Квантовые технологии – Революция в науке и ИТ

Физики сделали важный шаг к созданию технологий будущего, способных передавать информацию не только с помощью света или электричества, но и при помощи управляемого квантового звука. Исследователи из Университета Макгилла и Национального исследовательского совета Канады разработали устройство, которое генерирует фононы — квазичастицы, связанные со звуковыми колебаниями вещества, — в условиях экстремально низких температур, близких к абсолютному нулю.

Стандартная модель физики элементарных частиц более полувека остается главным инструментом для описания устройства материи и фундаментальных взаимодействий. Именно она объясняет поведение кварков, лептонов, бозонов и трех из четырех фундаментальных сил природы. Однако ученые давно понимают, что эта теория неполна. Она не учитывает гравитацию, не объясняет природу темной материи и не отвечает на ряд вопросов о происхождении Вселенной. Теперь физики, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе, получили новые данные, которые могут стать одним из самых серьезных намеков на существование «новой физики» за последние годы.

Исследователи MIT установили новый рекорд точности флюксониевых кубитов в 99,998%, преодолев ограничения декогеренции и встречного вращения. Новые методы управления откроют путь к более надежным квантовым вычислениям. Развитие квантовых вычислений достигло новой вершины благодаря прорыву ученых из Массачусетского технологического института. Команда исследователей разработала флюксониевые кубиты с рекордной точностью в 99,998%, что представляет собой значительный шаг вперед в устранении ошибок и создании более надежных квантовых систем. Использование новых методов управления позволяет добиться исключительной стабильности кубитов, что является ключевым элементом для масштабирования квантовых вычислений и внедрения квантовой коррекции ошибок.

Современная космология традиционно рассматривает пространство как гладкую трёхмерную среду, в которой разворачиваются все физические процессы. Однако в последние годы все больше внимания привлекает альтернативный подход, получивший название фрактальной космологии. Согласно этой концепции, привычная трёхмерность может быть лишь крупномасштабным приближением, тогда как на фундаментальном уровне пространство-время обладает дробной, или фрактальной, размерностью. Иными словами, геометрия Вселенной зависит от масштаба наблюдения и перестает быть обычной евклидовой структурой.

Межзвездная пустота кажется царством вечного холода. Температура космоса — около 2,7 кельвина выше абсолютного нуля. Это остаточное дыхание Большого взрыва, слабый шепот древнего огня, растянутого на миллиарды световых лет. Но в земных лабораториях физики создают области в миллионы и даже миллиарды раз холоднее космоса. Температуры там настолько низкие, что атомы начинают терять индивидуальность, словно люди, растворившиеся в тумане. Зачем ученые строят эти ледяные ловушки? Ответ звучит почти мистически: чтобы поймать привидение квантового мира и заставить его заговорить.

Массачусетский технологический институт вновь удивляет мир. В попытке ответить на один из самых провокационных вопросов современной науки — является ли гравитация квантовой, — команда исследователей разработала уникальный эксперимент, который сочетает достижения атомной физики с глубокой теоретической механикой. Используя лазеры для охлаждения зеркала почти до абсолютного нуля, ученые предприняли попытку раскрыть квантовую природу гравитации — фундаментальной силы, которая до сих пор остается загадкой.

В квантовой физике частица не всегда обязана оставаться частицей в привычном смысле. Пересекая особую границу между двумя эквивалентными описаниями квантового мира, она может полностью изменить свою форму: пройти сквозь препятствие без отражения и превратиться в нелокальное возбуждение, связанное с границей невидимой квантовой «нитью».

Представьте две микроскопические частицы, каждая из которых сама по себе совершенно не способна куда-либо плыть. Теперь соедините их — и пара неожиданно начинает двигаться. Добавьте тысячи таких частиц, и вместо неподвижного скопления возникает постоянно меняющаяся структура: одни группы собираются, другие распадаются, частицы перестраиваются и снова приходят в движение.

Идея существования червоточин, известных также как кротовые норы, уходит корнями в научные теории начала XX века. Хотя концепция путешествий сквозь пространство и время присутствовала в мифах и философии задолго до появления науки, именно открытия в области общей теории относительности (ОТО) позволили предположить их возможное существование.

Мы привыкли представлять массивную черную дыру сидящей в центре галактики, словно паука в середине огромной космической паутины. Газ постепенно движется к ней, образует аккреционный диск, нагревается и в конце концов исчезает за горизонтом событий. Но что произойдет, если сама черная дыра путешествует через галактику? Новое наблюдение предлагает удивительный ответ: она может не искать пищу, а собирать ее прямо на ходу.

Новое исследование, проведенное учеными из Института космических наук Барселонского университета (ICCUB), открыло перспективу создания черных дыр без сингулярностей, используя только гравитационные эффекты и исключая необходимость экзотической материи. Это революционное открытие, опубликованное в Physics Letters B, может изменить представление о природе гравитации и структуре пространства-времени.

Черные дыры считаются одними из самых загадочных объектов во Вселенной. Согласно общей теории относительности Альберт Эйнштейн, внутри них гравитация становится настолько мощной, что пространство и время перестают вести себя привычным образом. На протяжении десятилетий физики полагали, что любая черная дыра неизбежно должна содержать сингулярность — область бесконечной плотности, где известные законы физики перестают работать. Однако новое теоретическое исследование предлагает неожиданную альтернативу: возможно, некоторые черные дыры способны существовать без сингулярностей вообще.

Во Вселенной есть не только удивительные астрономические объекты, но и, возможно, гигантские лаборатории, способные проводить эксперименты, превышающие возможности земных технологий. Сверхмассивные черные дыры, расположенные в центрах галактик, стали объектом пристального внимания физиков и астрофизиков. По последним теоретическим моделям и наблюдениям, эти объекты не просто поглощают материю, а при определенных условиях действуют как космические ускорители частиц — своеобразные природные суперколлайдеры.

Черные дыры традиционно считаются самыми ненасытными объектами во Вселенной, способными безвозвратно поглощать все, что оказывается слишком близко к их гравитационному полю. Однако новое исследование международной группы астрономов показало, что эта картина далеко не так проста. Оказывается, значительная часть захваченного вещества вовсе не исчезает за горизонтом событий, а спустя некоторое время вновь возвращается в космос в виде мощных потоков газа.

Загадка необычных объектов ранней Вселенной получила неожиданный поворот. После первых наблюдений телескопа Джеймса Уэбба казалось, что астрономам придется объяснять существование огромного количества сверхмассивных черных дыр, появившихся слишком рано. Теперь выясняется, что проблема одновременно и проще, и сложнее. Массу части этих объектов мы, вероятно, сильно переоценивали. Но по крайней мере некоторые ранние черные дыры действительно успели стать гигантами еще до того, как вокруг них сформировались полноценные галактики.

Современная космология рассматривает Большой взрыв как отправную точку истории нашей Вселенной. Согласно общепринятой модели, около 13,8 миллиарда лет назад пространство, время, энергия и материя возникли из чрезвычайно горячего и плотного состояния, после чего началось расширение космоса, продолжающееся до сих пор. Эта теория успешно объясняет многие наблюдаемые явления, включая космическое микроволновое фоновое излучение, распределение галактик и эволюцию крупномасштабной структуры Вселенной.

В центре Млечного Пути происходит нечто, чему астрофизики почти два десятилетия не могут дать однозначного объяснения. Космический гамма-телескоп регистрирует там избыток высокоэнергетического излучения, распространяющийся на тысячи световых лет вокруг галактического центра. Источник получил название Galactic Center Excess, или GCE. За довольно техническим термином скрывается один из самых интригующих вопросов современной физики: возможно, мы наблюдаем косвенный след частиц тёмной материи.

Бетельгейзе трудно назвать спокойной звездой. Красный сверхгигант постоянно пульсирует, выбрасывает вещество и меняет яркость, а его огромная атмосфера совсем не похожа на аккуратную сферическую оболочку. Новые наблюдения ALMA показали, что за последние годы она стала еще более неоднородной и асимметричной. На звезде существуют гигантские горячие области, причем расположение некоторых из них может быть связано с недавно обнаруженным небольшим компаньоном Бетельгейзе.

Черные дыры остаются одними из самых загадочных объектов во Вселенной. Их колоссальная гравитация настолько сильно искривляет пространство-время, что привычные представления о времени, энергии и движении начинают работать иначе. Именно в таких экстремальных условиях ученые пытаются проверить, насколько хорошо между собой согласуются две величайшие физические теории современности — квантовая механика и общая теория относительности. Новое исследование показало, что даже рядом с черной дырой фундаментальные квантовые законы остаются неизменными, однако гравитация существенно меняет то, как эти процессы воспринимает удаленный наблюдатель.

Вопрос о том, что является реальным до измерения, лежит в самом центре квантовой механики и уже более ста лет остаётся открытым. Уравнения работают с поразительной точностью, предсказывая результаты экспериментов вплоть до двенадцатого знака после запятой, но что именно они описывают — до сих пор неясно. Волновая функция, ключевой объект квантовой теории, одновременно выглядит как физическая сущность, как носитель информации, как удобный инструмент вычислений и как нечто, выходящее за рамки привычного языка.