Теоретический четырехмерный кристалл станет часами, работающими даже после "смерти" Вселенной.

Через много-много лет наша Вселенная подойдет к концу своего жизненного цикла и перейдет в так называемое состояние "тепловой смерти". Когда Вселенная окажется в этом состоянии все виды энергии, которые существуют в ней на сегодняшний день, перейдут в тепловую энергию, равномерно распределенную по всему ее объему. Во Вселенной прекратится всякое движение и всякое перемещение энергии, все замрет и, как подозревают ученые, время остановится. Но, согласно некоторым теоретическим исследованиям, могут существовать некие часы, которые будут продолжать идти и после тепловой смерти Вселенной.

Основой таких часов должен стать некий кристалл, имеющий циклическую структуру, как в пространстве, так и во времени. Это означает, что такой кристалл должен быть как минимум четырехмерным. Помимо того, что бы выступать в роли часов в бесконечно далекие времена, у такого 4D-кристалла имеются практические применения и в нынешнюю эпоху, с его помощью ученые могут изучать невероятно сложные эффекты, явления и своства квантового мира.

Команда исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли предложила теоретическую модель такого 4D-кристалла. Их работа, опубликованная в онлайн-издательстве ArXiv, описывает этот кристалл как некое устройство на основе ионной ловушки с электрическим полем, которая использует закон Кулона для формирования пространственного кольцевого "кристалла". Эта структура под однократным воздействием слабого магнитного поля начинает медленно вращаться и в теории никогда не остановится, даже тогда, когда Вселенная войдет в состояние тепловой смерти.



Вот что пишут ученые по этому поводу: "Если некоторая квантовая система сможет и будет постоянно вращаться в самом низком из возможных энергетическом состоянии, то такая система "размножится" во времени, формируя пространственно-временной кристалл по аналогии с обычными кристаллами. Такая система смахивает на вечный двигатель и кажется неправдоподобной с первого взгляда. С другой стороны, нам известно, что сверхпроводящие материалы и даже обычные материалы, находящиеся в определенном квантовом состоянии, могут содержать в себе блуждающие токи сколь угодно длительное время".

Открытие возможности создания четырехмерных пространственно-временных кристаллов является в настоящее время чисто теоретическим. Исходя из этого такие кристаллы еще долгое время не смогут стать заменой современным атомным часам, которые являются эталоном времени и точности в настоящее время. Но, если Вы интересуетесь теоретической физикой и квантовым хронометрированием, то статья в ArXiv может стать для Вас очень интересной.

Первоисточник

Ученые установили рекорд, запутав на квантовом уровне одновременно 100 тысяч фотонов



Ученым впервые удалось получить, зарегистрировать и посчитать одновременно 100 тысяч фотонов света, запутанных на квантовом уровне. Это рекордное количество во много раз превысило предыдущее подобное достижение, которое составляло сначала всего 8, а затем 12 запутанных фотонов. Такая технология регистрации и подсчета "тонкой" квантовой связи между многими фотонами света может оказаться очень полезной для функции безопасного разделения ключей шифрования, использующихся в системах защищенных оптических коммуникаций.

Следует напомнить, что запутанные фотоны разделяют одно общее квантовое состояние. Таким образом, изменение квантового состояния одного из запутанных фотонов влечет за собой синхронное изменение состояния и других запутанных фотонов, независимо от расстояния, разделяющего их в физическом мире.

Обнаружение явления квантовой запутанности обычно заключается в измерении идентичности - одновременном обнаружении фотонов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии в разных точках пространства. Использовавшийся ранее метод измерения мог успешно работать только лишь с небольшим количеством фотонов, что обусловило малое количество запутанных фотонов, обнаруженных ранее, хотя фактически их могло быть гораздо больше. Но когда дело доходит до большого количества фотонов, то чувствительности самых лучших датчиков становится недостаточно для различения запутанных и незапутанных частиц.

"Когда вы начинаете оперировать большим количеством фотонов, вы нуждаетесь в совершенно новой методике измерений" - рассказывает Мария Чехова, ученая из Института изучения света Макса Планка (Max Planck Institute for the Science of Light) в Эрлангене, Германия. Новый метод, о котором упомянула Чехова, заключается в определении, разделают ли фотоны одну и ту же поляризацию при определенных условиях. Команда Чеховой реализовала на практике этот метод и провела эксперимент, который продемонстрировал работоспособность нового метода измерения.

Исследователи "стреляли" короткими импульсами лазерного света через устройство, называемое поляризирующим разделителем луча (polarising beam splitter), которое из одного луча делает два луча света с различной поляризацией фотонов. Полученные два луча пропустили сквозь кристалл бария для того, что бы изменить длину волны фотонов, сохранив при этом их поляризацию. После такой операции лучи были снова объединены в один луч, импульс которого содержал около 100 тысяч фотонов.

Полученный короткий луч был снова разделен на два луча с различной поляризацией после чего с помощью чувствительных датчиков было подсчитано количество фотонов в каждом луче и были измерены различия в их поляризации. Не вдаваясь сильно в физико-математические дебри, можно сказать, что полученные физиками данные указали на то, что все измеренные фотоны были запутаны на квантовом уровне и их разделяемым квантовым состоянием являлась их поляризация.

Кристоф Симон, ученый из университета Калгари в Канаде, указывает, что скачок от десятков запутанных фотонов до 100 тысяч является не столь существенным, как это звучит. Фотоны, участвовавшие в предыдущем "рекорде" разделяли суперпозицию из двух квантовых состояний, в то время, как фотоны у Чеховой разделили приблизительно миллион квантовых состояний, делая саму природу квантовой запутанности очень сложной и сильно отличающейся от первоначального варианта. "Нужно быть очень осторожным, сравнивая два эксперимента" - утверждает Кристоф Симон.

Но, несмотря на такой скептицизм, работа, проделанная Марией Чеховой и ее командой, может иметь весьма важное значение для дальнейшего развития квантовой области в целом. Она может оказать влияние на разработку будущих квантовых компьютеров, наверняка затронет область защищенных квантовых коммуникаций и другие области, где используется явление квантовой запутанности частиц.

Первоисточник

Но, несмотря на такой скептицизм, работа, проделанная Марией Чеховой и ее командой, может иметь весьма важное значение для дальнейшего развития квантовой области в целом. Она может оказать влияние на разработку будущих квантовых компьютеров

Физики провели эксперимент, который дал ответ на вопрос, может ли фотон быть одновременно и частицей, и волной или он все-таки проявляет себя в разных обстоятельствах или как волна, или как частица.

Квантовая механика позволяет довольно точно описывать поведение атомов и элементарных частиц, хотя и является наиболее абсурдным и наиболее противоречащим интуиции и здравому смыслу разделом физики. Квантовая механика позволяет одной и той же частице находиться одновременно сразу в нескольких местах. Эта частица может даже находиться в бесконечном количестве мест, и тогда это уже не частица, а волна. Точнее, это и частица, и волна одновременно. О такой квантовой двойственности частиц физика осведомлена с 1924 года, когда де Бройль выдвинул свою гипотезу о корпускулярно-волновом дуализме, и, хотя эта двойственность стала с тех пор общим местом и фундаментальной основой физики микромира, она до сих пор остается, по словам нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана, «настоящей тайной квантовой механики». Последнее время физиков очень занимал вопрос, какой союз применим к фотону (как и к любой другой элементарной частице) — «и» либо «или».

Может ли фотон быть одновременно и частицей, и волной или он все-таки проявляет себя в разных обстоятельствах или как волна, или как частица? Дело в том, что в экспериментах со светом фотон ведет себя или как волна, или как частица, никогда экспериментаторам не удавалось увидеть в нем признаки и того и другого одновременно.

Чтобы все-таки добиться одновременной регистрации и волновых, и корпускулярных свойств фотона, бристольская команда решила реализовать мысленный эксперимент «с отложенным выбором», предложенный американским физиком Джоном Уилером в 1978 году. Суть его сводится к тому, что у экспериментатора есть установка, позволяющая ему по его выбору смотреть на фотон как на частицу или как на волну, но свой выбор он делает завтра, хотя фотон пролетел еще вчера.

Этим экспериментом Уилер доказывал, что понятие времени не имеет к квантовой механике никакого отношения.

Бристольские физики, опубликовавшие статью в Science, решили использовать метод отложенного выбора для другой цели — понять, возможно ли одновременно зарегистрировать фотон как частицу и как волну.

В своем эксперименте они использовали разработанный ими недавно фотонный чип — довольно сложное устройство, имеющее отношение к другому контринтуитивному квантовому эффекту — квантовой нелокальности, согласно которой изменение состояния одной из двух связанных частиц мгновенно сказывается на состоянии другой частицы, как бы далеко они ни были разнесены друг от друга.

«Наша измерительная аппаратура зафиксировала сильную нелокальность, — заявил Альберто Перуццо, руководитель исследования. — Это недвусмысленно говорит о том,

что фотон проявил себя в эксперименте одновременно и как волна, и как частица».

«Этот результат с высокой надежностью опровергает модели, согласно которым фотон может вести себя либо как волна, либо как частица», — подытожил ученый.

Говорят, что кур доят.
А каким образом происходит воздействие (взаимодействие), если оно быстрее «передачи информации»?

Новый квантовый эксперимент подтвердил асимметрию времени

Время неумолимо движется вперед. Стоит прокрутить пленку событий назад - и вы сразу заподозрите что-то неладное. Но вот с точки зрения одной, изолированной частицы течение времени выглядит одинаково в любом направлении. Так, по крайней мере, кажется на первый взгляд. Например, фильм о рассеянии двух частиц будет выглядеть разумно, даже если его прокрутить задом наперед - эта концепция известна как симметрия временного разворота. Теперь в эксперименте авторитетной научной коллаборации (это очное или заочное одновременное участие в работе) BaBar, работающей с ускорителем SLAC, были найдены новые, хотя и давно ожидаемые исключения из этого правила.

Разбирая данные о миллиардах столкновений, накопленные почти за 10 лет, ученые обнаружили, что определенные типы частиц превращаются друг в друга с нарушением симметрии. Эти изменения чаще происходят в одну сторону, чем в другую. Это подтверждает, что для некоторых субатомных процессов существует направленность времени.

Новость сообщил журнал Physical Review Letters. Нынешний результат впечатляет уровнем достоверности - это 1x10⁴³ - гораздо больше, чем нужно, чтоб подтвердить открытие. "Это был захватывающий экспериментальный анализ, недвусмысленно показавший нам асимметричность времени", - сказал сотрудник BaBar, Фернандо Мартинес-Видаль.

BaBar, собиравший данные с ускорителя SLAC c 1999 по 2008 гг., был разработан, чтобы определить тончайшие различия в поведении материи и антиматерии, объясняющие доминирование вещества в нашей Вселенной. Эта загадка давно беспокоит умы физиков - ведь если бы соотношение вещества и антивещества в мире было одинаковым, большая их часть аннигилировала бы.
В SLAC произвели наблюдение около 500 000 пар частиц, B⁺-мезонов и их античастиц – B^--мезонов. Еще в 2008 году выяснилось, что имеет место асимметричность - нарушение пространственной и зарядной четности. Именно это открытие заслужило Нобелевскую премию по физике того года.

Новый, современный анализ BaBar тоже основывается на изучении цепочки превращений частиц. Квантовая запутанность отрицательных В-мезонов дает информацию о партнере распадающейся частицы в момент распада. Воспользовавшись этим, ученые установили, что преобразования происходили в одном направлении в 6 раз чаще, чем в другом.

"Нынешнее испытание симметрии времени путем исследования нестабильных частиц ранее считалось невозможным, сказал Хосе Бернабеу, профессор Университета Валенсии и один из создателей концепции этого анализа. - Особенно захватывающим является тот факт, что решение пришло благодаря квантовой запутанности - явлению, на котором базируется будущее квантовых коммуникаций и вычислительной техники".

На Большом Адронном Коллайдере была получена новая форма материи



Эксперименты со столкновениями частиц, проводимые с помощью самого мощного на сегодняшний день ускорителя частиц, Большого Адронного Коллайдера (БАК), позволили ученым обнаружить нечто, весьма напоминающее новую, неизвестную ранее форму материи. Эта новая форма материи, получившая весьма странное название цветного стеклянного конденсата (color-glass condensate), является подобной жидкости волной, состоящей из глюонов, элементарных частиц, связанных с сильными взаимодействиями, которые скрепляют воедино кварки протонов и нейтронов.

Ученые, работающие на коллайдере, совершенно не ожидали того, что тот тип столкновений, который производится сейчас в недрах Большого Адронного Коллайдера, может стать причиной появления новой формы материи. Но существование такого вида материи может послужить объяснением возникновения некоторых аномалий, возникающих в огромном кольце коллайдера.

Когда ученые разгоняли до высоких скоростей и энергий протоны и ядра свинца, атомы свинца, содержащие по 82 протона и лишенные электронов, и сталкивали их друг с другом, в результате такого столкновения происходил микровзрыв, рождающий ливень новых частиц, разлетающихся в произвольных направлениях на скорости, близкой к скорости света. Но в некоторых случаях, как заметили ученые, некоторые пары частиц отлетали от точки столкновения в строго определенных направлениях.

"Мало того, что эти пары частиц летят в одном направлении, эти частицы как-то связаны друг с другом, что обуславливает такое необычное поведение. Этот факт удивил множество ученых, включая и нас самих" - рассказал Гантэр Роланд (Gunther Roland), ученый-физик из Массачусетского технологического института, группа которого занималась анализом научных данных, собранных во время столкновений частиц в недрах коллайдера.

Подобное поведение частиц было замечено ранее, когда сталкивались две тяжелых частицы, к примеру, два ядра свинца. В результате таких столкновений возникает кварково-глюонная плазма, сверхгорячий "суп" из частиц, состояние материи в котором находилась материя Вселенной сразу после Большого Взрыва. Наличие такого конгломерата может заставить частицы двигаться в одном направлении, объясняя некоторое аномальное их поведение.

Но кварково-глюонная плазма не возникает в результате столкновения тяжелого ядра и протона. Аномалии, которые возникают при таких столкновениях ученые относят на счет возможности существования еще одной формы материи, цветного стеклянного конденсата, которым может оказывать на частицы такое же воздействие, как и кварково-глюонная плазма. Плотная волна цветного стеклянного конденсата может стать причиной движения частиц в одном направлении, как морская волна несет в одном направлении мелкие частицы мусора, предполагает физик Раджу Венугопалан (Raju Venugopalan) из Национальной лаборатории Брукхевена.

Так почему же цветной и почему же стеклянный? Кварки и глюоны не имеют цвета в традиционном нашем понимании. Цветами, красным, синим и зеленым ученые условно отмечают характеристики заряда, который имеют эти частицы. А стеклянным этот конденсат ученые назвали это новое состояние материи за счет того, что глюоны, летящие на околосветовой скорости испытывают действие релятивистского эффекта замедления времени. Тем не менее, это плотное облако глюонов "склеивает" материю в нечто, напоминающее тягучую и очень медленно передвигающуюся жидкость, очень напоминающую по поведению горячее пластичное стекло.

Механизм, позволяющий формироваться такому состоянию материи, как цветной стеклянный конденсат, называется квантовой запутанностью. В настоящее время ученые пытаются использовать этот эффект для осуществления квантовой телепортации, для мгновенной передачи информации на большие расстояния. Эффект квантовой запутаннсти заключается в том, что запутанные частицы сохраняют связь между собой, несмотря на разделяющее их расстояние. Любое воздействие на любую из запутанных частиц моментально отражается и на второй запутанной частице.

Помимо обнаружения новой формы материи, сделанное открытие еще будет полезно тем, что используя цветные стеклянные конденсаты ученые смогут объяснить некоторые особенности внутреннего строения элементарных частиц. Но сделанное открытие основывается лишь на предварительных данных, собранных датчиками Большого Адронного Коллайдера. Для того, что бы ученые смогли подтвердить то, что они видят на самом деле именно то, что они думают, им придется провести еще массу столкновений ядер свинца с протонами в течение января 2013 года и сделать более тщательный анализ собранных данных.

Первоисточник