Квантовые технологии – Революция в науке и ИТ

Современные технологии все глубже проникают в гуманитарные науки, и одно из самых прорывных направлений — использование искусственного интеллекта для анализа древних текстов. Недавнее исследование, посвящённое Ветхому Завету, выявило неожиданные лингвистические и стилистические закономерности, которые бросают вызов многовековым религиозным представлениям об авторстве Библии.

Квантовые материалы считаются одним из самых перспективных направлений современной физики и материаловедения. Именно с ними связывают будущее квантовых компьютеров, сверхбыстрой электроники, новых систем связи и энергоэффективных технологий. Однако поиск таких материалов остаётся чрезвычайно сложной задачей. Многие квантовые эффекты возникают только при взаимодействии огромного количества атомов, а их моделирование требует колоссальных вычислительных ресурсов. Новые исследования учёных из Вашингтонского университета показывают, что искусственный интеллект и квантовые вычисления способны кардинально изменить подход к созданию материалов следующего поколения.

В мире, где данные растут быстрее, чем человек способен их осмыслить, новая структура искусственного интеллекта под названием PhyE2E становится настоящим научным прорывом. Учёные из Университета Цинхуа, Пекинского университета и ряда исследовательских институтов Китая разработали систему, которая способна самостоятельно выводить физические уравнения прямо из необработанных данных. Эта технология, опубликованная в журнале Nature Machine Intelligence, открывает путь к автоматическому открытию законов природы.

Современные системы искусственного интеллекта становятся все более мощными, однако их архитектура по-прежнему существенно отличается от принципов работы человеческого мозга. Несмотря на впечатляющие успехи в области машинного обучения, традиционные вычислительные системы потребляют большое количество энергии и требуют значительных вычислительных ресурсов. Именно поэтому ученые по всему миру активно разрабатывают нейроморфные технологии — электронные устройства, которые способны работать по принципам, напоминающим функционирование биологических нейронов и синапсов.

Современная квантовая оптика уже давно стремится к управлению сложными состояниями света и материи, которые могли бы стать основой энергоэффективных и сверхбыстрых технологий. Одним из наиболее загадочных объектов в этой области были тёмные экситоны — квазичастицы, возникающие в ультратонких полупроводниковых материалах и практически не излучающие свет. На протяжении многих лет они оставались труднодоступными для экспериментов, хотя их уникальные свойства — длительное время жизни, низкая чувствительность к шуму, необычный характер взаимодействия со светом — делали их перспективными кандидатами для квантовых систем связи и нанофотонных устройств.

Темная материя остается одной из величайших загадок современной науки. Она не испускает свет, не отражает электромагнитное излучение и не может быть обнаружена обычными телескопами. Тем не менее именно она, по современным оценкам, составляет большую часть всей материи во Вселенной и играет решающую роль в формировании галактик и крупномасштабной структуры космоса. Теперь международная группа астрономов сделала важный шаг к пониманию этой невидимой составляющей мироздания, обнаружив самый маломассивный из известных сгустков темной материи.

Черные дыры кажутся воплощением абсолютной простоты. Согласно общей теории относительности, полностью сформировавшаяся черная дыра описывается всего тремя параметрами: массой, электрическим зарядом и угловым моментом, который обычно называют спином. На практике электрический заряд астрофизических черных дыр настолько мал, что им можно пренебречь. В результате почти вся информация о таком объекте сводится к двум величинам — массе и скорости вращения. Но именно спин превращает относительно простую черную дыру в один из самых удивительных объектов во Вселенной.

В стремлении понять, как выглядела Вселенная в первые доли секунды после Большого взрыва, учёные обратились к самым тяжёлым частицам — адронам, содержащим очарованные и нижние кварки. Исследование, недавно опубликованное в Physics Reports, предлагает обширный обзор того, как эти частицы взаимодействуют в чрезвычайно горячей и плотной среде — адронной материи, которая возникает на заключительном этапе ядерных столкновений на ускорителях, таких как БАК (LHC) и RHIC.

На первый взгляд вращение тела и его магнитные свойства кажутся совершенно разными явлениями. Одно относится к механике, другое — к электромагнетизму. Однако физика начала XX века показала, что между ними существует глубокая связь. Оказалось, что механический момент импульса может превращаться в магнитный момент, а изменение намагниченности способно вызывать вращение вещества. Эти удивительные эффекты получили названия эффекта Эйнштейна — де Хааса и эффекта Барнетта.

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.

Новые данные с релятивистского коллайдера тяжелых ионов RHIC открывают уникальное представление о том, как ведет себя кварк-глюонная плазма (КГП) — состояние материи, существовавшее в первые микросекунды после Большого взрыва. Используя фотонно-коррелированные струи частиц, физики впервые зафиксировали эффект «всплеска», когда КГП откликается на пролетающую через неё струю, подобно тому как вода разбрызгивается от проходящего сквозь неё объекта.

Квантовые вычисления на протяжении последних лет стали синонимом технологического прорыва: они обещают радикально ускорить решение задач, неподъёмных даже для самых мощных суперкомпьютеров. Но возникает важный вопрос: в каких случаях квантовые компьютеры действительно превосходят классические, и почему это происходит не всегда? Исследование, проведённое учёными Киотского университета, предлагает удивительный и фундаментально новый ответ, объединив квантовую информатику с криптографией — двумя науками, обычно считающимися самостоятельными.

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.

Еще недавно поиск редчайших событий в физике элементарных частиц требовал десятилетий кропотливой работы исследователей. Сегодня эту задачу все чаще берет на себя искусственный интеллект. Международная группа ученых под руководством японского института RIKEN при участии специалистов GSI/FAIR в Дармштадте впервые в истории обнаружила двойное лямбда-гиперядро с помощью технологий глубокого обучения. Открытие стало первым однозначным наблюдением такого объекта за последние 25 лет и лишь вторым подтвержденным случаем за всю историю исследований после знаменитого события Nagara, зарегистрированного в 2001 году.

Нобелевская премия по физике 2025 года, присужденная Джону Кларку, Мишелю Деворе и Джону Мартинису, стала признанием открытия, которое радикально изменило представления о границе между квантовым и привычным нам макроскопическим миром. Лауреаты были отмечены за открытие макроскопического квантового туннелирования и квантования энергии в электрической цепи. Их эксперименты показали, что законы квантовой механики действуют не только для отдельных атомов и элементарных частиц, но и для объектов, состоящих из миллиардов куперовских пар электронов, объединенных в единое коллективное квантовое состояние. Именно эта работа, начавшаяся еще в середине 1980-х годов, стала фундаментом современной квантовой инженерии и сверхпроводящих квантовых компьютеров.

Черные дыры остаются одними из самых загадочных объектов во Вселенной. Несмотря на десятилетия исследований, физики до сих пор пытаются понять, каким образом в них ведет себя информация, как взаимодействуют квантовая механика и гравитация и почему эти космические объекты демонстрируют столь необычные свойства. Проводить подобные эксперименты непосредственно с настоящими черными дырами невозможно, поэтому ученые создают их лабораторные аналоги, позволяющие исследовать фундаментальные законы природы в контролируемых условиях.

Новая работа физиков-ядерщиков предлагает наиболее точное на сегодня представление о том, как именно движутся кварки внутри протона. Хотя сами кварки невозможно наблюдать напрямую — они никогда не существуют в свободном состоянии — их движение определяет массу, структуру и спин всей адронной материи. Чтобы приблизиться к ответу на давний вопрос о том, что происходит в недрах каждого протона, учёные разработали теоретический подход, позволяющий вычислить ключевую величину, связанную с поперечным импульсом кварков.

Фундаментальная физика стоит перед давней проблемой: как совместить теорию струн — одну из самых амбициозных попыток объединить все силы природы — с реальностью наблюдаемой Вселенной. На первый взгляд, теория струн предлагает привлекательную модель: все элементарные частицы — это вибрации крошечных струн, находящихся в пространстве большего числа измерений. Однако за этой элегантной картиной скрывается проблема, которой ученые придают всё большее значение — большинство решений теории струн попадают в область так называемого «болота»: гипотетических вселенных, которые не только не соответствуют наблюдениям, но и противоречат требованиям квантовой гравитации.

В глубинах квантовой теории существует предсказание, которое до сих пор оставалось недоказанным, но притягивало внимание физиков со всего мира. Речь идёт об эффекте Фуллинга–Дэвиса–Унру, или просто эффекте Унру. Согласно теоретическим расчётам, наблюдатель, движущийся с ускорением в квантовом вакууме, должен воспринимать его не пустым, а заполненным тепловым излучением. Это своеобразное «фантомное тепло» появляется из-за взаимодействия ускорения с вакуумными флуктуациями. Для неподвижного наблюдателя вакуум остаётся «тихим», но для ускоряющегося — он словно оживает, проявляясь в виде реальных частиц. Таким образом, теория относительности Альберта Эйнштейна оказывается напрямую связанной с законами квантовой механики.

Учёные сделали важнейший шаг в понимании квантовой природы света: им удалось разделить один фотон на два и показать, что даже в таких условиях работает закон сохранения момента импульса. Это открытие подтверждает фундаментальный принцип физики на минимальном масштабе и открывает перспективы для развития квантовых технологий будущего.