых сетей из разных стран через наземные соединения или каналы связи Земля — спутник, говорится в статье.
В будущем квантовая связь будет применяться в области финансов, политики и национальной обороны. Целая отраслевая цепочка и, в конечном счете, действительно безопасный квантовый интернет станут возможными, заключил Пань.
Ученые обнаружили новый квантовый эффект — спин-вращательную связь
Ученые обнаружили новый квантовый эффект — спин-вращательную связь. Открытие описано в работе ученых из Венского технического университета, опубликованной в журнале Nature Partner Journal Quantum Information.
Эффект, открытый учеными, с точки зрения классической физики выглядит так, будто человек начинает быстро вращаться вокруг своей оси, а затем запрыгивает на вращающуюся карусель.
Исследователи решили проверить, допустим ли такой эффект в квантовой физике. Для этого они провели эксперимент, в котором вращающийся вокруг своей оси нейтрон проходит через область с закрученным и постоянно вращающимся магнитным полем, создаваемым катушкой.
В результате ученые заметили, что спин нейтрона, который фактически не несет никакой массы и может быть описан только квантово-механически, приобретает свойство инерции.
Спин можно рассматривать как момент импульса объекта, который сжимается до некоторой точки. Удивительно, что мы создали чистый квантовый эффект, который не может быть понят классически. Но мы смогли продемонстрировать для очень конкретного случая, что классическая концепция инерции справедлива для спина нейтрона.
Армин Даннер, ведущий автор исследования
Физики провели неразрушающее измерение кубита в квантовой точке
Физики из Австралии и Японии впервые провели квантовое неразрушающее измерение кубита, который состоял из одного электрона в квантовой точке. Ученые показали, что надежность такого измерения составляет более 99,6 процентов. Статья опубликована в Nature Communications.
Существует множество платформ, на основе которых можно построить универсальный квантовый компьютер. Однако, у каждого подхода есть свои недостатки. Например, сверхпроводящие кубиты имеют небольшие времена когерентности по сравнению с другими реализациями, а из холодных атомов трудно построить большой квантовый компьютер.
Квантовые точки — перспективная реализация кубитов, но и они имеют множество проблем. Одна из них — качественное измерение кубитов, которое не разрушает квантовое состояние системы. В данном контексте кубитами считаются одиночные электроны в квантовых точках, а состояния 0 и 1 описываются электронным спином.
Ученые из Австралии и Японии под руководством профессора Сейго Таруча (Seigo Tarucha) из научного центра RIKEN предложили измерять кубит в квантовой точке с помощью другого электрона, запутанного с кубитом. Такая реализация позволяет долго сохранять состояние рабочего кубита, что необходимо, например, для реализации кодов коррекции ошибок.
Для проверки неразрушающего считывания физики поместили два электрона в квантовые точки из Si/SiGe — один из электронов использовался в качестве рабочего кубита, а другой в качестве анциллы для измерения. Связь кубитов ученые контролировали магнитным полем, которое создавал микромагнит на чипе.
Схема физической реализации двух кубитов, представляющих из себя два электрона, которые ученые поместили в квантовые точки.
J. Yoneda, et al. — Nature Communications 11, 1144 (2020)
Для того, чтобы использовать такое измерение в полноценных квантовых алгоритмах, необходимо проверить, что считывание состояния анциллы действительно не воздействует на рабочий кубит. Физики показали, что анциллу можно измерять более 30 раз прежде чем рабочий кубит портится. Такое количество измерений исходит из-за небольшого времени жизни кубита, а не из-за реализации измерения. Единичное считывание с помощью анциллы дает правильный результат с вероятностью 99,6 процентов.
Более того, используя совместное считывание анциллы и кубита, исследователи показали, что состояние двух электронов сильно коррелированы, что является необходимым условием для проведения квантового неразрушающего измерения.
Квантовая схема измерения: рабочий кубит запутывается с анциллой, и затем анцилла измеряется. Для проверки метода считывания ученые так же измеряли рабочий кубит и сравнивали результаты.
J. Yoneda, et al. — Nature Communications 11, 1144 (2020)
Совместные осцилляции Раби, которые указывают на то, что два кубита сильно коррелированы.
J. Yoneda, et al. — Nature Communications 11, 1144 (2020)
С помощью разработанного физиками измерения появляется возможность промерять четность состояний многих кубитов, что позволяет быстро узнавать состояние мультикубитной системы. В сочетании с качественными одно- и двухкубитными операциями такой способ извлечения информации открывает дорогу к созданию устойчивых к ошибкам квантовых компьютеров на основе квантовых точек.
Новая интерпретация квантовой механики устраняет принцип неопределенности
В своей последней статье финские государственные служащие Юсси Линдгрен и Юкка Люкконен, изучающие квантовую механику в свободное время, пришли к выводу, что корреляция между местоположением и импульсом, т. е. Их взаимосвязь, фиксирована. Другими словами, реальность — это объект, который не зависит от человека, который его измеряет. Результаты исследования публикует журнал Symmetry.
Квантовая механика возникла в 1920-х годах, и с тех пор ученые так и не пришли к единому мнению о том, как лучше всего ее интерпретировать. Многие интерпретации, в том числе копенгагенская интерпретация, представленная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, и, в частности интерпретация фон Неймана-Вигнера, утверждают, что сознание человека, проводящего тест, влияет на его результат. С другой стороны, Карл Поппер и Альберт Эйнштейн считали, что объективная реальность существует. Эрвин Шредингер выдвинул знаменитый мысленный эксперимент с судьбой несчастного кота, целью которого было описание несовершенства квантовой механики.
Линдгрен и Люкконен в своей статье рассматривают принцип неопределенности, разработанный Гейзенбергом в 1927 году. Согласно традиционной интерпретации принципа, местоположение и импульс не могут быть определены одновременно с произвольной степенью точности, поскольку лицо, проводящее измерение, всегда влияет на значения. Проще говоря, принцип гласит, что невозможно одновременно знать и точное положение, и точную скорость объекта из-за фактора влияния наблюдателя.
Юкка Люкконен (слева) и Юсси Линдгрен (справа) описывают принцип неопределенности Гейзенберга. Предоставлено: Университет Аалто.
Однако в своем исследовании Линдгрен и Люкконен пришли к выводу, что корреляция между местоположением и импульсом, т. е. их взаимосвязь, фиксирована. Реальность — это объект, который не зависит от человека, который его измеряет. Линдгрен и Люкконен использовали в своем исследовании стохастическую динамическую оптимизацию. В системе отсчета их теории принцип неопределенности Гейзенберга является проявлением термодинамического равновесия, в котором корреляции случайных величин не исчезают.
«Результаты показывают, что нет никакой логической причины, по которой результаты зависят от человека, проводящего измерение. Согласно нашему исследованию, нет ничего, что предполагало бы, что сознание человека могло бы нарушить результаты или создать определенный результат или реальность», — объясняет Юсси Линдгрен.
Эта интерпретация квантовой механики поддерживает классические научные принципы.
«Интерпретация объективна и реалистична, и в то же время максимально проста. Нам нравится ясность и мы предпочитаем избавиться от всякой мистики», — говорит Люкконен.
В декабре 2019 года исследователи опубликовали свою последнюю статью, в которой математический анализ также использовался в качестве инструмента для объяснения квантовой механики. Они использовали метод стохастической теории оптимального управления, который использовался для решения таких задач, как отправка ракеты с Земли на Луну.
Следуя бритве Оккама, исследователи выбрали простейшее объяснение из подходящих.
«Мы изучаем квантовую механику как статистическую теорию. Математический инструмент ясен, но некоторые могут подумать, что он скучный. Но действительно ли объяснение является объяснением, если оно расплывчатое?» — заключает Линдгрен.
Невероятно: физики квантово запутали 15 триллионов атомов в горячем газе
Учёные сломали стереотип, что квантовая запутанность – невероятно хрупкое состояние, которое требует сверхнизких температур и изоляции одиночных атомов. Они создали запутанность в горячем газе из множества частиц и показали, что она не разрушается при их столкновениях. Новый подход может помочь в разработке сверхчувствительных датчиков, которые пригодятся всем, от врачей до астрономов.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications.
Хрупкое квантовое чудо
"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое квантовая запутанность. Напомним вкратце, что состояния запутанных объектов согласованы между собой, так что, изменив состояние одного, мы можем повлиять на состояние другого (притом что информация между ними не передаётся).
Это явление очень интересует физиков. Хотя теоретически оно было предсказано многие десятилетия назад, экспериментаторы не устают снова и снова проверять, действительно ли природа ведёт себя настолько странно.
В качестве приятного бонуса человечество получает сверхчувствительные сенсоры, которые можно создать с помощью запутанных атомов.
Но есть загвоздка. Обычно считается, что квантовая запутанность – крайне хрупкое состояние, и малейшее воздействие может его разрушить. Поэтому экспериментаторы, как правило, запутывают единицы, десятки или сотни частиц. Чтобы запутанность не исчезла, "связанные одной цепью" объекты сохраняются при чрезвычайно низкой температуре. Поэтому запутанность превращается в крайне дорогое удовольствие.
Многочисленные, горячие, запутанные
Теперь физики из Испании, Венгрии и Китая бросили вызов этим представлениям, продемонстрировав запутанное состояние в горячем газообразном рубидии.
Авторы работали с образцом, содержащим более 50 триллионов атомов. По бытовым меркам это всё ещё глубокий вакуум, ведь в одном литре атмосферного воздуха содержится в миллиарды раз больше молекул. Но всё же этот эксперимент разительно отличается от предыдущих, в которых запутывалось гораздо меньше частиц.
Кроме того, вещество было разогрето до 180 градусов по Цельсию, то есть представляло собой горячий пар. Казалось бы, в таком состоянии ни о какой квантовой запутанности не может быть и речи. Но физики показали, что это не так.
В каждый момент времени около 15 триллионов атомов были запутаны между собой. Это состояние сохранялось около одной миллисекунды. Затем запутанная система распадалась, и возникала новая. При этом запутанные друг с другом атомы не обязательно были соседними: между ними могли находиться тысячи других атомов.
Отметим, что миллисекунда – это огромное по атомным меркам время, за которое каждый атом успевал около 50 раз столкнуться с соседними.
"Это ясно показывает, что запутанность не разрушается этими случайными событиями. Это, пожалуй, самый удивительный результат работы", – признаётся первый автор статьи Цзя Кон (Jia Kong) из Барселонского института науки и технологий.
Физики обнаружили запутанные системы из триллионов атомов в горячем паре рубидия.
В чём проявлялась квантовая запутанность атомов рубидия?
В атоме рубидия на внешнем энергетическом уровне находится один электрон. Как известно, у каждого электрона есть спин (момент импульса), имеющий направление. Условно говоря, он может быть направлен вверх или вниз.
Возьмём какой-нибудь конкретный атом и назовём его Васей. Когда Вася сталкивается с каким-нибудь из многочисленных соседей, спин его внешнего электрона может перевернуться (или не перевернуться, это непредсказуемо).
Как же на такой переворот реагируют другие атомы, образующие с Васей дружную запутанную систему? Какой-нибудь из них тут же переворачивает спин своего внешнего электрона в противоположную сторону. И это притом, что этот "переживающий за коллегу" атом сам в этот момент ни с чем не сталкивался.
То есть во всей системе, несмотря на постоянные непредсказуемые столкновения, вверх всегда направлено столько же спинов, сколько и вниз. Это и есть квантовая запутанность: состояния атомов остаются согласованными, хотя они не воздействуют друг на друга.
Экспериментаторы выяснили это, пропуская через рубидиевый пар луч лазера. Энергия фотонов была подобрана так, чтобы они не возбуждали атомов и не разрушали запутанное состояние. Но сами атомы воздействовали на фотоны, и по этому воздействию можно было определить, в какую сторону направлен спин внешних электронов.
Из лаборатории в жизнь
Иметь дело с десятками триллионов атомов при высокой температуре совсем не так дорого, как отбирать отдельные атомы и охлаждать их чуть ли не до абсолютного нуля. Поэтому авторы надеются, что их открытие со временем станет основой для разработки сверхчувствительных сенсоров (в частности, датчиков магнитного поля). Они могут пригодиться в самых разных областях: от медицинского обследования мозга до создания беспилотных автомобилей и детекторов тёмной материи.
Физики впервые увидели твердый квантовый объект из 100 млн атомов
Физики впервые увидели твердый квантовый объект — наночастицу из стекла, состоящую из 100 млн атомов. Это открытие физиков из Венского университета может расширить границы действия законов квантовой механики, пишут исследователи в журнале Science.
Ученых давно интересует, почему люди в обычном мире не могут наблюдать феномен квантовой запутанности — взаимосвязи квантовых состояний двух или более частиц света, атомов или других объектов, при которой изменение состояния одного из них мгновенно отражается на состоянии других.
Современная наука объясняет это тем, что объекты разрушаются в результате процесса декогеренции. При этом, согласно квантовой механике, чем крупнее объект, тем больше и чаще он контактирует с окружающей средой и тем быстрее распадаются квантовые связи, соединяющие его с другими частицами и телами.
Физики из Венского университета установили несколько оптических ловушек, а также начали экспериментировать с взаимодействием наночастиц с линзами и набором из нескольких лазеров, который способен удерживать мельчайшие части материи в вакууме и охлаждать их до температуры, близкой к абсолютному нулю.
Мы знаем, что законы квантовой физики применимы к атомам и молекулам, но не знаем, насколько большим может быть объект, проявляющий квантовые свойства. Поймав наночастицу и связав ее с фотонным кристаллом, мы смогли изолировать подобный макрообъект и изучили его квантовые свойства.
Маркус Аспельмейер, профессор Венского университета
Охлаждение необходимо в этом эксперименте, поскольку при подобной температуре атомы, молекулы и частицы перестают хаотично двигаться под действием тепла и переходят в особое состояние, в котором на них действуют только законы квантового мира. Раньше физики достигали этого состояния только у молекул, атомов и частиц — и никогда у твердой материи.
В рамках эксперимента физики подготовили наночастицу из чистого кварцевого стекла и поместили в прибор с необходимыми длинами волн лазеров, которые позволяют заморозить такой объект. В результате ученым удалось несколько долей микросекунды измерять квантовые свойства этой частицы.
Что сулит человечеству появление квантовых компьютеров
Квантовые сервисы станут доступны пользователям в течение следующего десятилетия
Решать сверхсложные задачи за несколько часов, находить ответы на вопросы, которые занимали человечество годами, задействовать потенциал любой технологии – все это станет возможным благодаря квантовым компьютерам, считают аналитики из McKinsey&Company. Разумеется, это произойдет не завтра. Многим компаниям придется ждать еще лет десять, а то и больше, чтобы начать использовать квантовые вычисления в своей работе. Тем не менее бизнес-лидерам необходимо иметь представление об этой технологии уже сегодня – настолько велико ее потенциальное влияние.
Квантовые компьютеры вряд ли заменят привычные нам ПК и ноутбуки. Вместо этого они будут использоваться для решения конкретных, очень сложных задач статистического характера, которые зачастую не под силу традиционным вычислительным машинам. Как известно, сегодняшние компьютеры оперируют битами, что могут принимать два значения – либо «0», либо «1». Квантовые машины же работают с кубитами – это единицы измерения, которые могут занимать любое значение между «0» и «1». Благодаря кубитам вычислительная сила квантовых компьютеров многократно превышает возможности современных устройств.
Квантовая технология находится в стадии разработки – ученым необходимо решить еще целый ряд проблем, связанных с ее функционированием и внедрением. Множество исследовательских институтов и компаний, включая гигантов вроде Google, IBM и Microsoft, инвестируют в эту область. Задача у разработчиков непростая: им необходимо наладить работу алгоритмов, которые мало похожи на сегодняшние, и создать девайсы, чей внешний вид, скорее всего, будет совершенно иным.
Сам концепт квантового компьютера существует с начала 1980-х. Несмотря на это, только в прошлом году Google объявил, что подобная машина может решать непосильные для традиционных компьютеров задачи – да и то, проведенный эксперимент был из области математики. В прикладном смысле от квантовых компьютеров пока что пользы мало, но, по прогнозам McKinsey, это скоро изменится. Для чего же будут использоваться новые машины?
• Победа над болезнями. Ученые, которые занимаются разработкой новых лекарств, вынуждены детально изучать структуру той или иной молекулы для того, чтобы определить ее свойства. Традиционные компьютеры плохо подходят для этой цели: слишком сложны способы взаимодействия мелких частиц. Ученым приходится разными способами моделировать поведение этих частиц, что отнимает колоссальное количество времени. Это одна из причин, по которой новые препараты так долго разрабатываются.
Квантовые компьютеры просто созданы для решения подобных задач, ведь взаимодействие атомов в молекуле по своей сути и есть квантовая система. Эксперты считают, что квантовые машины будут способны моделировать поведение самых сложных молекул, что значительно упростит процесс создания лекарств и, возможно, приведет к революции в фармацевтике.
• Новые высоты оптимизации. Как правило, бизнес-задачи подразумевают решение уравнений с множеством переменных. Где лучше расположить станки в цехе? Каков оптимальный маршрут доставки грузов? Как создать транспортную систему, которая удовлетворит запросы клиентов? Как оптимизировать финансовый портфель, чтобы увеличить его доходность и снизить риски? Все это – примеры проблем, с которыми ежедневно сталкиваются компании. Решать их с помощью обычных алгоритмов сложно, часто возникают осечки. Задачи приходится разбивать на разные этапы, которые компьютер решает по очереди. Квантовые компьютеры, способные работать с целым рядом вычислений одновременно, смогут очень быстро предложить возможные решения. Традиционные алгоритмы тоже будут нужны: их задача будет заключаться в том, чтобы выбрать наиболее оптимальный из вариантов, предложенных квантовой системой. Комбинация двух методов поможет значительно ускорить бизнес-процессы.
• Безопасность беспилотников. Квантовые компьютеры могут способствовать появлению полноценных беспилотных автомобилей. Автоконцерны вроде Ford, GM и Volkswagen наряду с разными стартапами тратят сотни часов на обработку данных, которые необходимы для моделирования поведения автомобиля в той или иной ситуации. Цель разработчиков заключается в том, чтобы научить машину принимать решения за водителя. Где повернуть, как разогнаться, в каком месте притормозить или обойти препятствие – все это беспилотники должны уметь делать. Такая кропотливая работа предполагает разработку алгоритма на основании сложнейших расчетов. Даже быстрейшие в мире традиционные компьютеры тратят целые дни или даже месяцы на решение подобных задачек. Квантовые компьютеры упростят этот процесс в разы.
• Защита наших данных. Квантовые компьютеры представляют серьезную угрозу для кибербезопасности. Дело в том, что большинство современных аккаунтов и онлайн-транзакций защищено с помощью таких алгоритмов шифрования, как RSA и SSL/TLS. Эти системы позволяют распространять информацию среди авторизованных пользователей и в то же время защищать ее от посторонних. Чтобы взломать эти алгоритмы, нужна такая вычислительная мощность, которой современные компьютеры не располагают. Теоретически подобрать ключ можно, но на практике это займет слишком много времени, поэтому сегодня взломы если и случаются, то, как правило, в результате халатного внедрения протоколов кибербезопасности.
Взломать традиционную систему шифрования могут квантовые алгоритмы. Кстати, такой алгоритм уже создан – он называется алгоритмом Шора. Правда, пока не создан компьютер, способный этот алгоритм использовать для взлома систем безопасности, – сегодняшние машины могут решать с его помощью лишь относительно простые задачи. Но в течение двух десятилетий наверняка произойдет скачок в вычислительной мощности квантовых компьютеров, и тогда нужны будут принципиально новые системы кибербезопасности, чтобы защитить наши данные.
Когда придет завтра?
Квантовая технология очень сложна – это не приложение, которое в один прекрасный день начнут скачивать миллионы людей. В McKinsey уверены: квантовые машины будут в руках таких гигантов, как IBM и Google, которые постепенно наращивают свои вычислительные мощности. Это небыстрый процесс, и, по расчетам McKinsey, к 2030 году работать будут лишь 2–5 тыс. квантовых компьютеров. Полноценные компьютеры, способные решать сложные задачи, могут появиться лишь к 2035-му. Тем не менее в том или ином виде квантовые сервисы станут доступны пользователям в течение следующего десятилетия. Скорее всего, их будут предлагать на базе уже известных нам облачных платформ вроде Amazon Web Services и Microsoft Azure.
Создан первый в мире квантовый двигатель
Принцип его работы можно сравнить с движением поршня в двигателе автомобиля.
Ученые Университета Ватерлоо в Канаде разработали первый в мире квантово-тепловой двигатель. Об этом сообщается в пресс-релизе на Phys.org.
Для создания устройства исследователи использовали систему со спином ½ на основе молекулы хлороформа и применили методы ядерного магнитного резонанса. С помощью радиочастотного поля они изменили магнитный момент ядерного ядра изотопа углерод-13, чтобы получить цикл Отто — термодинамический цикл, который используется в двигателях внутреннего сгорания.
По словам ученых, разность энергий между двумя возможными ориентациями магнитного момента ядра увеличивается и уменьшается подобно поступательному движению поршня в двигателе автомобиля. При выполнении одного квантового цикла Отто на максимальной мощности тепловой двигатель обладает коэффициентом полезного действия, равным 42 процентам, что близко к термодинамическому пределу (44 процента).
В будущем исследователи надеются найти способы оптимизации работы небольших квантовых тепловых машин, демонстрируя их эффективность в реальных экспериментах. Это поможет создать более совершенные квантовые холодильники для вычислительных устройств.
Ученый из-за неисправного оборудования случайно решил квантовую загадку, которой 58 лет
Австралийский ученый из-за неисправного оборудования случайно решил квантовую загадку, которой 58 лет. Он работал над абсолютно другим экспериментом, но понял, что получает неожиданные результаты.
Исследователь смог случайно открыть как управлять ядром одного атома, используя электрические, а не магнитные поля. Теоретическое решение этой загадки в 1961 году предложил нобелевский лауреат Николас Бломберген, однако с тех пор никто не смог подтвердить или опровергнуть его догадку. Новые данные о «ядерном электрорезонансе» случайно получили в лаборатории Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии благодаря неисправному оборудованию. Это открытие дает ученым новый уровень контроля над ядрами, что может серьезно ускорить разработку квантовых компьютеров.
Открытие произошло во время другого эксперимента по ядерному магнитному резонансу. Исследователи пояснили, что его выполнение похоже на попытку переместить шар на бильярдном столе, поднимая весь стол. Таким образом ученые перемещают нужный мяч, но одновременно с ним — все остальные. Ученые хотели оптимизировать этот процесс и искали как сделать это быстрее.
После некоторых неожиданных результатов исследователи поняли, что их оборудование неисправно — оно демонстрировали ядерный электрический резонанс из-за сломанной антенны. С последующим компьютерным моделированием команда смогла показать, что электрические поля могут влиять на ядро на фундаментальном уровне, искажая атомные связи вокруг ядра и вызывая его переориентацию.
«Это открытие означает, что у нас теперь есть путь для создания квантовых компьютеров с использованием одноатомных спинов без необходимости какого-либо колебательного магнитного поля для их работы», — отметили ученые.
Квантовая диффузия нарушила классический закон Аррениуса
K. Arakawa et al. / Nature Materials, 2020
Физики доказали возможность перемещения дефектов кристаллической решетки при низких температурах. Такие нарушающие классические законы движения были получены при облучении вольфрама потоком электронов. Измеренный темп диффузии оказался на порядки выше, чем следует из закона Аррениуса. Результаты могут пригодиться для создания устойчивых к радиации устройств, а также для разработки принципиально новых методов обработки материалов, пишут авторы в журнале Nature Materials.
Идеальный кристалл, в котором все атомы расположены строго периодически, представляет собой исключительно математическую абстракцию. Реальные кристаллы всегда содержат разнообразные дефекты, которые могут существенно влиять на свойства всего тела, причем как в отрицательную сторону (уменьшать прочность), так и в положительную (изменять электропроводность). Понимание закономерностей появления дефектов и оказываемого ими воздействия — ключевой вопрос как для материаловедения, так и разработки новых полупроводников, сверхпроводников и веществ для энергетики.
Дефекты в кристаллах обычно связаны с центрами захвата, которые часто представляют собой атомы примесей. Следовательно, для перемещения дефекта необходимо освободиться из такой ловушки. Считается, что для всех атомов тяжелее водорода и гелия подобное может происходить только за счет термической активации, а предсказание темпа возникающих движений можно сделать на основе классического закона Аррениуса.
Согласно этому эмпирическому правилу, сформулированному около века назад, скорость химических реакций зависит от температуры, причем она стоит в знаменателе экспоненты с отрицательным показателем. Получается, что при крайне низких температурах любые реакции должны останавливаться.
Кадзуто Аракава (Kazuto Arakawa) из Университета Симане и его коллеги из Великобритании, Франции и Японии обнаружили совершенно не укладывающийся в классические представление процесс: движение групп атомов вольфрама при низких температурах, темп которого на порядки превышает оценки по формуле Аррениуса. Авторы исследовали положение межузельных атомов, которые занимают промежуточное расположение относительно формирующих кристаллическую решетку при низких температурах, а активацию осуществляли потоками электронов.
Эксперимент физиков проходил в несколько этапов. Для начала вольфрам охлаждали до 105 кельвинов (–168 градусов Цельсия) и облучали потоком высокоэнергетических электронов (два мегаэлектронвольта). Такое воздействие приводило к смещению отдельных атомов и формированию межузельных атомов и вакансий на незанятых местах. Затем образец нагревали до 300 кельвинов, благодаря чему группам межузельных атомов удавалось вырастать до дефектов нанометрового размера и связываться с центрами захвата.
Авторы отмечают, что без дополнительных воздействий, то есть исключительно за счет влияния температуры, дефекты остаются неподвижными при комнатной температуре. Однако облучение потоком менее энергичных электронов (100–1000 килоэлектронвольт), неспособных породить новые межузельные атомы и вакансии, привело к освобождению из ловушек и активному смещению.
Ученые измерили частоту этих движений с помощью просвечивающего электронного микроскопа, а