Кристали часу для тетракварків: квантова фізика у 2017 році

2017 рік був диким та непередбачуваним. А яка наука найкраще відповідає дивному року, ніж квантова фізіка?

У цьому році відбулися дивовижні квантові відкриття в усіх куточках світу – у глибоко захованих нейтринових лабораторіях в Антарктиді, лабораторіях квантових обчислень у великих університетах і навіть у грозах, що гуркотять над Японією. Від кристалів часу до невловимого тетракварку – 15 із самих дивовижних квантових відкриттів за останні 12 місяців.

Простой квантовий компьютер

 

Квантові комп’ютери вже конструюються, з певними можливостями, які перевищують відповідні властивості сучасних комп’ютерів. Але насправді їх будівництво залишається складним заходом – минулі зусилля базувалися на лабораторних лазерах або іншому витончому обладнанні. Теперь дослідники з Університету Сассекса запропонували новий спосіб побудови квантового комп’ютера з використанням мікрохвиль для управління окремими атомами. Теоретично квантовий комп’ютер може працювати у значно менш екстремальних умовах і на набагато більших масштабах, ніж поточні моделі.

Кристал часу

 

Кристали часу – звучить як талісман з фантастичного роману, але вони насправді є реальними квантовими об’єктами, створеними вперше у 2017 році. Часовий кристал – це унікальний стан речовини, група іонів, з’єднаних разом квантовими зв’язками, так що вони тремтять або коливаються разом у повторюваному циклічному періоді. Поки умови, необхідні для їх існування, залишаються, кристали часу блокуються в один момент часу; незалежно від того, скільки енергії накачується в них, вони не нагріваються або не збільшують ентропію – ефективно призупиняючи закони термодинаміки, у їх звичайному розумінні.

Ультрахолодні частицы

 

Квантова фізика – це (у певному сенсі) наука про те, що відбувається, коли дуже маленькі речі взаємодіють без втручання великих, зовнішніх сил і енергій. Тому для проведення багатьох квантово-механічних експериментів, дослідникам необхідно охолоджувати невеликі групи часток, до ступеня, коли тепло не дозволить атомам зміститися. Дослідники вже давно використовують лазери для затримки частинок, позбавляючи їх енергії. Але нова методика, що використовує магнітні поля для захоплення молекул до їх лазерного уповільнення, робить цей метод ще одним кроком вперед і робочим для багатьох видів молекул. У ранньому експерименті з цим методом дослідники з Імперського коледжу Лондона охололи молекулу монофториду кальцію до 50 мікролєвнів – на 50 мільйонів доль до абсолютної нулі.

Нейтринні симметрії

 

Нові результати обсерваторії IceCube Neutrino – демонстрації проводені в лабораторії, схованій під крижаною поверхнею в Антарктиді на глибині 1,45 кілометра, яка вивчає частки, що важко виявити, свідчать про дивну симметрію в масах нейтрино. Нейтрино ділиться на три аромата: мюон, тау та електрон. Іх маси діляться на три “власних стани” або, неформально, види. Один вид складається, головним чином, з електронних нейтрино, другий вид складається з майже рівної комбінації всіх трьох особливостей. Але нові дані свідчать про те, що третя частина складається з рівноного розколу мюонних і тау-нейтрино – і це – симметрія, яку ще не можуть пояснити наукові, маючи на увазі, що можуть існувати приховані закони, які регулюють нейтрино і які фізикам ще треба виявляти.

Подвійні зачаровані частки

 

Експеримент на Великому адронному колайдері (LHC), підземній колії довжиною в 17 миль (27 км) під Женевою показав, що частинки бариона – або трьох кварків – складаються з двох важких d-кварків “чарівності” і одного легкого “вверхного” u-кварка. Коли з’явилася невловима, так звана частинка Xi-cc-plus-plus, дальний родич більш поширених барионів, таких як нейтрони і протони, вона підтвердила прогнозування стандартної моделі, що лежить в основі теорії, яка пояснює субатомні частки. Физики-теоретики Джонатан Рознер и Марек Карлайнер розробили метод оцінки маси ще нерозкритих барионів, і цей експеримент наблизився до їх прогнозу, показавши, що він спрацював.

Вибухова квантова таємниця

 

Коли методи Роснера та Карлайнера виявилися корисними, вони могли застосувати його в інших контекстах. Один з приємних прикладів: вони виявили, що потенційно можна сплавити два надважкі “нижні” кварки і сформувати нуклони. Це різниця в “кварцовому прошарку” могло б звільнити величезну кількість енергії – у 7,6 разів більше енергії окремих реакцій синтезу водню, які відбуваються всередині атомних бомб. Відкриття налякало Карлайнера, як він сказав в “Live Science”, тому він розглядав збереження цього у таємниці, поки не переконався, що не існує можливості зібрати достатню кількість матеріалу для створення зброї.

Невловимий тетракварк

 

Техніка Роснера та Карлайнера для визначення маси теоретичних часток також дозволила їм сказати, що адронний “священний грааль”, тетракварк – частка, що складається з чотирьох кварків, а не трьох знайдених у барионах, дійсно може існувати у чистому вигляді. Вони навіть передбачали її массу. Іх дослідження вказують напрям майбутніх експериментів на LHC, які рано чи пізно повинні виявити реальний тетракварк на Землі.

Прискорювачі часток ударами блискавки

 

З 1925 року дослідники підозрюють, що електронні каскади блискавок можуть ініціювати процеси розщеплення атомів. Але вперше у 2017 році дослідники довели, що блискавка є гігантською фабрикою антиматерії. Спалахи блискавки всередині гроз, як вони показали, розв’язують цілий ряд подій, які змушують нейтрини відокремлюватися від оточуючих атомів азоту та кисню. Цей процес залишає нестабільні радіоактивні ізотопи – і потоки нейтрино та антиматериї, виявляються з землі, за допомогою сигнальних гамма-спалахів, коли антиматерія зустрічає матерію і анулюється.

Квантова заплутаність на великих відстанях

 

Влітку китайський супутник Micius почав відправляти на Землю і отримувати назад цікаві квантові частинки. Перший прийом? Дефрагментація запису для розділення заплутаних часток. Micius відправив пару заплутаних або квантово-пов’язаних протонів на базові станції на Землі, віддалені одна від одної на відстань 747,5 миль (1203 км), що стало першим кроком до створення безпечного шифрування для квантового Інтернету.

Квантова телепортація

 

Протягом місяця з моменту свого оголошення про заплутаність команда Micius заявила про інше досягненні: квантова телепортація пакету інформації від протона на базовій станції Землі до протону на супутник на орбіті. Знову ж, це вид передачі інформації на великі відстані, яку майбутні квантові мережі повинні будуть досягти з високим ступенем надійності.

Атомний годинник

Вимірювання часу виявляється дуже важкий процес. Для дуже точних вимірювань часу дослідники потребують годинник, який визначає дуже точні події: коливання атомів. Але навіть ці годинники втрачають лічені секунди протягом десятків мільярдів років – занадто неточні для певних експериментів. Новий атомний годинник, про який оголосили у 2017 році, охолоджує великі групи атомів, перш ніж їх вимірювати, і досягає точності втрачаючи всього 1 секунду за 90 мільярдів років. Це суперточність.

Квантова інформація

 

Одна справа послати відбитки квантової інформації з землі на супутник. І зовсім інша – відправити дійсно корисну квантову інформацію через безлад і метушню міського повітря. Але дослідники з Оттавського університету зробили саме це, відправивши фотони, що містять два біти інформації між двома будівлями, розташованими на відстані 984 футів (300 метрів) одна від одної.

Проблеми квантових обчислень

 

Вперше вчені показали, що квантові комп’ютери можуть “ламати” проблеми, недосяжні для звичайних комп’ютерів. Дві окремі команди в Гарварді і Університеті штату Меріленд побудували квантові симулятори, які можуть моделювати складний квантовий магнетизм на рівні, недосяжному навіть для суперкомп’ютерів.

Найтонша рідина

 

Звичайні краплі рідини утримуються разом електромагнітними силами між молекулами – силами, які змушують їх зберігати свої форми і не дозволяють змінювати свої обсяги так, як це робить газ. Але команда фізиків побудувала новий вид рідкої краплі, настільки тонкої, що вона повинна була вести себе як газ, який тримався разом, використовуючи тільки сили квантових флуктуацій – дивні частинки, які мабуть, танцюють навколо в просторі на квантовому рівні і натискають один на одного.

Анулювання ентропії

 

Фундаментальний факт Всесвіту, закріплений у другому законі термодинаміки, говорить про те, що теплові потоки йдуть від гарячих об’єктів до холодних, а не навпаки. Так відбувається тому, що всесвіт стає все більш безладним. Але квантові закони ускладнюють таку картину і вперше дослідники продемонстрували, що за допомогою цих законів можна маніпулювати частинками, щоб потік тепла з більш холодного атома вуглецю перетворювався в більш гарячий атом водню усередині молекули хлороформу, тимчасово змінюючи потік хаосу в тому, що є крихітним ділянкою Всесвіту, поки квантовий зв’язок між атомами не загасає.

Джерело