Квантовые технологии – Революция в науке и ИТ

Физика магнетизма претерпела революционные изменения в 2024 году благодаря экспериментальному подтверждению существования нового типа магнитного состояния – альтермагнетизма. Это открытие было сделано исследователями Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце и признано одним из самых значимых научных достижений года. Оно дополнило традиционные концепции ферромагнетизма и антиферромагнетизма, добавив в научный арсенал новый класс материалов с уникальными свойствами.

Квантовая механика продолжает удивлять учёных своими противоречивыми и неожиданными аспектами. Один из таких феноменов — так называемое «квантовое хищение», которое было описано как способ использования частиц для создания бесконечных уровней запутанности, не нарушая их изначальных состояний. Это явление способно изменить подход к квантовым вычислениям, открыть новые грани теоретической физики и поднять вопросы о фундаментальных законах нашего мира.

На протяжении десятилетий ученые пытались разгадать тайну самых тяжелых элементов в периодической таблице. Где заканчивается этот химический каталог, и есть ли предел для существования новых элементов? Недавние исследования международной команды физиков проливают свет на структуру и поведение тяжелых элементов, таких как фермий (элемент 100), изучая их ядерную стабильность и влияние квантово-механических эффектов.

Квантовая механика давно поражает нас своими загадками, позволяя частицам нарушать привычные законы физики. Среди таких явлений — суперпозиция, туннелирование и квантовая запутанность. Однако новое исследование физиков из Университета Брауна открыло совершенно новый класс частиц, способный изменить фундаментальные принципы нашего понимания квантовой сферы. Эти частицы, названные дробными экситонами, обладают уникальными свойствами, выходящими за рамки привычного деления на бозоны и фермионы, и могут стать ключом к созданию новых квантовых технологий.

Прорыв в квантовых технологиях достигнут благодаря созданию интегрированной квантовой памяти на основе спин-волн. Это устройство открывает новые горизонты для масштабируемых квантовых сетей, решая давние проблемы потери передачи фотонов и шумовых ограничений. Квантовая память играет важнейшую роль в создании крупных квантовых сетей, обеспечивая преобразование локальных запутанностей в долгосрочные. Этот процесс позволяет преодолевать потери фотонов, возникающие при их передаче. Среди перспективных кандидатов для создания квантовой памяти выделяются кристаллы, легированные редкоземельными элементами, которые успешно используются в интегрированных твердотельных устройствах.

Глубокие нейронные сети (DNN), лежащие в основе современных технологий искусственного интеллекта, показывают выдающиеся результаты в самых разных задачах: от распознавания изображений до прогнозирования сложных моделей поведения. Однако до сих пор оставалось загадкой, как именно эти системы выбирают оптимальные решения в океане возможных вариантов. Исследователи из Оксфордского университета сделали значительный шаг к разгадке этой тайны, обнаружив, что DNN естественным образом отдают предпочтение более простым решениям, следуя принципу бритвы Оккама.

Квантовые вычисления продолжают расширять границы возможного, демонстрируя преимущества в решении сложных задач, с которыми классические компьютеры сталкиваются на пределе своих возможностей. Одной из таких задач является поиск локальных минимумов в многотельных квантовых системах, что имеет огромное значение для понимания структуры материалов, молекулярных взаимодействий и физических процессов в наномасштабных системах. Исследователи показали, что квантовые алгоритмы способны находить эти минимумы быстрее и эффективнее, чем традиционные вычислительные методы.

Квантовая механика — это увлекательный, но сложный мир, где повседневная реальность кажется совсем иной. Как же мы переходим от загадочного состояния квантовой суперпозиции, где частицы одновременно существуют в нескольких состояниях, к привычному классическому миру, который мы наблюдаем? Этот вопрос уже давно волнует учёных, и теперь численное моделирование даёт важные ответы.

Квантовые компьютеры представляют собой технологию будущего, способную решать задачи, недоступные традиционным вычислительным системам. Однако одной из главных проблем, препятствующих их развитию, является нестабильность кубитов. Атомы, которые служат носителями квантовой информации, могут исчезать без предупреждения, нарушая вычисления и делая результаты ненадежными. Теперь ученые из Sandia National Laboratories и Университета Нью-Мексико предложили метод обнаружения этих утечек без разрушения квантового состояния, что может стать ключевым шагом в развитии устойчивых квантовых систем.

Исследование, проведенное учеными Китайского университета науки и технологий, показало, что свет может существовать в десятках измерений, раздвигая границы человеческого понимания физической реальности. Эксперимент, направленный на проверку парадокса Гринбергера-Хорна-Цайлингера (GHZ), выявил неожиданные результаты, подтверждающие фундаментальные особенности квантовой запутанности. С помощью фотонного процессора на основе оптоволокна исследователи измерили импульс света в 37 измерениях, что демонстрирует крайнюю степень нелокальности квантовой механики.

Судьба нашей Вселенной может зависеть от скрытых фундаментальных процессов, которые квантовая машина уже начала изучать. Новая разработка европейских физиков позволяет моделировать катастрофический сценарий, в котором законы физики изменяются, а реальность рушится. Исследователи использовали квантовый отжиг — процесс, позволяющий находить оптимальные решения в сложных системах, — чтобы рассмотреть возможный распад так называемого ложного вакуума.

Международная исследовательская группа сделала значительный прорыв в понимании связи между квантовой теорией и термодинамикой. Исследователи из Нагойского университета в Японии и Словацкой академии наук продемонстрировали, что, несмотря на возможность гипотетического нарушения второго закона термодинамики в рамках квантовой теории, реальные квантовые процессы могут быть реализованы без этого нарушения. Открытие, опубликованное в npj Quantum Information, подтверждает гармоничное сосуществование квантовой механики и термодинамики, подчеркивая их логическую независимость и совместимость. Этот прорыв открывает перспективы для дальнейшего развития квантовых технологий, включая квантовые вычисления и наномасштабные термодинамические системы.

Квантовая телепортация, о которой еще недавно можно было только фантазировать, стала реальностью. Ученые из США смогли телепортировать квантовое состояние света по оптоволоконному кабелю длиной более 30 километров, работающему в условиях реального интернет-трафика. Этот революционный эксперимент демонстрирует, что квантовые коммуникации могут сосуществовать с традиционными интернет-каналами, не требуя создания новой инфраструктуры.

Путешествия во времени долгое время были объектом не только научной фантастики, но и серьёзных научных размышлений. Среди множества концепций, связанных с этим явлением, «парадокс дедушки» является одной из наиболее известных: если вы вернетесь в прошлое и предотвратите рождение своих родителей, как вы тогда сможете совершить путешествие во времени? Этот вопрос ставит под сомнение саму возможность существования временных перемещений. Однако новое исследование физика Лоренцо Гавассино из Университета Вандербильта предлагает свежий взгляд на эту проблему, основываясь на концепциях энтропии и квантовой механики.

Современные вычислительные технологии стремительно развиваются, и одним из главных драйверов этого прогресса становятся квантовые прогулки. Эти алгоритмические модели, основанные на принципах квантовой механики, таких как суперпозиция, интерференция и запутанность, предлагают уникальные возможности для решения задач, которые до сих пор были недостижимы для классических компьютеров.

Ученые сделали значительный шаг вперед в области спинтроники, обнаружив новое квантовое явление, позволяющее точно управлять спином и намагниченностью электронов. Это открытие может привести к созданию более быстрых, энергоэффективных устройств, способных имитировать функции человеческого мозга. Спинтронные технологии, в отличие от традиционной электроники, используют не только заряд, но и спин электрона, что открывает новые горизонты для обработки и хранения информации.

Квантовые исследования черных дыр открывают новые горизонты понимания того, как Вселенная скрывает самые экстремальные явления в пространстве и времени. Теория относительности Эйнштейна предсказывает существование сингулярностей — точек бесконечной плотности, где физические законы перестают работать. Однако гипотеза Роджера Пенроуза о космической цензуре утверждает, что эти сингулярности всегда скрыты внутри черных дыр, защищая остальную часть Вселенной от их влияния.

Квантовая физика продолжает делать огромные шаги в развитии технологий, и новое исследование, проведённое учёными Кембриджского университета, стало важным прорывом на пути к созданию масштабируемых квантовых сетей. Физики сумели запутать 13 000 ядерных спинов в «тёмное состояние», создав стабильный и точный квантовый регистр. Эта технология может радикально изменить сферу квантовой связи, хранилищ данных и распределённых вычислений.

До сих пор астрономы полагали, что только массивные микроквазары способны разгонять космические частицы до экстремальных скоростей. Однако новое исследование опровергает это представление: даже системы с маломассивными звездами могут генерировать гамма-излучение высокой энергии. Это открытие меняет наше понимание космических лучей и их роли в динамике Галактики.

Недавний научный прорыв в области квантовой механики открывает дверь к фундаментально новому подходу в управлении химическими процессами. Международная команда ученых впервые продемонстрировала возможность манипулировать атомами с помощью экстремального ультрафиолетового (XUV) света, достигая невероятной точности в контроле квантовых состояний. Этот метод способен изменить подход к созданию молекул, необходимого для фармацевтики и других высокотехнологичных отраслей.