Китая стал местом открытия, где учёные смогли впервые управлять химическими реакциями на атомном уровне.
Уточняется, что данное исследование даёт возможность продолжить эксперименты в этом направлении, чтобы в дальнейшем разработать высокоэффективные химикаты.
Китайская группа учёных опубликовала свой метод взаимодействия с химическими реакциями в научном журнале Science. Авторами работы стали Ян Сюэмин и Чжан Дунхуэй из Даляньского института химической физики в провинции Ляонин.
Так, чтобы вести контроль и регулировать химические реакции, учёные воспользовались лазерным лучом, который при взаимодействии водорода-дейтерия и атомов водорода, привёл к более высокому выходу молекул водорода.
Отмечается, что такой метод стал новым инструментом, который позволяет химикам контролировать реакции на микроскопическом и молекулярном уровне. Учёные подчёркивают, что эксперимент проводился на простых молекулах, которые существуют в природе, а это значит — возможность для последующих тестов, но уже на базе сложных и динамических химических реакций.
«Предыдущие исследования химических реакций были чем-то вроде «слепого ящика» — результат предопределялся их изначальными квантовыми свойствами, и ученые не могли его контролировать по своему желанию. Теперь мы можем возбудить определенную молекулу и контролировать ее ориентацию, чтобы напрямую получить то, что мы хотим», — отметил один из авторов работы Чжан Дунхуэй.
Сообщается, что рецензенты из журнала Science высоко оценили работу китайских учёных, отметив их исследование «вехой в области динамики реакции».
Источник: https://runews24.ru/

Китайские физики использовали мощные лазеры, чтобы имитировать в лаборатории формирование солнечной вспышки. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Исследователи из Китая облучали алюминиевую фольгу с помощью мощных лазеров, чтобы воссоздать процессы магнитного пересоединения на Солнце. Результаты экспериментов соответствуют наблюдениям солнечных обсерваторий и предсказывают поведение электронов, которое должен исследовать зонд НАСА «Паркер».
Солнечные вспышки — это интенсивное выделение энергии на поверхности Солнца, вызванное магнитным пересоединением.
Во время этого процесса два противоположно ориентированных магнитных поля в плазме встречаются, а магнитные линии перезамыкаются, создавая кинетическую и тепловую энергию плазмы и отправляя заряженные частицы в космос со скоростью света.
Еще в 2010 году физики из Китайской академии наук, Пекинского университета и Шанхайского университета воссоздали магнитное пересоединение, используя два мощных лазера для возбуждения алюминиевой фольги и создания на ее поверхности плазменных пузырьков. По мере расширения пузырьков плазмы магнитные поля в форме пончика сталкивались друг с другом, и наблюдалось магнитное пересоединение.
В новой работе ученые усовершенствовали эксперимент, чтобы привести лабораторные условия в соответствие с реальными сложными процессами на Солнце. Для этого исследователи масштабировали ключевые параметры и удвоили количество лазеров. В результате моделирования исследователям удалось воссоздать сложные процессы солнечной турбулентности.
Результаты, полученные в результате эксперимента, полностью согласуются с известными данными о солнечных вспышках, собранными различными обсерваториями. Кроме того, ученые измерили, насколько энергичными были электроны в плазме и как они ускорились во время вспышки.
Аналогичное исследование в реальных условиях должен провести солнечный зонд «Паркер», запущенный НАСА в 2018 году. Для проведения экспериментов он должен выйти на орбиту с перигелием 6,2 млн км к 2024 году.
Китайские исследователи отмечают, что возможность воссоздать физические процессы в лаборатории поможет строить более надежные модели и лучше предсказывать, когда и где произойдет магнитное пересоединение.
Источник: https://hightech.fm/

Исследователи объявили об успешном создании квантовой запутанности двух источников света на наночипе. Исследование опубликовано в журнале Science. Физики из Копенгагенского университета и Рурского университета в Бохуме сообщили о создании квантовой запутанности между двумя источниками света на одном чипе. Эта технология — шаг на пути к созданию универсального квантового компьютера с исправлением ошибок, считают авторы.
Датские и немецкие физики работают с квантовой технологией, которая использует частицы света, фотоны, в качестве микропереносчиков информации. До сих пор ученым удавалось контролировать только один источник света за раз. Это связано с тем, что квантовые точки чрезвычайно чувствительны к внешнему «шуму», что делает их очень трудными для копирования, объясняют ученые. В текущем исследовании ученые впервые создали два идентичных квантовых источника света, а не один.
Запутанность означает, что, управляя одним источником света, вы немедленно воздействуете на другой. Это позволяет создать целую сеть запутанных квантовых источников света, которые взаимодействуют друг с другом и могут выполнять квантовые битовые операции такие же, как в обычном компьютере, только гораздо более мощные, – Алексей Тиранов, соавтор исследования.
Физики отмечают, что всего 100 фотонов, испускаемых одним квантовым источником света, будут содержать больше информации, чем может обработать самый большой в мире суперкомпьютер. При этом, используя 20–30 запутанных квантовых точек, можно создать универсальный компьютер с исправлением ошибок.
Источник: https://hightech.fm/

Создан детектор, который точно измеряет одиночные фотоны с очень высокой скоростью. Группа исследователей под руководством Лаборатории реактивного движения НАСА разработала детектор для измерения времени прихода фотонов. Устройство, которое инженеры назвали PEACOQ, достигает максимальной скорости счета свыше 1,5 Gcps (1,5 млрд отсчетов в секунду). Этого достаточно, чтобы создать квантовую связь с тактовой частотой 10 ГГц.
Детектор PEACOQ состоит из 32 нанопроволок толщиной всего 7,5 нм (примерно в 10 тыс. раз тоньше человеческого волоса). При охлаждении до сверхнизкой температуры около 1 K (-272,15 °C) такие проволоки становятся сверхпроводящими. При попадании фотона на сверхпроводящую проволоку он поглощается и создает горячую точку, которая заметно увеличивает электрическое сопротивление провода. Исследователи используют компьютер и цифро-временной преобразователь или преобразователь «временной интервал — цифровой код», чтобы регистрировать такие изменения сопротивления и подсчитывать фотоны.
Когда детектор измеряет фотон, он выдает электрический импульс, а цифро-временной преобразователь очень точно измеряет время прихода этого электрического импульса с разрешением менее 100 пикосекунд или в 70 млн раз быстрее, чем щелчок пальцами, – Иоана Крайчиу (Ioana Craiciu), соавтор исследования из Лаборатории реактивного движения НАСА.
Чтобы продемонстрировать работу устройства, исследователи охладили детектор с помощью специального криостата до 1 K. Они использовали специально изготовленную тестовую установку для направления света в криостат к детектору и цепочку электроники для передачи выходного сигнала детектора из криостата, его усиления и записи.
Анализ показал, что детектор обнаруживает фотоны с длиной волны 1 550 нм с эффективностью обнаружения до 78%. При этом скорость темнового счета составляет 158 cps, а максимальная скорость превышает 1,5 млрд cps при сжатии 3 дБ. Исследователи отмечают, что настоящее время нет другого детектора, который так быстро считает отдельные фотоны с таким же временным разрешением.
Разработка найдет применение в квантовой связи, полагают авторы исследования. Как правило, передаваемая квантовая информация настроена на часы, при этом каждый фрагмент данных кодируется в один фотон. То, насколько точно прибор измеряет время прибытия фотонов к приемнику, определяет, с какой частотой можно отправлять отдельные фотоны и, соответственно, как быстро передается информация.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Ученые из Сколтеха запатентовали способ переключения необычного макроскопического состояния света, известного как поляритонный бозе-эйнштейновский конденсат, при комнатной температуре единичным фотоном. Поляритонный конденсат может однажды стать основой для хранения и операций с информацией в оптических компьютерах, и способность эффективно переключать его состояние приближает нас к компьютерам, которые будут манипулировать фотонами вместо электронов, обеспечивая значительный рост производительности и экономию электроэнергии по сравнению с современной электроникой.
«Образно говоря, нам удалось в обычных условиях среды как бы нажать на выключатель света одним единственным фотоном, то есть элементарной частицей света, а это, по сути, предел энергоэффективности. Разумеется, мы ставили эксперимент не с электрической лампочкой, а с некоторой сложной сущностью, которая называется поляритонным конденсатом, но он тоже представляет собой макроскопическое — из мира больших вещей — состояние света, которое могло бы кодировать нули и единицы в сверхбыстрых и энергосберегающих компьютерах будущего», — прокомментировал результаты исследования один из авторов изобретения, профессор Сколтеха Павлос Лагудакис.
Способность эффективно манипулировать состоянием света необходима, чтобы использовать его в оптических компьютерах, где сигналы будут передаваться фотонами, а не электронами. Поскольку свет распространяется быстрее электричества и позволяет избежать термических потерь, оптические вычисления будут выполняться быстрее и энергоэффективнее, а система охлаждения не понадобится.
«Сложность состоит в том, что оптические вычисления подразумевают, что два световых сигнала должны друг с другом взаимодействовать, но законы физики таковы, что свет практически не взаимодействует со светом: можно включить один фонарь, а потом посветить другим фонарем перпендикулярно конусу света первого, и это никак на него не повлияет. Одна из главных вещей, которой занимаются в фотонике, — это как раз поиск способов заставить одну световую волну повлиять на состояние другой», — пояснил Лагудакис.
Такого рода модуляция световых волн сегодня выполняется крайне неэффективно: чтобы изменить исходный сигнал при помощи акустических волн, электричества или вспомогательного светового сигнала, последний должен по мощности быть сопоставим с исходным. Естественно, с практической точки зрения весьма желательно научиться модулировать, или переключать, исходный сигнал другим, как можно более слабым, как это происходит в электрических транзисторах современных компьютеров.
В этом смысле предел энергоэффективности — однофотонное переключение, когда для изменения состояния света, которое соответствует основному сигналу, достаточно одной единственной частицы света вспомогательного сигнала. Как раз это и удалось ученым из Сколтеха в эксперименте с поляритонными конденсатами — состоянием материи, которое можно образно охарактеризовать как жидкий свет. На продемонстрированный ими способ переключения выдан патент.
В эксперименте используются два лазера с точно подобранными характеристиками. Первый воздействует на особый материал, в котором под действием лазерного света возникает капля «жидкого света» — определенное количество синхронизированных друг с другом поляритонов, которому можно условно присвоить значение «ноль». Затем второй лазер доставляет в эту систему ровно один фотон и число синхронизированных поляритонов в конденсате возрастает — это «один».
«Истоки этого исследования — работающий при комнатной температуре поляритонный транзистор, который наш коллектив представил в 2019 году. Только тогда мы переключали состояние этого устройства с нуля на единицу при помощью сигнала мощностью порядка 10–100 тыс. фотонов, а теперь — всего одним фотоном, — рассказал Лагудакис. — Важно повторить, что речь идет о работе в комнатных условиях, в то время как конкурирующим подходам, в основе которых лежат сверххолодные атомы, твердотельные кубиты или квантовые точки, не удалось поднять рабочую температуру выше −263 градусов Цельсия. Более того, обычно там вдобавок требуется вакуум и/или очень сильное магнитное поле».
Переход к однофотонному переключению стал возможен благодаря существенной доработке экспериментальной установки. Первоначально состояние системы определялось путем усреднения тысячи разных реализаций поляритонного конденсата, каждая из которых была сгенерирована отдельным лазерным импульсом. То есть анализ проводился уже после накопления сигнала по итогу тысячи повторений.
«Теперь мы увеличили чувствительность детектирования и можем генерировать и анализировать отдельные реализации поляритонного конденсата, — пояснил Лагудакис. — Кроме того, мы можем лучше контролировать подготовку конденсата, и теперь можно проводить анализ конденсатов, приготовленных при абсолютно одинаковых условиях, возбуждая идентичные состояния конденсатов. Иными словами, детектирование неуловимого явления однофотонного переключения в нашем новом эксперименте стало возможным благодаря одновременному повышению чувствительности и устранению шума».
Источник: https://naked-science.ru/

Китайские физики использовали мощные лазеры, чтобы имитировать в лаборатории формирование солнечной вспышки. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Исследователи из Китая облучали алюминиевую фольгу с помощью мощных лазеров, чтобы воссоздать процессы магнитного пересоединения на Солнце. Результаты экспериментов соответствуют наблюдениям солнечных обсерваторий и предсказывают поведение электронов, которое должен исследовать зонд НАСА «Паркер».
Солнечные вспышки — это интенсивное выделение энергии на поверхности Солнца, вызванное магнитным пересоединением. Во время этого процесса два противоположно ориентированных магнитных поля в плазме встречаются, а магнитные линии перезамыкаются, создавая кинетическую и тепловую энергию плазмы и отправляя заряженные частицы в космос со скоростью света.
Еще в 2010 году физики из Китайской академии наук, Пекинского университета и Шанхайского университета воссоздали магнитное пересоединение, используя два мощных лазера для возбуждения алюминиевой фольги и создания на ее поверхности плазменных пузырьков. По мере расширения пузырьков плазмы магнитные поля в форме пончика сталкивались друг с другом, и наблюдалось магнитное пересоединение.
В новой работе ученые усовершенствовали эксперимент, чтобы привести лабораторные условия в соответствие с реальными сложными процессами на Солнце. Для этого исследователи масштабировали ключевые параметры и удвоили количество лазеров. В результате моделирования исследователям удалось воссоздать сложные процессы солнечной турбулентности.
Результаты, полученные в результате эксперимента, полностью согласуются с известными данными о солнечных вспышках, собранными различными обсерваториями. Кроме того, ученые измерили, насколько энергичными были электроны в плазме и как они ускорились во время вспышки.
Аналогичное исследование в реальных условиях должен провести солнечный зонд «Паркер», запущенный НАСА в 2018 году. Для проведения экспериментов он должен выйти на орбиту с перигелием 6,2 млн км к 2024 году.
Китайские исследователи отмечают, что возможность воссоздать физические процессы в лаборатории поможет строить более надежные модели и лучше предсказывать, когда и где произойдет магнитное пересоединение.
Источник: https://hightech.fm/

Ученые ИТМО предложили универсальный способ для генерации квантовых корреляций и запутанных состояний. Он позволяет динамически влиять на параметры системы и задавать желаемые характеристики фотонов, например, явления группировки или антигруппировки. Исследование открывает возможности для кодирования запутанных состояний в сверхпроводящих кубитах и обработки квантовой информации в оптических чипах нового поколения.
Для устройств на основе сверхпроводящих кубитов, например, чипов нового поколения или квантовых компьютеров, важно создавать запутанные состояния Белла. Эти состояния ― фундамент для любой обработки квантовой информации, квантовых вычислений и разработки сверхбыстрых процессоров. Современные системы позволяют создавать установки по генерации источников нескольких фотонов, но их параметры определяются сразу при производстве конструкции, то есть управлять характеристиками системы невозможно. Это ограничивает исследовательские и технические возможности.
Ученые Нового физтеха ИТМО нашли решение этой проблемы. Они предложили теоретический протокол для динамической генерации устойчивых квантовых корреляций и запутанных состояний Белла в излучении частотной гребенки от массива сверхпроводящих кубитов. Метод универсален, учитывает временную эволюцию кубитов и может использоваться для управления корреляциями фотонов в динамически модулированных квантовых системах.
«Наш протокол добавляет в систему своеобразный “тумблер”, с помощью которого можно переключать режимы ― с группировки фотонов (когда частицы излучаются группами) на антигруппировку, когда каждая частица излучается самостоятельно. Это позволяет добиться желаемых параметров системы или установки, ― объясняет автор исследования, студент магистратуры Нового физтеха ИТМО Денис Ильин. ― Еще мы предложили простой, но весьма эффективный способ генерации частотной гребенки системы (простая двухуровневая квантовая система): берем два кубита, помещаем в систему и “трясем” их уровни (с небольшим запаздыванием по фазе). В итоге мы получили шахматную диаграмму эффектов группировки и антигруппировки, защищенных симметрией системы, и возможность динамически генерировать многофотонные запутанные состояния с определенной точностью, просто найдя нужный закон “тряски”».
Исследователи провели аналитические вычисления корреляционных функций при малых амплитудах тряски и расчет энтропии запутанности фотонных состояний в зависимости от параметров «тряски» системы, подтвердили соответствующие выводы численными расчетами, расширив применимость метода на диапазон больших амплитуд.
Ученые показали, что взаимными корреляциями между сигналами в волноводе можно управлять, а также предложили эффективный способ управления. Результаты исследования предполагают возможность контролировать корреляции сигналов при одноканальной передаче квантовой оптической информации. Это открывает большие возможности для будущих протоколов обработки квантовой информации устройств нового поколения (например, вычислительных устройств).
Авторы будут развивать исследование, в их планах ― экспериментальное подтверждение гипотезы, а также изменение параметров исследуемой системы (ученые хотят ввести в нее механические степени свободы).
Работа поддержана грантами РНФ, а также программой Минобрнауки РФ «Приоритет 2030».
Источник: https://scientificrussia.ru/

Китайские физики продемонстрировали явление квантового Чеширского Кота, сопровождающееся разделением корпускулярных и волновых атрибутов фотона по разным плечам интерферометра. Чтобы увидеть эффект, авторы использовали пред- и пост-селекцию состояний и слабые измерения, а в роли состояния частицы и состояния волны они использовали поляризационные состояния фотона, демонстрирующие различные интерференционные свойства.
Исследование опубликовано в Light: Science & Applications.
Квантовым Чеширским Котом называют ситуацию в квантовой механике, когда распределение вероятности встретить частицу в пространстве рассогласовано с таковым для одного из ее свойств. В бытовом смысле ее можно понять как феномен, при котором это свойство распространяется в пространстве (например, спин в плечах интерферометра) отдельно от самой частицы. Отсюда и название феномена: Чеширский Кот из «Алисы в Стране чудес» умел отделять улыбку от своего тела. Классическая интерпретация этого феномена парадоксальна, однако квантовая механика вполне его допускает.
Впервые квантовый Чеширский Кот был обнаружен на нейтронах в 2014 году и с тех пор активно исследуется в различных вариациях, по большей части с участием фотонов. Так, физики исследуют влияние на него декогеренции, а также взаимодействие нескольких квантовых Чеширских котов. Недавно мы рассказывали, как ученые предложили разделять разные спиновые состояния фотона, назвав их «улыбкой» и «рычанием».
В позапрошлом году Чоудхури с коллегами пошли дальше и предложили мысленный эксперимент, в котором фотонный квантовый Чеширский Кот разделит свои волновые и корпускулярные свойства по разным плечам интерферометра. Авторы предполагали, что опыт удастся провести по-настоящему с помощью правильной пред- и пост-селекции состояний и стратегии слабых измерений. Впервые воплотить идею своих коллег смогли китайские физики под руководством Гуан Цань Го (Guang-Can Guo) из Научно-технического университета Китая.
Источник: https://www.nanonewsnet.ru/

Американские физики сообщили о новом подходе к созданию жидкого света. Он заключается в медленном переходе от неупорядоченной к упорядоченной цепочке Бозе — Хаббарда, сформированной из трансмонных кубитов. Авторы населяли кубиты микроволновыми фотонами и следили за тем, как меняются их свойства в результате «плавления». Измерения, проведенные в опыте, хорошо согласуются с жидкостными квантовыми моделями.
Исследование опубликовано в Nature.
Задачи о взаимодействии многих тел можно считать самыми сложными в физике. Проблемы начинаются уже при трех телах в классической механике. Вместе с тем понимание множества феноменов в физике конденсированного состояния — сверхпроводимости, сверхтекучести, моттовских изоляторов и многого другого — требует именно такого подхода. Однако сложные процессы невозможно просчитать не только аналитически, но и численно.
И тогда на помощь физикам приходят квантовые симуляции. Это эксперименты с разнообразными частицами, которые испытывают взаимодействие многих тел в условиях более высокой степени контроля, чем та, что доступна в экспериментах с конденсированными средами. В роли таких тел могут выступать самые разные частицы: атомы, фотоны и даже квазичастицы.
Синтетические фазы материи, образованные взаимодействующими частицами, часто требуется готовить в некотором равновесном состоянии. В случае с микроволновыми фотонами, живущими в резонаторе, эффективным оказывается проектирование низкоэнтропийных резервуаров и связывание мод с ними через резонансные фильтры. Однако этот метод плохо работает для подготовки сжимаемых фаз, то есть фаз с высокой плотностью состояний частиц, например, квантовых жидкостей.
Чтобы получить фотонную жидкость, Брендан Саксберг (Brendan Saxberg) и его коллеги из Чикагского университета, применили другой подход.
Источник: https://nplus1.ru/

Британские физики обнаружили возникновение квантовой запутанности между различными свойствами одиночных фотонов, бегущих одновременно по разным вращающимся интерферометрам Саньяка. Этот результат можно интерпретировать как свидетельство рождения запутанности, вызванное искривлением пространства-времени.
Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Величайшая проблема в физике — объединение квантовой механики и теории относительности — пока не решена. Причин у этого несколько, но самая важная из них заключается в том, что процессы, описываемые этими теориями, происходят на очень разных масштабах. Это побуждает физиков придумывать эксперименты, где релятивизм и искривление пространства времени соприкасаются с квантовыми свойствами объектов.
Сначала ученые пытались увидеть влияние гравитационных эффектов на набег фазы квантовых частиц. Впервые это было сделано с помощью интерференции нейтронов в гравитационном поле Земли. Сегодня для этого используют более точные атомные интерферометры или атомные часы.
Существуют похожие эксперименты и для безмассовых фотонов. В 2019 году физики из Великобритании объединили релятивистский эффект Саньяка с интерферометрией Хонга — У — Мандела. Они увидели, что набег фазы фотонов в точности совпадает с предсказанием специальной теории относительности. Теперь же часть этой команды, а именно Марко Торош (Marko Toroš) из Университета Глазгоу и его коллеги, увидели, как вращение приводит к запутыванию свойств фотонов.
Под запутыванием физической системы понимают ситуацию, при которой два или более ее свойства оказываются связанными друг с другом квантовыми корреляциями, и измерение одного из них влияет на результаты измерения другого. Это могут быть как одни и те же свойства разных частиц, так и несколько свойств одной частицы. С точки зрения математики вектор состояния такой системы не может быть представлен в виде произведения множителей, изолированно описывающих запутанные свойства (то есть в сепарабельном виде). Квантовая запутанность, вообще говоря, не должна сохраняться в общей теории относительности. Авторы нового исследования решили проверить это предположение.
Источник: https://nplus1.ru/