квант 1

ru_quantum


Журнал "Квантум"

популярно о квантовой механике


В экспериментах получены три сверхпроводящих кубита в сцепленном состоянии
Math
karakurt

Два кубита, связанных с волноводом (иллюстрация Leonardo DiCarlo, Yale University).

Сразу две группы физиков представили результаты опытов по организации «запутанных» состояний трёх сверхпроводящих кубитов.

Заметим, что аналогичные эксперименты с фотонными и ионными кубитами были проведены довольно давно, однако в случае сверхпроводящих устройств, привлекающих специалистов надёжностью работы и относительной простотой изготовления, ранее демонстрировались сцепленные состояния только двух кубитов.

Первая группа, возглавляемая учёными из Йельского университета, создавала кубиты с использованием двух небольших отрезков сверхпроводника, соединённых двумя туннельными переходами. Энергетические уровни системы — «0» и «1» — задавались тем, как куперовские пары электронов распределяются между двумя сверхпроводящими образцами, причём переход из одного состояния в другое сопровождался поглощением или испусканием СВЧ-фотона.

С помощью таких кубитов, связанных с СВЧ-волноводом, авторы реализовали состояние Гринбергера — Хорна — Цайлингера (GHZ). GHZ представляет собой суперпозицию состояния, в котором все кубиты находятся на уровне «1», и обратного — полностью «нулевого» — состояния. В наиболее простом случае трёх кубитов можно записать это так: |GHZ> = (|000> + |111>)/2½. Состояние GHZ может пригодиться в будущем, когда учёные наконец начнут конструировать квантовый компьютер, и им потребуется квантовая коррекция ошибок.


Физики вывели фотоны на квантовую прогулку
Math
karakurt

Сравнение классического (слева) и квантового блуждания (иллюстрация из журнала Science).

С помощью небольшой кремниевой пластины с волноводами группа учёных из Великобритании, Японии и Израиля и Нидерландов пронаблюдала квантовое случайное блуждание для двух фотонов.

Классическое случайное блуждание легче всего рассматривать в одномерном случае. Предположим, что движение начинается в точке «0», и на каждом шаге мы смещаемся на единицу влево или вправо, причём направления равновероятны. Подкинув монетку два раза, мы, как несложно догадаться, окажемся либо в точке «2», либо в «-2», либо вернёмся в начальное состояние, а на пятом шаге нам уже будут доступны точки «5», «-5», «3», «-3», «1» и «-1». Подобные модели — с бóльшим числом измерений и прочими модификациями — можно использовать для описания самых разнообразных процессов.

В квантовом варианте модели необходимо учитывать, что до измерения частица находится в суперпозиции состояний. Если, к примеру, фотон направить на светоделитель, то на выходе он будет двигаться «сразу по двум направлениям».


Проведено самое масштабное моделирование работы квантового компьютера
Math
karakurt
Обновленный в мае прошлого года суперкомпьютер JUGENE (фото Oliver Berg / dpa / Corbis).
Обновленный в мае прошлого года суперкомпьютер JUGENE (фото Oliver Berg / dpa / Corbis).

Сотрудники Исследовательского центра города Юлих (Германия) смоделировали работу квантового  компьютера с 42 кубитами, используя мощнейший европейский суперкомпьютер JUGENE.

«Вычислительная мощность квантовой системы при увеличении ее размеров растет экспоненциально, — напоминает участник работ Кристел Михельсен (Kristel Michielsen). — Это открывает широчайшие возможности в будущем, но затрудняет моделирование на «классических» компьютерах». Производительность последних растет линейно: увеличение количества используемых транзисторов на 10% в идеальном случае даст лишь 10-процентный прирост скорости вычислений.

Пиковая производительность JUGENE составляет один петафлопс (один квадриллион — 1015 — операций с плавающей запятой в секунду). В структуру суперкомпьютера входят 73 728 вычислительных узлов, на каждый из которых приходится по 2 Гб памяти. Вычислениями заняты 294 912 процессоров PowerPC 450 с тактовой частотой 850 МГц. «Когда столь большое число процессоров работает вместе, часто получается так, что им приходится ждать друг друга, и производительность теряется, — отмечает г-н Михельсен. — Мы долго оптимизировали программное обеспечение моделирования и, кажется, сумели решить эту проблему, добившись практически идеальной масштабируемости».

Смоделированный квантовый компьютер реализовал вычисления по известному алгоритму Шора (алгоритму разложения на простые множители): число 15 707 ему удалось представить в виде произведения простых чисел 113 и 139. При реализации алгоритма на практике столь большие числа недоступны, поскольку известные лабораторные прототипы квантовых компьютеров ненадежны и содержат не более восьми кубитов.

Результаты моделирования, как надеются ученые, помогут экспериментаторам найти действенные способы борьбы с возмущающими внешними воздействиями, которые приводят к появлению ошибок и ограничивают размеры квантовых систем.


Вирусы проверили на квант
Math
karakurt
GARCHING, Germany, March 16, 2010 - Обычно квантовая механика изучает поведение энергии и вещества на уровне атомов. Однако немецко-испанская исследовательская группа начала заниматься поиском признаков квантования в более сложных и больших организмах.
 
Группы ученых из Max Planck Institute for Quantum Optics в Garching и Institute of Photonic Sciences (ICFO), используют принципы квантовой механики для исследования свойств объектов, состоящих из более чем 1 миллиарда атомов, в том числе тех, которые могут содержать вирус гриппа.
 
Принципы квантовой оптики хорошо известны всем, кто занимается изучением квантования свойств одиночных атомов или небольших молекул. Размеры же исследуемых в данном случае образцов беспрецедентны, в процессе работы встречаются вопросы самого различного характера – от принципа суперпозиции и квантовой запутанности до межатомных эффектов. Исследователи пытаются исследовать свойства микрообъектов, взаимодействующих с макросистемой. Они полагают, что лучше всего для экспериментов подобного рода подходят вирусы. Используя квантовую механику, ученые надеются объяснить вопросы жизни и смерти, человеческого сознания, разума.
 
закрыть
 
Иллюстрация показывает, как можно связать для исследования квантовый объект с живым организмом, например, вирусом, загнанным в оптическую ловушку. (Image: New Journal of Physics)

Эксперимент включает в себя прецизионную лазерную установку для захвата больших объектов (например вирусов) в оптическую ячейку. В последствии объекты подвергаются «охлаждению» (переходу его в основное энергетическое состояние) и взаимодействуют с помещенным к ним фотоном.

«Надеемся, эта технология позволит понять, как себя проявляет квантовая механика на больших масштабах, с использованием принципов суперпозиции объектов нано- и микроуровня. Это позволит, в дальнейшем, использовать более сложные микроорганизмы и, следовательно, определять, как ведут себя живые микро- и макроорганизмы при взаимодействии».

Статья была напечатана в New Journal of Physics (co-owned by the Institute of Physics and German Physical Society).

Квантовый барабан застучал в такт с кубитом
Math
karakurt
В странном мире квантовой механики допускается, что крошечный объект может быть в двух местах одновременно. За век, прошедший с момента зарождения этой науки, квантовые эффекты наблюдали на примере электронов, фотонов, атомов и молекул. Однако для рукотворных механических объектов достоверных примеров учёные не получали – до сегодняшнего дня.
 
Профессор Клиланд дал специальный комментарий по поводу всеми любимого и давно ставшего культурным мемом кота Шрёдингера: нынешний эксперимент, к сожалению, никак не доказывает возможность осуществления опыта с котом в реальности, по той простой причине, что в отличие от механического резонатора кот сам является &quot;измерительным прибором&quot; и влияет на ход эксперимента.<br></br>Это не мешает, впрочем, отдельным учёным фантазировать на тему создания квантовой суперпозиции для существ, чья &quot;живость&quot; весьма сомнительна – читайте, к примеру, о <a href=&quot;http://www.membrana.ru/lenta/?9626&quot;>вирусе Шрёдингера</a>
 
Профессор Клиланд дал специальный комментарий по поводу всеми любимого и давно ставшего культурным мемом кота Шрёдингера: нынешний эксперимент, к сожалению, никак не доказывает возможность осуществления опыта с котом в реальности, по той простой причине, что в отличие от механического резонатора кот сам является "измерительным прибором" и влияет на ход эксперимента.

Это не мешает, впрочем, отдельным учёным фантазировать на тему создания квантовой суперпозиции для существ, чья "живость" весьма сомнительна – читайте, к примеру, о вирусе Шрёдингера.

Квантовая механика утверждает, что наблюдаемая частица может находиться только в дискретных состояниях — то есть измерение спина даст только "вверх" или только "вниз". Ещё в 1930-х годах Эрвин Шрёдингер на своём знаменитом примере с живым-мёртвым котом объяснял, что до измерения частица находится во всех возможных состояниях одновременно и только в момент наблюдения коллапсирует к одному из них.

Алмазная проволока осветила путь к компьютеру будущего
Math
karakurt
Алмазы известны своей красотой и необычным взаимодействием со светом, придающим бриллиантам неповторимую игру лучей. Дефект такого камня для ювелиров – огорчение, а физикам – радость. Как пишет Membrana, новое исследование показало, что несовершенства этого кристалла можно с успехом использовать для тонкого управления одиночными фотонами.
 
Впервые в лабораторных условиях был разработан и применён на практике метод получения цельных нанопроводков из алмаза. Ранее исследователям удавалось только частично внедрять крошечные фрагменты минерала в структуру такого малого масштаба.Впрочем, ключевой момент нынешнего достижения заключён не в масштабе объектов. Как наглядно показала команда специалистов во главе с учёными Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard SEAS), алмазная нанопроволока может служить источником единичных фотонов, выдаваемых "по требованию".

В ходе эксперимента с NV-дефектом можно изменять квантовое состояние частиц внутри камня. Предшествовавшие опыты других учёных публиковались в том числе, в <a href=&quot;http://prl.aps.org/abstract/PRL/v92/i7/e076401&quot;>Physical Review Letters</a> и <a href=&quot;http://www.nature.com/nnano/journal/v3/n5/abs/nnano.2008.99.html&quot;>Nature Nanotechnologies</a> (иллюстрация с сайта physics.mq.edu.au).

В ходе эксперимента с NV-дефектом можно изменять квантовое состояние частиц внутри камня. Предшествовавшие опыты других учёных публиковались в том числе, в Physical Review Letters и Nature Nanotechnologies (иллюстрация с сайта physics.mq.edu.au).
Группа Марко Лонкара (Marko Loncar) нашла подтверждение ранее рассчитанной на бумаге гипотезе в ходе своей программы по изучению нелинейных свойств фотонных кристаллов. Новая разработка совмещает в себе сразу две заявленные на сайте проекта цели: создание нанофотонного устройства, способного обрабатывать квантовую информацию, и высокочастотного генератора в рамках оптико-механической системы.
 


Искусственная кожа будет использовать туннельный эффект
Math
karakurt


Британская компания Peratech, которая, как известно, занимается разработкой сенсоров давления для экранов мобильных устройств, объявила, что использует тот же подход при изготовлении искусственной "кожи" для MIT Media Lab.

Peratech создала электропроводящий материал, называемый Quantum Tunnelling Composite (QTC). Когда материал сжимается электроны начинают перемещаться между двумя проводниками, разделенными полимерным изолирующим слоем, покрытым металлическими наночастицами. QTC уже был использован, при изготовлении небольших датчиков для робота Robonaut, принадлежащего НАСА и роботизированных захватов выпущенных компанией Shadow Robot.

Кожа из материала QTC, позволит роботу точно знать, где к нему притронулись, и с каким давлением, что может быть полезно при проектировании машин, с улучшенной возможностью держать предметы в руках, а также для разработки более естественных путей для взаимодействия машин с людьми.

Компания утверждает, что QTC можно печатать в виде гибких, надежных листов толщиной до 75 микрон или наносить в качестве покрытия толщиной всего в 10 микрон. Так как материал реагирует только в случае применения силы, соответственно он потребляет мало энергии. И его гибкость позволят ему соответствовать уникальным формам робота.

Алмазные нанопровода для квантовых компьютеров и не только
Math
karakurt
image.jpeg
Нанопроводное устройство из алмаза

Исследователи из Гарвардской школы инженерии и прикладных наук (Harvard School of Engineering and Applied Sciences) разработали метод получения алмазных нанопроводов – это достижение позволяет приблизить создание практических приложений, работающих на принципах квантовой физики.

Новое устройство позволяет создать интенсивный, стабильно работающий источник отдельных фотонов, работающий при комнатной температуре, оно является важным элементом для создания быстрого квантового компьютера, не искажающего данные в процессе работы.
Read more...Collapse )

Первое наблюдение процессов обмена в квантовом газе
Math
karakurt

Схема реакции с участием молекулы (две синие сферы) и атома (красная сфера), которая завершается образованием новой молекулы

В группе Рудольфа Гримма (Rudolf Grimm) из Инсбрукского университета впервые удалось осуществить прямое наблюдение обменных химических процессов, протекающих в ультраохлажденном образце, содержащем атомы цезия и молекулы Фешбаха (Feshbach molecules).
Существенный прогресс в области контролируемых процессов, в которых участвую квантовые газы, дает новые возможности для изучения химических процессов, протекающих в ультраохлажденных средах.

1265871557b5196.png

На графике обозначены длины волн де Бройля молекул Cs2 в боровских радиусах

Сложные процессы, которые, в основном, нельзя наблюдать непосредственно, определяют когда в результате химической реакции образуются новые химические связи, а когда разрываются существующие. Ряд этих процессов может протекать с поглощением энергии (эндоэргические процессы), часть – выделением энергии (экзоэргические процессы).
Впервые прогресс в области ультраохлажденных атомных и молекулярных газов позволяет осуществлять элементарные химические реакции, полностью контролируя их таким образом, что все участники реакции можно было бы получить в определенном квантовом состоянии.

Лауреат премии Виттгенштейна (эта премия вручается Федеральным Министерством Науки и Исследований Австрии исследователям, возраст которых не превышает 50 лет, и предполагает пятилетнее финансирование исследовательских проектов на сумму до 1,5 млн. евро) Рудольф Гримм, давно является авторитетом в области исследования ультраохлажденных квантовых газов. Так, в 2002 году не без его участия физики впервые получили Бозе-Эйнштейновский конденсат из атомов цезия и конденсат Ферми. В настоящее время на основе ультрахолодных квантовых газов физики способны получить и более сложные молекулы.
В новом эксперименте Гримм с соавторами-физиками смог осуществить непосредственное наблюдение, а также энергетический контроль процесса обмена в квантовом газе. Исследователь заявляет, что его эксперимент доказывает возможность контролированного проведения процессов с участием ультраохлажденных молекул.

В ходе выполнения эксперимента исследователи использовали оптические щипцы для захвата атомов цезия, после чего они были существенно охлаждены. Взаимодействия Фешбаха привели к образованию ультрахолодного облака частиц, содержащего, около четырех тысяч молекул и тридцати тысяч атомов, часть атомов в облаке образовывала димеры. С помощью микроволновых импульсов атомы переводили из одного квантового состояния в другое, не затрагивая молекулы. После получения смеси молекул (A+A) и атомов (B) физики подействовали на облако ультраохлажденных молекул магнитным полем с определенной напряженностью, позволяющим контролировать энергию связывания молекул. Столкновение молекул и атомов приводит к протеканию обменного процесса при достижении определенного порогового значения энергии. Исходные молекулы распадаются на отдельные атомы (A), и образуются новые молекулы (A+B).

Рудольф Гримм поясняет, что незначительное количество энергии, выделяющееся в результате этой экзоэргической реакции обмена, позволяет продуктам реакции оставаться в оптической ловушке. По словам исследователя, его эксперимент впервые позволил осуществить непосредственное наблюдение химического процесса. По словам Гримма, полученные результаты открывают перед физиками широкие возможности для изучения разнообразных контролируемых процессов в ультраохлажденных квантовых газах.

Источник: Nano News Net

Квантовые точки снова впереди
Math
karakurt
Электроны в роли кубитов при работе квантового компьютера, основанного на квантовых точках.
Электроны в роли кубитов при работе квантового компьютера, основанного на квантовых точках.

Квантовые точки часто рассматриваются как идеальные системы для применений в квантовых информационных системах за счет того, что они могут быть эффективными однофотонными излучателями. В этой модели, называемой моделью Лосса-ДиВинченцо, роль кубита выполняют электроны, локализованные в квантовых точках. Однако для практической реализации такого устройства важно уметь получать квантовые точки, испускающие фотоны с одинаковыми характеристиками, поэтому пока такой квантовый компьютер не создан.

Мохамед Беньосеф с коллегами предложил способ улучшить положение дел. Сначала они поместили квантовые точки GaAs в микроскопические колончатые поры (при этом две квантовые точки находились на расстоянии 30 мкм) и изменяли длину волны излучения точек, нагревая некоторые из них с помощью мощного сфокусированного лазерного луча. В результате квантовые точки излучали фотоны на одной длине волны.

Эксперименты по интерференции показали, что испущенные фотоны все равно различны, что, по мнению авторов, является следствием очень малого времени дефазировки излучаемых квантовыми точками GaAs фотонов. Однако эта стратегия остается многообещающей, если удастся найти квантовые точки с большим временем дефазировки.

?

Log in