квантовая физика

Физики проследили фазовый переход магии в квантовой системе

То, насколько классический компьютер сможет воссоздать определенное квантовое состояние, описывается свойством под названием «магия». Ученые из США выяснили, существует ли резкий переход между состоянием «можем обойтись обычным компьютером» и «подойдет только квантовый».

Квантовый компьютер, на котором проводились эксперименты

Стабилизаторные состояния — класс квантовых состояний, поддающийся эффективному моделированию на классических компьютерах. Свойство «магии» в квантовой механике — характеристика квантовых состояний, описывающая степень их отклонения от стабилизаторных состояний.

Магия делает квантовые состояния трудными для моделирования, но в то же время необходима для реализации универсальных и устойчивых к ошибкам квантовых вычислений. Понимание отвечающих за это свойств механизмов значительно улучшит характеристики квантовых компьютеров.

Авторы нового исследования ранее опубликовали статью, в которой показали существование фазового перехода в запутанности системы. Они выявили, что в зависимости от частоты измерений фазовое состояние квантовой системы может сохранять или разрушать запутанность.

«Суперпозиции и запутанности оказывается недостаточно, чтобы сделать квантовые компьютеры более мощными, чем классические. Чтобы достичь преимущества, необходим еще один компонент — магия, или отклонение от стабилизаторного состояния. Если в квантовой системе нет магии, ее можно смоделировать на классическом компьютере, но это делает квантовый компьютер избыточным. Лишь при наличии значительного количества магии можно превзойти возможности классического компьютера», — объяснил Прадип Нироула (Pradeep Niroula), первый автор новой научной работы.

Квантовый вентиль, родственник логического вентиля в классических компьютерах, воздействует на кубиты и стремится создавать запутанность между ними, тогда как измерение одного из этих кубитов разрушает ее. Если добавить в квантовую схему несколько вентилей, можно проводить измерения в случайных местах и контролировать распределение запутанности в системе.

Ученые знают, что при малом количестве измерений вся квантовая система оказывается запутанной. Напротив, при слишком частых измерениях запутанность подавляется. Если же постепенно увеличивать частоту измерений, запутанность резко совершает фазовый переход от высокой к почти нулевой.

На этот раз ученые исследовали, существует ли фазовый переход в магии. Им удалось показать, что код, предназначенный для защиты квантовой информации от ошибок, с точки зрения магии демонстрирует явный фазовый переход из состояния «есть магия» в состояние «нет магии» без промежуточных этапов. Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.

Вид на квантовый компьютер сбоку

Измерения также уничтожают магию, но для ее контролируемого добавления в систему необходимо выполнять малые изменения состояния кубитов. Изменения квантового состояния кубита называют поворотом, потому что оно теоретически описывается в трехмерной системе координат.

Физики использовали схему управления магией в случайном стабилизаторном коде через когерентные ошибки. Такие ошибки предсказуемы, постоянны и являются последствием эволюции квантовых состояний.

В эксперименте измерения в некоторых случаях уничтожали магию, возвращая состояния к стабилизаторным, а иногда оставляли магию неизменной. Конкурирующими силами в квантовых компьютерах оказались «количество измерений» и «угол вращения кубитов».

Ученые обнаружили, что при фиксированной скорости проведения измерений можно изменить угол вращения и перейти из фазы с высокой концентрацией магии в фазу без нее вообще. Авторы научной работы провели серию численных симуляций и показали, что фазовый переход магии действительно происходит, а затем проверили эту гипотезу экспериментально, используя реальные квантовые схемы. Эксперименты подтвердили симуляции.

«Мы наблюдали признак фазового перехода даже на фоне шума в системе. Наша работа открывает фазовый переход в магии. В прошлых исследованиях уже были обнаружены другие переходы в запутанности и зарядах, что поднимает вопрос: могут ли и другие ресурсы демонстрировать аналогичные переходы? Относятся ли они к какому-то универсальному типу переходов? Можем ли мы применить это знание для создания устойчивых к помехам квантовых компьютеров?» — отметил Неурула.

Наличие перехода может указывать на существование более общей теории, применимой к разным квантовым свойствам.

Статья спизжена отсюда

Большой шаг в сверхбезопасной квантовой связи благодаря новому источнику запутанности

Квантовая запутанность — это явление, при котором одна или несколько пар частиц образуют связанную систему и демонстрируют взаимозависимые квантовые состояния, независимо от расстояния между ними. Таким образом, между физическими свойствами этих частиц существует постоянная корреляция. Впервые этот принцип был экспериментально продемонстрирован Аленом Аспектом, Джоном Клаузером и Антоном Цайлингером, за что они были удостоены Нобелевской премии по физике в 2022 году. С тех пор это явление широко изучается с точки зрения его потенциального применения в передовых технологиях связи и визуализации. Однако получение достаточно стабильных для таких применений запутываний остается серьезной проблемой. "Сочетание высокой степени запутанности и высокой эффективности необходимо для таких интересных приложений, как квантовое распределение ключей или квантовые ретрансляторы, которые должны увеличить расстояние безопасной квантовой связи в глобальном масштабе или связать удаленные квантовые компьютеры", — объясняет Майкл Реймер в пресс-релизе Института квантовых вычислений (IQC) при Университете Ватерлоо (Бельгия). Чтобы преодолеть эту проблему, недавно были исследованы квантовые точки. Впервые их исследовали Мунги Бавенди, Луи Брус и Алексей Екимов, лауреаты Нобелевской премии по химии 2023 года. Они представляют собой кристаллические наноструктуры полупроводников, содержащие от нескольких сотен до нескольких тысяч атомов. Предполагается, что их структура обеспечивает достаточно высокий уровень конфайнмента, чтобы эффективно генерировать идеально запутанные фотоны. Однако и здесь возникает трудность, связанная с явлением, известным как "расщепление тонкой структуры". "Исторически системы квантовых точек сталкивались с проблемой, называемой расщеплением тонкой структуры, которая приводит к тому, что запутанное состояние осциллирует во времени. Это означает, что измерения, проводимые с помощью медленной системы детектирования, не позволяют измерить запутанность", — объясняет Маттео Пеннаккиетти (Matteo Pennacchietti), также исследователь из IQC. В своем новом исследовании, недавно опубликованном в журнале Communications Physics, Пеннаккиетти и его коллеги предлагают преодолеть эти две трудности одновременно с помощью новой системы квантовых точек. Они позволили получить практически идеальные пары запутанных фотонов. "Предыдущие эксперименты демонстрировали либо почти идеальную запутанность, либо высокую эффективность, но мы первыми выполнили оба эти требования с помощью квантовой точки", — говорит Реймер.

 В 65 раз эффективнее, чем предыдущие методы.

Для создания нового источника фотонной запутанности исследователи интегрировали квантовые точки на основе индия в нанопроволоки. Этот источник может генерировать запутанные пары фотонов по требованию с помощью лазеров. Затем они объединили квантовые точки с однофотонными детекторами высокого разрешения. В отличие от предыдущих методов обнаружения, это позволяет очень точно фиксировать время состояния запутанности в каждой точке, что делает возможным получение практически идеальных запутанностей. В лабораторных экспериментах новая система смогла генерировать пары фотонов с максимальным уровнем запутанности 98%. Полученная эффективность генерации в 65 раз выше, чем у предыдущих методик. Этот потенциал позволил создать источник запутанных фотонов для квантового распределения ключей (QKD*).

*QKD - это система для высокозащищенного обмена конфиденциальной информацией между двумя людьми, общающимися по общему каналу. Более конкретно, она позволяет двум людям генерировать и обмениваться секретными ключами, которые используются для шифрования и дешифрования сообщений. Поскольку система основана на квантовой механике, вторжение, вызвавшее аномалии, будет немедленно обнаружено.

Источник:

https://new-science.ru/na-solnce-obnaruzheno-radioizluchenie-pohozhee-na-planetarnye-polyarnye-siyaniya/

https://www.nature.com/articles/s42005-024-01547-3

Физики подтвердили наличие аномалии в электромагнитном отклике протона

Если я верно улавливаю суть то это довольно крутое открытие которое подтверждает возможность квантовых энергетических уровней в протоне (раньше про квантовые уровни энергии/орбитали говорили для электронов, теперь официально и для протонов), перспективы этого открытия лично мне представить пока сложновато (протонный лазер?,  холодный термоядерный синтез?, просто узнаем что у протона внутри?) но очень интересно.

Большая группа физиков уточнила зависимость электрической и магнитной поляризуемости протона от квадрата переданного 4-импульса. Для этого они исследовали виртуальное комптоновского рассеяние, обстреливая электронами мишень из жидкого водорода. Результаты эксперимента позволили подтвердить существование аномалии в окрестности 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, что противоречит существующим теориям ядерных взаимодействий. Исследование опубликовано в Nature.

Протон имеет положительный заряд, равный элементарному, однако, в отличие от электрона, этот заряд складывается из зарядов частиц, входящих в его состав (партонов). Среди них могут быть и отрицательно заряженные партоны: валентный d-кварк, а также бесчисленные отрицательные морские кварки, рождающиеся в парах частица-античастица. Это означает, что внешнее электрическое поле должно смещать части протона относительно друг друга, что физики характеризуют с помощью электрической поляризуемости (также еще бывает и магнитная поляризуемость).

Величина этого параметра напрямую зависит от жесткости протона, а потому несет важную информацию о взаимодействиях внутри него. В экспериментах по рассеянию электронов на протонах поляризуемости дают различный вклад в его исход в зависимости от квадрата переданного от частицы системе 4-импульса. Измеряя эту зависимость, Роше с коллегами еще в 2000 году обнаружили аномальный пик при 0,33 квадратных гигаэлектронвольта, который противоречит теоретическим соображениям, предсказывающим монотонный спад к этой области, хотя точность эксперимента было не очень большой. Проблема усугубляется тем, что такие переданные импульсы — это область, в которой плохо работают приближенные методы квантовой хромодинамики — теории кварк-глюонных взаимодействий. По этой причине крайне важно иметь высокоточные данные об аномалии, чтобы улучшить протонные модели.

Ценную работу в этом направлении проделала большая группа физиков из Армении, Индии, Канады и США под руководством Николаоса Спарвериса (Nikolaos Sparveris) из Университета Темпл. Они провели измерение сечение виртуального комптоновского рассеяния, обстреливая протоны электронами в зале C лаборатории Джефферсона. За счет нескольких технических улучшений, ученые смогли добиться большей точности, нежели была у их предшественников. В результате группа подтвердила существование аномалии.

Поляризуемость атомов и молекул физики умеют измерять сравнительно легко. Тот же параметр для протонов измерять гораздо сложнее в силу иных физических масштабов. Некоторые выводы об электрической и магнитной поляризуемости можно сделать, облучая протоны электромагнитным излучением. В этом случае наблюдается реальное рассеяние Комптона, которое сопровождается изменение частоты фотона. Скалярные компоненты нужных величин (то есть поляризуемости при нулевом квадрате переданного 4-импульса) появляются во вкладах второго порядка в соответствующий гамильтониан взаимодействия.

Для исследования же зависимости поляризуемостей от различных переданных 4-импульсов, физикам нужны процессы с нарушением связи энергия-импульс, то есть вне массовой поверхности. Такое происходит при взаимодействии с виртуальными частицами. Поэтому полностью поляризуемости проявляют себя при измерении виртуального комптоновского рассеяния, в котором падающий фотон рождается в акте взаимодействия электрона с протоном как частица-переносчик.

Для исследования такого рассеяния физики направляли пучок электронов с энергией 4,56 гигаэлектронвольт на мишень из жидкого водорода толщиной 10 сантиметров. Спектрометры в экспериментальной камере фиксировали энергии и импульсы рассеявшихся электронов и протонов отдачи. По совпадениям от них можно было восстановить всю кинематику рассеяния. Особенностью проделанного эксперимента стало то, что его авторы проводили измерения вблизи нуклонного резонанса, где поляризуемости проявляются сильнее. Кроме того, физики концентрировались на азимутально-симметричных рассеяниях фотона, сравнения которых позволили исключить ряд систематических факторов.

Физики обработали данные для трех переданных 4-импульсов: 0,28, 0,33 и 0,40 квадратных гигаэлектронвольта. Они подгоняли измеренные сечения под модель на основе дисперсионных соотношений, куда электрическая и магнитная поляризуемости входят в качестве свободных параметров, в то время как протонные электромагнитные форм-факторы считались известными и брались учеными из литературы. Строя зависимость поляризуемостей от переданных 4-импульсов, авторы подтвердили, что для ее электрической части на 0,33 квадратных гигаэлектронвольта присутствует пик, который, однако, примерно в два раза меньше, чем тот, что наблюдался ранее.

Исходя из модели, авторы оценили средний квадрат радиуса электрически поляризованного протона, который оказался равен 1,36 ± 0,29 квадратных фемтометра. Это почти в два раза больше, чем средний квадрат радиуса неполяризованного протона, равный примерно 0,7 квадратных фемтометра. Физики связывают такое изменение главным образом с деформацией мезонного облака в протоне. Средний квадрат радиуса магнитно поляризованного протона оказался равен 0,63 ± 0,31 квадратных фемтометра, что свидетельствует о компенсации диа- и парамагнитных вкладов в протоне.

полностью на n+1