Сотрудник Amazon Александр Кубица выиграл первый в мире турнир по квантовым шахматам. Турнир прошёл во время конференции по квантовым вычислениям Q2B на прошлой неделе.

Физики из Массачусетского технологического института представили новый тип атомных часов. Конструкция, в которой используются запутанные атомы, может помочь в поисках темной материи и изучении влияния гравитации во времени.

Японские учёные из Токийского университета впервые смогли пронаблюдать в реальном времени, как работает магниторецепция – ощущение магнитных полей Земли. Их работа, опубликованная в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, описывает, как квантовая физика напрямую влияет на биохимические реакции в клетке. Гипотезу о существовании этого процесса выдвигали ранее, но наблюдать его в работе пока ещё никому не удавалось.

Команда, используя специальный микроскоп, чувствительный к слабым вспышкам света, смотрела на то, как культура человеческих клеток, содержащая особый светочувствительный материал, динамически реагирует на изменения магнитного поля.

Область применения машинного обучения в квантовых вычислениях получила толчок на фоне нового исследования, устраняющего потенциальное препятствие для практической реализации квантовых нейронных сетей. Несмотря на имеющиеся представления теоретиков о том, что для обучения такой сети потребуется экспоненциально обширный датасет, квантовая теорема No-Free-Lunch (NFL), разработанная Лос-Аламосской национальной лабораторией, показывает, что квантовая запутанность устраняет эту экспоненциальную сверхнагрузку.

Закрученные частицы применяют в квантовой оптике и информатике, оптомеханике, биологии, астрофизике и других сферах. Например, с их помощью удаётся увеличить информационную ёмкость в квантовой коммуникации. Но в ядерной физике и физике частиц их использовать пока невозможно. Всё дело в том, что пока такие состояния частиц можно получать в основном с помощью дифракционных решеток, и последние не подходят для очень высоких энергий частиц на современных коллайдерах. Чтобы решить эту проблему, учёные ИТМО предложили создавать закрученные частицы с помощью так называемых обобщенных измерений без использования специального оборудования. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале The European Physical Journal C (Particles and Fields).

Зачем закручивать частицы

Фотоны, электроны, нейтроны и другие элементарные частицы могут проявлять разные свойства в зависимости от условий и вести себя либо как волны, либо как частицы. Это явление называется корпускулярно-волновым дуализмом. Считается, что в обычных условиях массивные частицы (например, электроны) могут сохранять волновые свойства лишь при малых энергиях, а при больших сохраняют только свойства частиц. Однако некоторые волновые свойства частиц могут сохраняться и при высоких энергиях. Чтобы этого достичь, частицы нужно «закрутить», то есть заставить вращаться волновой фронт частицы вокруг направления, вдоль которого они движутся, а затем разогнать с помощью ускорителей. Форма волнового пакета закрученных частиц напоминает винт мясорубки или спираль штопора.

Учёные 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. Результаты исследования, поддержанного грантами Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physical Review Letters.

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. 

В обсуждениях недавней темы я заметил несколько сообщений, от людей, которые думают, что «физики договорились» о существовании суперпозиции. Что это просто удобная математическая/физическая модель, не имеющая под собой реальных экспериментов, доказывающих нахождение квантов в суперпозиции. Что кванты, на самом деле находятся всегда в конкретных позициях, а проведение эксперимента, лишь обнаруживает эти позиции. Некоторое время это было спором и у физиков, пока в 1964 году Джон Стюарт Белл не сформулировал свою известную теорему Белла(неравенства Белла), которая в последствии была улучшена другими учеными и неоднократно проверена экспериментально. Для желающих ознакомиться непосредственно с его теоремой, я советую пропустить эту статью, и сразу перейти к прочтению книг, ссылки на которые даны ниже, и в комментариях. Для понимания ее основ не требуются глубокие познания физики и математики. Для тех же, кому даже статья в Википедии кажется сложной для понимания, я приведу довольно упрощенную аналогию.

Для простоты, скажем, у кванта есть некоторые 3 характеристики: A, B и C, которые могут принимать значения 1 или 0. Возьмем два запутанных кванта, таких, что:
1) Если при измерении у первого кванта одной из характеристик мы получаем 1, то у другого кванта, эта же характеристика при измерении будет равна 0.
2) Если мы выбираем для сравнения характеристику случайным образом, то в половине случаев мы получаем одинаковые значения, а в половине — разные. (!)

Сперва кажется что выполнить эти два условия очень легко, написав простенькую программу мы можем смоделировать эту ситуацию. НО! Давайте просто проверим это статистически, программно, кто как хочет и может, пусть проведет свое собственное исследование: Поставит такой эксперимент: Создаст N заранее определенных пар троек значений: (1,0,1)-(0,1,0); (1,1,0)-(0,0,1)… итп, далее построит модель, которая будет удовлетворять обоим вышеуказанным пунктам.

Окажется, что это не только непросто сделать, но и в принципе невозможно. Если мы с такими исходными данными будем измерять одинаковые параметры, мы будем получать противоположные значения. Что понятно и согласуется с пунктом 1. Но вот если, мы будем измерять случайные параметры, то противоположные значения у нас будут появляться в более чем 50% случаев. Что противоречит пункту 2.

Принцип неопределенности говорит, что мы не можем знать определённые свойства квантовой системы в один и тот же момент времени. Например, мы не можем одновременно узнать положение частицы и ее скорость. Но что это говорит нам о реальном мире? Если бы мы могли заглянуть за кулисы квантовой теории, обнаружили бы мы, что объекты действительно обладают определенным положением и скоростью? Или принцип неопределенности означает, что на фундаментальном уровне объекты просто не имеют четкой координаты и импульса одновременно. Другими словами, неполна ли наша теория или реальность «размыта» на самом деле?

Источник

«Существует два способа стать счастливым: улучшить реальность или снизить ожидания».
Из напутствия молодоженам

Практическое использование телепортации сильно облегчает написание фантастических произведений. Зашел в кабинку нуль-транспортировки, набрал координаты точки во Вселенной и уже выходишь в нужном месте. Но пока не получается, однако… Поговорим сегодня о двух гранях телепортации – реальной физической и виртуальной.

Дэвид Кайзер, профессор MIT, с коллегами собирается провести эксперимент по подтверждению такого явления, как «квантовая запутанность», сообщает New York Times. Это одно из самых интересных явлений в квантовой физике. Пятьдесят лет назад, в ноябре 1964, физик Джон Белл предложил анализ парадокса Энштейна-Подольского-Розена (т.н. Неравенства Белла) и заложил, таким образом, базу для возможных физических экспериментов, подтверждающих или опровергающих наличие квантовой запутанности.

Можно увидеть многое, просто наблюдая
— Йоги Бера

Читатель спрашивает:

А что такое «наблюдение»? У меня есть два примера, которые я тем меньше понимаю, чем больше о них думаю: эксперимент Юнга и теорема Белла. Чем больше я о них думаю, тем меньше я понимаю, что на самом деле означает «наблюдение».

Давайте начнём с рассмотрения этих двух классических примеров странности квантового мира.



Сначала возьмём эксперимент Юнга. Давно известно, что частицы ведут себя не так, как волны. Если вы возьмёте экран с двумя щелями и будете кидать туда камушки, или пульки, или другие макроскопические предметы, большинство камушков будет задержано экраном. Несколько пролетят через щели. Можно ожидать, и по сути, так и происходит, что несколько камушков пролетят через левую щель, и несколько – через правую.

Фото: Университет Калгари

Квантовая криптография становится всё более реальной и близкой перспективой. Физики в США, Китае, России и других странах совершенствуют методы квантовой телепортации по обычным каналам связи. Сейчас научные работы вплотную приблизились к требованиям, которые выдвигаются к практическим квантовым криптографическим системам.

В отличие от традиционной криптографии, которая использует математические методы, чтобы обеспечить секретность информации, квантовая криптография основана на законах физики. Защита информации (в данном случае, неизменность параметров физического объекта) гарантируется принципом неопределённости Гейзенберга.

Много лет назад Альберт Эйнштейн назвал квантовую запутанность «жутким действием на расстоянии». Это действительно контринтуитивная концепция, которая на первый взгляд противоречит здравому смыслу. Два объекта могут находиться друг от друга на большом расстоянии, но они сохраняют «связь» друг с другом через свои квантовые состояния. Разрушив состояние одного объекта (измерив его), мы тем самым узнаём состояние запутанного с ним объекта, на каком бы расстоянии тот ни находился. То есть квантовое состояние первого объекта в момент измерения как бы переходит ко второму объекту, это образно называют квантовой телепортацией.

Сейчас группа китайских физиков впервые в мире осуществила квантовую телепортацию объекта с Земли на орбиту. Результаты эксперимента с «жутким действием на расстоянии» опубликованы 4 июля 2017 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1707.00934).

Перевод статьи из журнала «Международный космос» 《国际太空》январь 2015, стр. 17-25.
Журнал принадлежит китайской космической научно-технической корпорации, а статья является отчетом научной команды ведущих стратегических научных космических проектов академии наук Китая.

Ведущие проекты Китая в области космических наук

Китай собственными силами, а также с международным сотрудничеством, запланировал выполнить следующие проекты:

1. Hard X-ray Modulation Telescope (HXMT, 硬X射线调制望远镜), телескоп для работы с жестким рентгеновским излучением.
2. Quantum Experiments on Space Scale (QUESS, 量子科学实验卫星), спутник для проведения квантовых экспериментов в космическом масштабе.
3. Dark Matter Particle Explorer (DAMPE, 暗物质粒子探测), аппарат для поиска частиц темной материи.
4. ShiJian-10 (SJ-10, 实践-10) «Практика-10» — исследовательский возвращаемый спутник для исследования космической среды.
5. Проект «Куа-фу» — наблюдение за Солнцем (夸父计划)

Американские физики из Калифорнийского технологического института нашли теоретический способ извлечь информацию о частице, попавшей в чёрную дыру. Эта теория в перспективе может помочь решить проблему исчезновения информации в чёрной дыре, которую часто называют «теорема об отсутствии волос».

Теорема говорит о том, что все невращающиеся и незаряженные чёрные дыры одинаковой массы неотличимы друг от друга. Например, чёрная дыра, получившаяся из гравитационного коллапса вещества, и чёрная дыра той же массы, получившаяся из гравитационного коллапса антивещества, с точки зрения внешнего наблюдателя ничем не различаются. Таким образом, в процессе гравитационного коллапса для внешнего наблюдателя нарушаются законы сохранения квантовых чисел.

Стивен Хокинг в 1974 году предсказал существования излучения чёрной дыры, названного впоследствии его именем. Если пара частица-античастица рождается вблизи горизонта чёрной дыры, одна из них может избежать падения в дыру и устремиться в окружающее пространство. С точки зрения внешнего наблюдателя этот процесс будет выглядеть, как излучение чёрной дыры.

Самыми защищенными от подделки, согласно исследованиям Международного банкнотного сообщества (IBNS) признан на сегодня британский фунт стерлингов и австралийский доллар. Вместе с тем, подделать и эти денежные знаки при современном уровне технологий вполне реально. Используя алгоритмы шифрования, основанные на кодировании квантовых состояний фотонов, ученым Корнелльского университета удалось найти способ создания денежных купюр, подделать которые практически невозможно. Подробнее о «квантовых» деньгах будущего мы расскажем в сегодняшней публикации.

Квантовая телепортация — это телепортирование не физических объектов, не энергии, а состояния. Но в данном случае состояния передаются таким образом, каким в классическом представлении это сделать невозможно. Как правило, для передачи информации о каком-то объекте требуется большое количество всесторонних измерений. Но они разрушают квантовое состояние, и у нас нет возможности повторно его измерить. Квантовая телепортация используется для того, чтобы передать, перенести некое состояние, обладая минимальной информацией о нем, не «заглядывая» в него, не измеряя и тем самым не нарушая.