Квантовые технологии – Революция в науке и ИТ

Алмаз давно считается не только драгоценным камнем, но и одним из самых перспективных материалов для квантовых технологий. Новое исследование международной группы ученых показало, что квантовые свойства алмазов можно точно контролировать с помощью механического растяжения и сжатия кристаллической решетки. По мнению исследователей, эта технология способна открыть путь к созданию нового поколения сверхчувствительных квантовых датчиков.

Современная космология столкнулась с одной из самых интригующих проблем последних десятилетий: Вселенная расширяется быстрее, чем это предсказывают существующие теории. Новые высокоточные измерения, выполненные международной группой астрономов, не только подтвердили этот факт, но и усилили противоречие, известное как натяжение Хаббла.

Электрон, который когда-то считался неделимой фундаментальной частицей, оказался в центре удивительного открытия: при определенных условиях он может вести себя как две половины. Это явление, изученное в рамках квантовой интерференции, открывает путь к созданию топологических квантовых компьютеров, способных радикально изменить технологии будущего. Работа, опубликованная в Physical Review Letters, была проведена исследователями из Университетского колледжа Дублина и Индийского технологического института в Дханбаде. Они изучили, как электроны взаимодействуют в наномасштабных электронных схемах, используя квантовые эффекты.

Квантовые точки, давно известные благодаря своим ярким цветам и широкому применению в современных технологиях, продолжают удивлять учёных своими уникальными квантовыми свойствами. Эти крошечные полупроводниковые наночастицы выходят за рамки привычного применения, открывая путь к совершенно новым направлениям в химии, биологии и квантовых науках. Их способность демонстрировать такие явления, как спиновая когерентность, делает их универсальными инструментами для изучения квантовых эффектов и их интеграции в различные научные области.

Современная физика элементарных частиц достигла впечатляющих успехов в описании устройства Вселенной. Стандартная модель с высокой точностью объясняет поведение известных частиц и фундаментальных взаимодействий, однако она по-прежнему не дает ответов на ряд ключевых вопросов. Ученые до сих пор не знают природу темной материи, не могут полностью объяснить преобладание вещества над антивеществом и продолжают искать признаки новых физических явлений, которые выходят за рамки существующих теорий.

Одним из самых удивительных вопросов астрофизики остается происхождение химических элементов, из которых состоят планеты, живые организмы и сами люди. Если водород и гелий появились вскоре после Большого взрыва, то более тяжелые элементы должны были возникнуть позже внутри звезд. Однако на пути к образованию углерода существует серьезное препятствие, которое долгое время ставило ученых в тупик.

Физики из Оксфорда установили новый мировой рекорд точности в управлении одиночным кубитом, продемонстрировав наименьший уровень ошибок, когда-либо достигнутый в квантовой логике: всего одна ошибка на 6,7 миллиона операций, или 0,000015%. Этот результат не только на порядок превышает предыдущий рекорд, установленный тем же коллективом учёных в 2014 году, но и приближает человечество к созданию масштабируемых, отказоустойчивых квантовых компьютеров.

Исследователи из Университета Аалто в Финляндии добились важного прорыва в области квантовой физики, зафиксировав рекордное время когерентности трансмонового кубита. Полученные значения достигают миллисекундного диапазона, превышая ранее зафиксированные показатели примерно в два раза. Это открытие существенно приближает квантовые вычисления к практическому применению, расширяя границы возможностей в области коррекции ошибок, масштабирования архитектур и разработки новых квантовых протоколов.

Иногда самые важные открытия происходят там, где их совсем не ожидают. Математическая задача, которая десятилетиями считалась исключительно теоретической, неожиданно помогла физикам обнаружить совершенно новые свойства света. Исследователи из Токийского университета показали, что необычная геометрическая фигура, ставшая знаменитой после решения так называемой задачи Эйнштейна, способна создавать уникальные оптические эффекты, ранее не наблюдавшиеся ни в обычных кристаллах, ни в квазикристаллах.

Квантовые технологии стремительно развиваются, и одним из наиболее захватывающих направлений становится создание квантовых сетей — распределённых систем, в которых квантовая информация может передаваться между удалёнными узлами с использованием фундаментальных принципов квантовой физики. Ключевыми элементами таких сетей являются фотоны, которые выступают в роли переносчиков информации: они быстры, почти не взаимодействуют с окружающей средой и идеально подходят для передачи запутанных квантовых состояний на большие расстояния.

Имя Richard Feynman неразрывно связано с преобразованием квантовой электродинамики во второй половине XX века. Его работы изменили сам язык теоретической физики и создали вычислительный аппарат, без которого невозможно представить современную физику элементарных частиц. Наиболее известным вкладом Фейнмана стали диаграммы, однако их появление было лишь частью гораздо более масштабной перестройки квантовой теории поля, включавшей интегралы по траекториям, новый взгляд на propagator и методы перенормировки.

Учёные из SISSA совместно с INFN, IFPU и Варшавским университетом предложили новую теорию, согласно которой уже в течение первой секунды после Большого взрыва во Вселенной могли появиться самые первые компактные объекты — первичные чёрные дыры, бозонные звёзды и так называемые звёзды-каннибалы. Результаты исследования, опубликованные в журнале Physical Review D, открывают новый взгляд на малоизученный период существования космоса, когда ещё не существовало атомов, но уже начинали формироваться структуры, определившие будущее Вселенной.

Когда астрономы говорят, что обнаружили планету размером с Юпитер, обычно ожидается, что речь идет о массивном газовом гиганте с мощной гравитацией. Однако недавно открытые экзопланеты TOI-791 b и TOI-791 c буквально переворачивают это представление. Несмотря на размеры, сравнимые с Юпитером или даже превосходящие его, они настолько легкие, что их средняя плотность оказывается ниже плотности сахарной ваты. Эти необычные миры, расположенные примерно в 1110 световых годах от Земли, уже стали одной из самых интригующих загадок современной астрофизики.

Черные дыры традиционно воспринимаются как самые разрушительные объекты во Вселенной. Их колоссальная гравитация поглощает вещество, искривляет пространство-время и не позволяет даже свету покинуть пределы горизонта событий. Особенно впечатляют сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах крупных галактик. Масса таких объектов может в миллионы и даже миллиарды раз превышать массу Солнца. Однако новое исследование предлагает взглянуть на них совершенно с другой стороны. Возможно, эти космические гиганты не только уничтожают материю, но и создают условия для рождения огромного количества новых планет.

Научные открытия в области астрофизики всегда вызывают интерес, и тема темной материи — одна из самых волнующих. Ученые из Калифорнийского университета в Беркли предполагают, что следующий взрыв сверхновой может подарить нам уникальный шанс подтвердить существование аксионов — гипотетических частиц, которые считаются одними из главных кандидатов на роль темной материи. Ожидается, что в течение первых 10 секунд после взрыва сверхновой произойдет выброс огромного числа аксионов, которые при взаимодействии с магнитным полем смогут преобразоваться в гамма-излучение, доступное для наблюдения.

Физики из Оксфорда совместно с коллегами из Португалии впервые смоделировали, как из квантового вакуума может возникнуть свет — без использования традиционных источников излучения. Это достижение стало возможным благодаря трехмерному численному моделированию в реальном времени, в котором задействованы петаваттные лазерные импульсы и сложнейшие алгоритмы вычислительной физики. Несмотря на то, что квантовый вакуум внешне представляет собой абсолютную пустоту, на самом деле он наполнен виртуальными частицами — мимолетными электронно-позитронными парами, непрерывно возникающими и исчезающими. Теория предсказывала, что в условиях сверхсильного электромагнитного поля эти частицы могут вступать в взаимодействие и даже генерировать фотоны, однако до сих пор такие явления оставались за пределами экспериментальных возможностей.

Впервые в истории ученым удалось смоделировать полное слияние нейтронных звезд с момента их сближения до образования черной дыры, включая все ключевые процессы — гравитационные волны, нейтринные выбросы, магнитные поля и формирование струи материи. Этот беспрецедентный численный эксперимент, проведённый исследователями из Института гравитационной физики Макса Планка с помощью японского суперкомпьютера Fugaku, длился 1,5 секунды реального времени и потребовал более 130 миллионов часов процессорной мощности. В момент наибольшей загрузки расчёты одновременно велись на 80 000 ядрах.

Идея о том, что Вселенная может иметь больше измерений, чем привычные четыре, уже давно обсуждается в теоретической физике, однако новые модели придают этой гипотезе более прикладной смысл. Согласно одной из современных концепций, пространство-время включает не только три пространственных координаты и время, но и три дополнительных измерения, которые остаются скрытыми из-за своей чрезвычайно малой масштабности. Эти измерения не наблюдаются напрямую, поскольку они «свернуты» на уровне, недоступном текущим экспериментальным методам.

В ядерной физике существует устоявшееся представление о так называемых магических числах — определённых количествах протонов или нейтронов, при которых атомные ядра приобретают повышенную устойчивость и, как правило, сохраняют почти идеальную сферическую форму. Эти числа десятилетиями служили фундаментом для моделей ядерной структуры. Однако в некоторых экзотических областях ядерной диаграммы ученые обнаружили исключения, получившие название «острова инверсии», где привычный порядок рушится, магические числа перестают работать, а ядра неожиданно деформируются.

Современная физика продолжает расширять границы понимания фундаментальных законов природы, и недавнее исследование показало, что объекты, не содержащие материи и энергии, могут двигаться быстрее скорости света, не нарушая при этом принципы теории относительности. Речь идет о так называемых сингулярностях — точках нулевой амплитуды в волновых системах, которые представляют собой не физические частицы, а геометрические особенности поля.