vako

6 лет назад

Кристаллы времени для тетракварков: квантовая физика в 2017 г.

2017 год был диким и непредсказуемым. А какая наука лучше всего соответствует странному году, чем квантовая физика?

В этом году произошли удивительные квантовые открытия во всех уголках мира - в глубоко-спрятанных нейтринных лабораториях в Антарктиде, лаборатории квантовых вычислений в крупных университетах и даже в грозах, грохочущих над Японией. От кристаллов времени до неуловимого тетракварка - 15 из самых удивительных квантовых открытий за последние 12 месяцев.

Простой квантовый компьютер

Фото: ©Университет Сассекса

Квантовые компьютеры уже конструируются, с некоторыми возможностями опережающими соответствующие свойства современных компьютеров. Но на самом деле их строительство остается сложным предприятием - прошлые усилия основывались на лабораторных лазерах или другом утонченном оборудовании. Теперь исследователи из Университета Сассекса предложили новый способ построения квантового компьютера с использованием микроволн для управления отдельными атомами. Теоретически квантовый компьютер мог работать в гораздо менее экстремальных условиях и в гораздо большем масштабе, чем текущие модели.

Кристалл времени

Фото: © E.Edwards/JQI

Кристаллы времени - звучит как талисман из фантастического романа, но они на самом деле являются реальными квантовыми объектами, созданными впервые в 2017 году. Временной кристалл - это уникальное состояние материи, группа ионов, соединенных вместе квантовыми связями, так что они дрожат или колеблются вместе в повторяющемся цикличном периоде. Пока условия, необходимые для их существования, остаются, кристаллы времени блокируются в один момент времени; независимо от того, сколько энергии накачивается в них, они не нагреваются или не увеличивают энтропию - эффективно приостанавливая законы термодинамики, в их обычном понимании.

Ультрахолодные частицы

Фото: ©Alexander Softog/Shutterstock

Квантовая физика - это (в той или иной мере) наука о том, что происходит, когда очень маленькие вещи взаимодействуют без вмешательства больших, внешних сил и энергий. Поэтому, для проведения многих квантово-механических экспериментов, исследователям необходимо охлаждать небольшие группы частиц, до степени, когда тепло не позволит атомам смещаться. Исследователи уже давно используют лазеры для замедления частиц, лишая их энергии. Но новая методика, использующая магнитные поля для захвата молекул до их лазерного замедления, делает этот метод еще одним шагом вперед и рабочим для многих видов молекул. В раннем эксперименте с этой методикой исследователи из Imperial College London охладили молекулу монофторида кальция до 50 микрокельвинов - на 50 миллионных долей выше абсолютного нуля.

Нейтринные симметрии

Фото: © IceCube Neutrino Observatory

Новые результаты обсерватории IceCube Neutrino - демонстрации проведенные в лаборатории, погребенной под ледяной поверхностью в Антарктиде на глубине 1,45 километра, которая изучает трудно обнаруживаемые частицы, свидетельствуют о странной симметрии в массах нейтрино. Нейтрино делятся на три аромата: мюон, тау и электрон. Их массы делятся на три своих "собственных состояния" или, неформально, вида. Один вид состоит, главным образом, из электронных нейтрино, второй вид состоит из почти равного сочетания всех трех особенностей. Но новые данные свидетельствуют о том, что третий вид состоит из равного раскола мюонных и тау-нейтрино - и это - симметрия, которую все еще не могут объяснить ученые, предполагая, что могут существовать скрытые закономерности, регулирующие нейтрино, которые физикам еще предстоит выявить.

Двойные очарованные частицы

Фото: © CERN

Эксперимент на Большом адронном коллайдере (LHC), подземном кольце длиной в 17 миль (27 км) под Женевой, показал, что частицы бариона - или трех кварков - состоят из двух тяжелых d-кварков «очарования» и одного более легкого "вверхнего" u-кварка. Когда появилась неуловимая, так называемая частица Xi-cc-plus-plus, дальний родственник более распространенных барионов, таких как нейтроны и протоны, она подтвердила предсказания стандартной модели, господствующей теории, которая объясняет субатомные частицы. Теоретические физики Джонатан Рознер и Марек Карлайнер разработали метод оценки массы еще нераскрытых барионов и этот эксперимент приблизился к их прогнозу, продемонстрировав, что он сработал.

Взрывной квантовый секрет

Фото: Shutterstock

Когда методы Роснера и Карлайнера оказались полезными, они смогли применить его в других контекстах. Один из примечательных примеров: они обнаружили, что потенциально возможно сплавить два сверхтяжелых «нижних» кварка и сформировать нуклон. Это различие в «кварцевом слое» могло бы освободить огромное количество энергии - в 7,6 раз больше энергии отдельных реакций синтеза водорода, которые происходят внутри атомных бомб. Открытие напугало Карлайнера, как сказал он в "Live Science", так, что он рассматривал сохранение этого в секрете, пока не убедился, что не существует возможности собрать достаточное количество материала для создания оружия.

Неуловимый тетракварк

Фото: © Giroscience/Shutterstock

Техника Роснера и Карлайнера для определения массы теоретических частиц также позволила им предсказать, что адронный «священный грааль», тетракварк - частица, состоящая из четырех кварков, а не трех найденных в барионах, действительно может существовать в чистом виде. Они даже предсказывали ее массу. Их исследования указывают путь к будущим экспериментам на LHC, которые рано или поздно должны выявить реальный тетракварк на Земле.

Ускорители частиц ударами молнии

Фото: © Vasin Lee/Shutterstock

С 1925 года исследователи подозревают, что электронные каскады молнии могут инициировать процессы расщепления атомов. Но впервые в 2017 году исследователи доказали, что молния является гигантской фабрикой антиматерии. Вспышки молний внутри гроз, как они показали, развязывают цепь событий, которые заставляют нейтроны отделяться от окружающих атомов азота и кислорода. Этот процесс оставляет нестабильные радиоактивные изотопы - и ливни нейтрино и антиматерии, обнаруживаются с земли, посредством сигнальных гамма-вспышек, когда антиматерия встречает материю и аннулируется.

Квантовая запутанность на больших расстояниях

Фото: © Natali art collections/Shutterstock

Этим летом китайский спутник Micius начал отправлять на Землю и получать обратно интересные квантовые частицы. Первый прием? Дефрагментация записи для отделения запутанных частиц. Micius отправил пару запутанных или квантово-связанных протонов на базовые станции на Земле, отдаленные друг от друга на расстояние 747,5 миль (1203 км), что стало первым шагом к созданию безопасного шифрования для квантового Интернета.

Квантовая телепортация

Фото: © sakkmesterke/Shutterstock

В течение месяца с момента своего объявления о запутывании команда Micius заявила о другом достижении: квантовая телепортация пакета информации от протона на базовой станции Земли к протону на спутник на орбите. Опять же, это вид передачи информации на большие расстояния, которую будущие квантовые сети должны будут достигнуть с высокой степенью надежности.

Атомные часы

Измерение времени оказывается очень трудным процессом. Для очень точных измерений времени исследователи нуждаются в часах, которые определяют очень точные события: колебания атомов. Но даже эти часы теряют считанные секунды в течение десятков миллиардов лет - слишком неточные для некоторых экспериментов. Новые атомные часы, о которых объявили в 2017 году, охлаждают большие группы атомов, прежде чем их измерять, и достигают точности потери всего 1 секунды за 90 миллиардов лет. Это суперточность.

Квантовая информация

Одно дело послать отпечатки квантовой информации с земли на спутник. И совсем другое - отправить действительно полезную квантовую информацию через беспорядок и суету городского воздуха. Но исследователи из Оттавского университета сделали именно это, отправив фотоны, содержащие два бита информации между двумя зданиями, расположенными на расстоянии 984 фута (300 метров) друг от друга.

Проблемы квантовых вычислений

Впервые ученые показали, что квантовые компьютеры могут взламывать проблемы, которые не "по-плечу" обычным компьютерам. Две отдельные команды в Гарварде и Университете штата Мэриленд построили квантовые симуляторы, которые могут моделировать сложный квантовый магнетизм на уровне, недостижимом даже для суперкомпьютеров.

Самая тонкая жидкость

Обычные капли жидкости удерживаются вместе электромагнитными силами между молекулами - силами, которые заставляют их сохранять свои формы и не позволяют им изменять свои объемы так, как это делает газ. Но команда физиков построила новый вид жидкой капли, настолько тонкой, что она должна была вести себя как газ, который держался вместе, используя только силы квантовых флуктуаций - странные частицы, которые по-видимому, танцуют вокруг в пространстве на квантовом уровне и надавливают друг на друга.

Аннулирование энтропии

Это фундаментальный факт Вселенной, закрепленный во втором законе термодинамики, о том, что тепловые потоки идут от горячих объектов в холодные, а не наоборот. Так происходит потому, что вселенная становится все более беспорядочной. Но квантовые законы усложняют эту картину и впервые исследователи продемонстрировали, что с помощью этих законов можно манипулировать частицами, чтобы поток тепла из более холодного атома углерода превращался в более горячий атом водорода внутри молекулы хлороформа, временно изменяя поток хаоса в том, что является крошечным участком Вселенной, пока квантовая связь между атомами не затухает.

Источник