Квантовая физика + Ученые

Эта технология может послужить универсальным переводчиком для квантовых компьютеров, обеспечивая их взаимодействие на больших расстояниях и преобразование до 95 % сигнала практически без шума. При этом всё устройство размещается на кремниевой микросхеме — том же материале, что используется в обычных компьютерах.

«Это словно найти переводчика, который понимает почти каждое слово, сохраняет смысл сообщения и не добавляет постороннего шума», — отмечает соавтор исследования Мохаммад Халифа, проводивший работу в рамках своей кандидатской диссертации на факультете прикладных наук UBC и в Институте квантовых материалов Стюарта Блуссона (SBQMI).

«Самое важное, что устройство сохраняет квантовые связи между удалёнными частицами и работает в обе стороны. Без этого мы получили бы лишь дорогие отдельные компьютеры, а с ним — настоящую квантовую сеть».

Принцип действия.

Квантовые компьютеры обрабатывают информацию с помощью микроволновых сигналов. Однако для передачи данных на большие расстояния — между городами или континентами — их необходимо преобразовать в оптические сигналы, передающиеся по оптоволоконным кабелям. Причём эти сигналы чрезвычайно хрупки, и малейшие помехи в процессе конвертации способны их разрушить.

Это представляет серьёзную проблему для явления запутанности — феномена, на котором базируется квантовая обработка информации, когда две частицы остаются связанными вне зависимости от расстояния. Эйнштейн называл это «зловещим действием на расстоянии». Потеря такой связи означает утрату квантового преимущества. Представленное устройство UBC, описанное в статье, опубликованной в журнале npj Quantum Information, способно обеспечивать квантовую связь на дальние дистанции, сохраняя эти запутанные связи.

Кремниевое решение!

Разработанная командой модель представляет собой преобразователь фотонов микроволнового и оптического диапазонов, реализуемый на кремниевой подложке. Ключ к прорыву — в тонко инженерных дефектах: магнитных центрах, намеренно внедрённых в кремний для контроля его свойств. При точной настройке микроволновых и оптических сигналов электроны в этих дефектах преобразуют один вид сигнала в другой, не поглощая энергию, что избавляет устройство от нестабильности, свойственной другим методам трансформации.

Кроме того, прибор работает эффективно при чрезвычайно низком уровне мощности — всего лишь миллионных долях ватта. Авторы предложили практическую конструкцию с использованием сверхпроводящих компонентов — материалов, обладающих идеальной электропроводностью — в сочетании с специально модифицированным кремнием.

Хотя исследование остаётся теоретическим, оно открывает важную перспективу для развития квантовых сетей.

«Завтра квантовый интернет не появится, но это крупнейший шаг вперёд, устраняющий серьёзное препятствие», — подчёркивает ведущий автор работы доктор Джозеф Салфи, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники и исследователь SBQMI.

«Сегодня надёжная передача квантовой информации между городами остаётся сложной задачей. Наш подход способен изменить ситуацию: кремниевые преобразователи можно производить на базе существующих технологий чипостроения и легко интегрировать в современную коммуникационную инфраструктуру».

В будущем квантовые сети обещают обеспечить практически неразрывную онлайн-безопасность, навигацию GPS, работающую в помещениях, а также возможность решать задачи, недоступные современным технологиям — от создания новых лекарств до существенно более точных прогнозов погоды.

Исследователи из Лос-Аламосской национальной лаборатории сделали важный шаг в развитии квантовых вычислений. В своей новой работе, опубликованной в журнале *Physical Review Letters*, они представили задачу, которую классические компьютеры не могут эффективно решить, в то время как квантовые справляются с ней значительно лучше. Это редкий и ценный пример так называемого «квантового преимущества».

Команда так же сосредоточилась на моделировании сложной оптической схемы, включающей множество источников света, полупрозрачных зеркал (светоделителей) и фазовращателей. Такие схемы называются гауссовыми бозонными и представляют собой физически реалистичные модели, которые можно воспроизвести в лаборатории. Они используются, например, в квантовой оптике и фотонных вычислениях.

Проблема в том, что классическое моделирование таких систем требует экспоненциально растущих вычислительных ресурсов. Даже просто описать поведение всей системы на обычном компьютере — задача практически невозможная. Однако квантовый компьютер способен эффективно справиться с этим моделированием благодаря использованию принципов квантовой физики: суперпозиции, запутанности и интерференции.

Теоретическая значимость.

Авторы показали, что задача моделирования гауссовых бозонных схем относится к классу BQP-полных. Это означает, что она является типичной для квантовых вычислений и одновременно крайне сложной для классических алгоритмов. Более того, любая другая задача из этого класса может быть сведена к данной, и наоборот. Это делает её важным ориентиром в теории квантовой сложности.

Роль студенческого вклада.

Интересно, что ключевую роль в проекте сыграла студентка летней школы квантовых вычислений Элис Барт, которая работает в ЦЕРН. Обладая глубокими знаниями в области оптических схем и квантовых алгоритмов, она внесла решающий вклад в разработку модели. Её участие стало возможным благодаря стажировке в Лос-Аламосской лаборатории — престижной программе, где студенты старших курсов и магистратуры работают над реальными научными проектами под руководством опытных исследователей.

Вывод!

Это исследование не только расширяет список задач, где квантовые компьютеры демонстрируют явное преимущество, но и приближает нас к практическому использованию квантовых технологий. Оно также подчёркивает важность междисциплинарного подхода и вклад молодых учёных в передовые научные открытия.

Погрузитесь в глубины Вселенной и узнайте о границах физики на планковском масштабе в нашем новом видео «Почему физика терпит крах на планковском масштабе!»

Откройте для себя, почему законы физики перестают работать на невообразимо малых расстояниях и при колоссальных энергиях, и как такие концепции, как квантовая гравитация и теория струн, пытаются решить эти загадки.

Мы исследуем тайны планковской длины, времени и энергии, показывая, как эти масштабы влияют на наше понимание реальности.

Присоединяйтесь к этому головокружительному путешествию через космологию и квантовую механику!

Абсолютный предел точности: загадка, которую стоит разгадать!

Представьте себе ситуацию: вы пытаетесь рассмотреть маленький объект, скрытый за мутным стеклом неправильной формы. Вместо четкого изображения вы видите сложный световой узор, состоящий из множества светлых и темных пятен. Вопрос, который возникает: насколько точно мы можем определить, где на самом деле находится объект, основываясь на этом изображении?

Эта задача имеет огромное значение для таких областей, как биофизика и медицинская визуализация. Когда свет проходит через биологические ткани, он теряет информацию о более глубоких структурах. Но какую часть этой информации можно восстановить? Ответ на этот вопрос не только технический — здесь вступает в игру сама физика, устанавливающая фундаментальные ограничения.

Здесь на помощь приходит теоретический показатель, известный как информация Фишера. Этот показатель описывает, сколько информации содержит оптический сигнал о неизвестном параметре, таком как положение объекта. Если информация Фишера невелика, точное определение становится невозможным, независимо от того, насколько тщательно вы анализируете сигнал. Исходя из этого, команда смогла рассчитать верхний предел теоретически достижимой точности в различных экспериментальных сценариях.

Нейронные сети: учимся на хаосе.

Пока теоретики занимались расчетами, экспериментальная группа, возглавляемая Дорианом Буше из Университета Гренобля, провела захватывающий эксперимент. Лазерный луч направлялся на небольшой отражающий объект, скрытый за мутной жидкостью. На полученных изображениях были видны только сильно искаженные световые узоры. Условия измерения варьировались, что усложняло получение точной информации о местоположении объекта.

"Для человеческого глаза эти изображения выглядят как случайные узоры", — говорит Максимилиан Веймар, один из авторов исследования. Но вот в чём фишка: если мы введём множество таких изображений — каждое с известным положением объекта — в нейронную сеть, она сможет распознать, какие шаблоны связаны с какими позициями. После достаточного обучения сеть смогла очень точно определять положение объекта, даже с учётом новых, неизвестных шаблонов.

Почти на пределе физических возможностей.

Интересно, что точность прогнозирования была лишь незначительно ниже теоретически достижимого максимума, рассчитанного с использованием информации Фишера. "Это означает, что наш алгоритм, поддерживаемый искусственным интеллектом, не только эффективен, но и почти оптимален", — утверждает профессор Роттер. Он обеспечивает почти ту же точность, что и законы физики.

Это открытие имеет далеко идущие последствия: с помощью интеллектуальных алгоритмов оптические методы измерений могут быть значительно усовершенствованы в широком спектре областей — от медицинской диагностики до исследований материалов и квантовых технологий. В будущих проектах исследовательская группа планирует сотрудничать с партнёрами из прикладной физики и медицины, чтобы исследовать, как эти методы, поддерживаемые искусственным интеллектом, могут быть использованы в конкретных системах.

Таким образJV, мы стоим на пороге новой эры в оптических измерениях. Искусственный интеллект, в сочетании с глубокими знаниями о физике, открывает двери к более точным и эффективным методам визуализации. В будущем мы сможем разглядеть мир с такой чёткостью, о которой раньше могли только мечтать. И, возможно, в этом мире не останется ни одного «размытого пятна».

Ионная имплантация - это способ отделения тонкого слоя алмаза от более крупного кристалла путем бомбардировки алмазной подложки высокоэнергетическими ионами углерода, которые проникают на определенную глубину под поверхность. В результате этого процесса на алмазной подложке образуется скрытый слой, в котором нарушена кристаллическая решетка. Этот поврежденный слой эффективно действует как шов: благодаря высокотемпературному отжигу он превращается в гладкий графит, что позволяет алмазному слою, расположенному над ним, образовывать единую ультратонкую пластину.

Команда исследователей из Университета Райса разработала более простой и эффективный способ достижения эффекта отрыва: вместо высокотемпературного отжига они обнаружили, что после ионной имплантации достаточно нарастить дополнительный алмазный слой поверх подложки, чтобы поврежденный слой стал похожим на графит.

Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Functional Materials, усовершенствованная техника позволяет обойти высокотемпературный отжиг и генерирует более чистые алмазные пленки, чем оригинальные подложки. Более того, подложка при этом подвергается минимальному повреждению и может быть повторно использована, что делает весь процесс ресурсосберегающим и масштабируемым.

"Мы обнаружили, что чрезмерный рост алмазов превращает скрытый слой повреждений в тонкий графитовый слой, устраняя необходимость в энергоемком отжиге", ‑ сказал Сян Чжан, доцент кафедры материаловедения и наноинженерии в Rice и автор-корреспондент исследования. "Полученная алмазная пленка более чистая и качественная, чем исходный алмаз, и соответствует качеству электронного материала".

По словам Чжана, эти сверхчистые алмазные пленки "могут произвести революцию в электронике, создав более быстрые и эффективные устройства, или послужить основой для квантовых компьютеров, которые решают задачи, выходящие за рамки сегодняшних возможностей".

Для создания нового слоя алмаза на подложке исследователи использовали метод плазменного химического осаждения с микроволновым возбуждением, который позволяет наносить новый алмазный материал на поверхность в идеальном соответствии с подлежащим кристаллом. Ученые выдвинули гипотезу, что условия самого процесса роста достаточно для того, чтобы инициировать преобразование скрытого поврежденного слоя в графит, без необходимости в дополнительном нагреве.

Чтобы подтвердить эту теорию, команда исследовала, как изменялись границы раздела между алмазной подложкой, слоем скрытых повреждений и наросшей пленкой во время роста алмаза, используя комбинацию просвечивающей электронной микроскопии, спектроскопии потери энергии электронов, спектроскопии комбинационного рассеяния света и фотолюминесцентного картирования.

«Коррелируя атомное изображение с спектроскопическими сигналами, мы демонстрируем, что наращивание алмаза достаточно для формирования чистого графитового слоя, сохранения гладкости подложки и получения алмазных пленок электронной grade, что имеет решающее значение для квантовых технологий», — добавил Чжан.

Упрощая производство и повышая устойчивость, новый метод может способствовать разработке трансформирующих технологий на основе алмаза.

Учёные, работающие с перспективным квантовым материалом, недавно сделали неожиданное открытие, которое может произвести настоящий прорыв в области электротехники и квантовых технологий. В процессе исследования кристаллической структуры данного материала было выявлено, что он самопроизвольно формирует одну из самых тонких полупроводниковых границ в мире — всего 3,3 нанометра толщиной! Для сравнения, это примерно в 25 000 раз меньше листа бумаги!

«Это было большим сюрпризом», — поделился ассистент профессора Шуолонг Ян. «Мы не ставили целью создать эту границу, но материал сам по себе образовал её, и это одна из самых тонких, что мы когда-либо видели».

Это открытие открывает новые горизонты для создания миниатюрных электронных компонентов, а также предоставляет дополнительные знания о поведении электронов в материалах, специально разработанных для квантовых приложений. Статья под названием «Спектроскопические доказательства перераспределения заряда внутри единичной ячейки в нейтральном магнитном топологическом изоляторе» была опубликована в журнале Nanoscale.

Исследователи из Притцкерской школы молекулярной инженерии Чикагского университета и Университета штата Пенсильвания сосредоточились на изучении электронных свойств материала MnBi₆Te₁₀, который принадлежит к классу топологических веществ с необычными характеристиками. Эти материалы могут позволить электричеству свободно течь по их краям без сопротивления, что делает их крайне привлекательными для потенциального использования в квантовых компьютерах и других эффективных электронных устройствах.

Однако для правильной работы таких материалов, как MnBi₆Te₁₀, важно иметь сбалансированное распределение электронов. Команда исследователей предположила, что добавление сурьмы в MnBi₆Te₁₀ поможет достичь необходимого равновесия. Обычные электрические испытания подтвердили, что материал в целом нейтрален.

Затем, применив временно-угловую разрешающую фотоэмиссионную спектроскопию (trARPES), они наблюдали за распределением электронов и изменениями их энергетических уровней в реальном времени. Результаты оказались неожиданными: в каждой повторяющейся ячейке кристалла, состоящей всего из нескольких атомов, электроны распределялись неравномерно, образовывая миниатюрные электрические поля.

«В идеальном квантовом материале необходимо добиться действительно равномерного распределения зарядов, — отметил аспирант Хан Дуй Нгуен. — Наблюдение за этим неравномерным распределением может указывать на сложности в достижении квантовых приложений так, как планировалось изначально, но также открывает новые возможности».

Эти небольшие области функционировали как p-n переходы, которые представляют собой тип полупроводникового соединения с внутренними электрическими полями и используются в таком повседневном оборудовании, как телефоны и компьютеры. Однако в отличие от традиционных p-n переходов, эти формируются естественным образом внутри кристаллической структуры.

Более того, естественно образующийся p-n переход оказывается высокочувствительным к свету, что может открыть новые пути для электроники следующего поколения, включая спинтронику — технологию манипулирования данными с использованием магнитного спина электрона.

При моделировании процессов внутри кристалла MnBi₆Te₁₀, исследователи гипотетически объяснили, как формируются эти p-n переходы, предполагая, что добавление сурьмы приводит к обмену между атомами марганца и сурьмы, вызывая различия в заряде по всему материалу.

Хотя это открытие добавляет определенные сложности в усовершенствование материала для использования с квантовыми эффектами, оно также открывает новые возможности в сфере электроникна тонких пленок, вместо крупных трехмерных кристаллов, что обеспечит более точное управление поведением электронов и усовершенствование выхода этих крошечных p-n переходов.

«Это снова подчеркивает важность фундаментальных научных исследований и открытости к тем направлениям, куда они могут привести», — заключил Ян. «Мы начали с одной цели и нашли сюрприз, который перенаправил нас в совершенно увлекательное направление».

Исследователи из Института Макса Планка по физике сложных систем (MPIPKS) недавно представили новую теоретическую основу, описывающую низкоэнергетические возбуждения в бозонных квантовых квазикристаллах. Их новая теория, изложенная в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, является расширением традиционных теорий упругости, учитывающих уникальные симметрии квантовых квазикристаллов.

«Эта работа является частью продолжающегося сотрудничества с двумя коллегами, профессором Франческо Пьяцца и доктором Мариано Бонифасио, которое началось в 2022 году, когда я был гостевым ученым в MPIPKS в Дрездене, Германия», — рассказал Alejandro Mendoza-Coto, первый автор статьи, журналу Phys.org.

«Мы изучали квантовые самоорганизующиеся квазикристаллические фазы в моделях QED с полостями, и в какой-то момент пришли к выводу, что, учитывая будущую экспериментальную проверку наших результатов, изучение низкоэнергетических возбуждений в этих системах будет актуальным.

«Еще одной убедительной причиной для рассмотрения этой проблемы стало наличие в литературе предыдущих симметричных аргументов, предсказывающих пять бездолговых режимов возбуждения для этих систем, в то время как теории первого принципа, подтверждающей это заключение, все еще не было».

Изначально Mendoza-Coto, Бонифасио и Пьяцца пытались численно исследовать весь спектр возбуждений квазикристаллов, но когда это оказалось сложным, они начали проводить теоретические анализы. По мере продвижения в своих анализах они осознали, что теории первого принципа для бозонных квантовых квазикристаллов все еще не существовало, и решили разработать такую.

«Мы черпали вдохновение из нескольких различных статей, сосредоточенных на построении эффективной теории низкой энергии для сверхтвердых веществ», — отметил Mendoza-Coto.

«Я считаю, что основная мысль, которую следует подчеркнуть, заключается в признании того, что если мы хотим развить теорию первого принципа для модулированных бозонных систем, нам необходимо учитывать не только ожидаемые колебания в фазах модулированного паттерна и самого конденсата, но и соответствующие колебания плотности, сопряженные с каждым полем колебаний фазы, которое мы вводим. Это очень важное соображение, которое отличает нашу работу от других в литературе».

Главная идея теории команды заключается в том, что для изучения низкоэнергетических флуктуаций в основном состоянии системы квантового квазикристалла необходимо учитывать больше, чем только колебания в фазах плотностного паттерна и волновых функций конденсата, которые уже ожидаются. В частности, следует также учитывать другие сопряженные флуктуации (т.е. которые математически связаны с ожидаемыми флуктуациями).

«На мой взгляд, это самый важный аспект, который мы признали для построения теории первого принципа с соответствующим числом степеней свободы, которая одновременно согласуется с симметричными свойствами, уже ожидаемыми для этой системы», — объяснил Mendoza-Coto.

«Как только вы понимаете, какие именно флуктуации необходимо включить и каким образом их следует добавить в волновую функцию основного состояния, расчеты становятся довольно простыми, и наши выводы не зависят от дальнейших предположений».

После того как исследователи получили низкоэнергетическое действие для самой простой возможной структуры квазикристалла (т.е. двенадцатигранного квазикристалла), Пьяцца предложил расширить их исследование на другие возможные квазикристаллические структуры. Это позволило им глубже понять, в какой степени их теория может быть обобщена на различные квантовые квазикристаллы и тем самым сделать предсказания о физических явлениях, наблюдаемых в этих системах.

«Это впоследствии оказалось ценным, поскольку мы обнаружили, что различные виды квазикристаллических структур демонстрируют разные особенности гибридизации между режимами и даже анизотропные свойства, что, безусловно, является приятной находкой нашей работы», — отметил Мендоса-Кото. «Я полагаю, что наши результаты, в определенной степени, являются аналогом известного спектра возбуждений Боголюбова для однородных конденсатов в контексте не однородных фаз».

«Получение замкнутых анализов выражений для энергий возбуждений при низком импульсе в квантовых квазикристаллах, на мой взгляд, является весьма значимым результатом, поскольку стандартный метод для выполнения таких расчетов в литературе является численным».

Недавняя работа Мендоса-Кото, Бонифасио и Пьяцца может послужить основой для будущих исследований, направленных на лучшее понимание бозонных квантовых квазикристаллов и их фундаментальной физики. В будущем предложенная ими теория может помочь в понимании фазовых переходов в квантовых квазикристаллах и потенциально также в сверхтвердых веществах (т.е. состояниях материи с кристаллическим порядком, которые объединяют некоторые свойства твердых тел и сверхтекучестей).

«Я думаю, что эта работа поможет нам в поисках новых экзотических фаз в системах, обладающих сверхтекучестью и топологическими дефектами, таких как предложенные супер-гексатические или супер нематические фазы», — добавил Мендоса-Кото. «У меня есть несколько проектов, связанных с продолжением этого исследования. Мы уже работаем над расширением этой работы на одномерные квазикристаллы в условиях QED с полостями, а также над другими проектами, связанными с применением этой формализма к сверхтвердым веществам».