Новости физики в Интернете


Присутствие частицы в плечах интерферометра

Следствием корпускулярно-волнового дуализма в квантовой механике является то, что частица проходит сразу через оба плеча интерферометра. H. Lemmel (Венский технический университет, Австрия и Институт Лауэ – Ланжевена, Франция) и соавторы выполнили новый эксперимент с целью прояснить физический смысл данного утверждения на уровне отдельных частиц (без статистического усреднения) [1]. Применялся интерферометр Маха – Цендера, через который пропускались спин-поляризованные нейтроны от реактора в Институте Лауэ – Ланжевена (Гренобль, Франция). В одном из плечей интерферометра был установлен соленоид, вызывающий поворот спина нейтрона (вносящий дополнительную фазу в его волновую функцию). Затем пути нейтрона сходились в сплиттере, а на выходе перед одним из двух детекторов помещался второй соленоид, способный компенсировать сдвиг фазы. По величине требуемой компенсации можно судить о прохождении нейтрона через плечо интерферометра, содержащее соленоид. Тем самым, спин нейтрона играл роль пробного кубита, с помощью которого можно было выполнять слабые квантовые измерения, характеризующие прохождение нейтрона через конкретное плечо с сохранением интерференционной картины. Результаты измерений описывались в терминах величины «присутствия» нейтрона в плече. Понятие присутствия основывается на работах M. Ozawa (2003) и M.J.W. Hall (2004), посвящённых точности квантовых измерений (близкие идеи были высказаны В.Б. Брагинским и Ф.Я. Халили в 1992 г. [2]), а указанный метод компенсации фазы был предложен H.F. Hofmann (2021). При разных величинах вращения спина и разных углах компенсации фазы были измерены величины присутствия нейтрона в плечах, которые отличались из-за несимметричности сплиттера. Основным выводом данного эксперимента, полностью укладывающимся в стандартную интерпретацию квантовой механики, является факт присутствия нейтрона как индивидуального объекта сразу в обоих плечах интерферометра даже в том случае, когда метод компенсации показывал, что на нейтрон было оказано частичное воздействие в одном конкретном плече – в том, где установлен соленоид. Иначе можно сказать, что имеет место частичное прохождение целого нейтрона через каждое плечо в соответствии с величиной присутствия нейтрона в этом плече. [1] Lemmel H et al. Phys. Rev. Research 4 023075 (2022) [2] Braginsky V B, Khalili F Ya Quantum Measurement (Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1992); Халили Ф Я УФН 186 1059 (2016); Khalili F Ya Phys. Usp. 59 968 (2016)

Квантовые вычисления на массиве нейтральных атомов

В настоящее время развивается сразу несколько подходов к созданию квантовых компьютеров, основанных на квантовых логических ячейках (кубитах) различного типа. В одном из перспективных направлений кубитами служат электронные состояния нейтральных атомов. M.D. Lukin (Гарвардский университет, США) и его коллеги продемонстрированы квантовые операции на массиве нейтральных атомов, причём атомы в их эксперименте могли перемещаться в пространстве для установления новых когерентных связей между кубитами [3]. Атомы 87Rb были захвачены в двумерную оптическую решетку, а квантовая информация кодировалась в уровнях сверхтонкого расщепления. Для осуществления той или иной операции часть массива атомов с помощью «оптического пинцета» передвигалась в новые положения, где атомы взаимодействовали с другими атомами. Это квантовый процессор позволил создать состояние кластера и состояние кода Стина на 7 кубитах. Были реализованы состояния поверхностного кода с 13 кубитами данными и 6 вспомогательными (ancilla) кубитами и состояния кода на торе с 16 и 8 кубитами. Также были выполнены измерения энтропии квантовой запутанности. Эксперимент с массивом нейтральных атомов в оптической решётке был выполнен также T.M. Graham (Висконсинский университет в Мадисоне, США) и соавторами [4]. Ими были получены состояния Гринбергера – Хорна – Цайлингера на основе 2-6 кубитов и продемонстрирован алгоритм оценки фазы. [3] Bluvstein D et al. Nature 604 451 (2022) [4] Graham T M et al. Nature 604 457 (2022)

Гибридная система механического резонатора и кубита

В ряде экспериментов уже были продемонстрированы квантовые свойства макроскопических механических объектов. Вызывает большой интерес использование механических степеней свободы с сочетании с кубитами в квантовых вычислениях. Сложность практической реализации таких гибридных систем (механический резонатор + кубит) заключается в поддержании достаточно большого времени когерентности кубитов и механических резонаторов при объединении их в единое устройство. Y. Chu (Швейцарская высшая техническая школа Цюриха) и соавторы продемонстрировали новую гибридную систему из резонатора объёмной акустической волны, помещённого поверх сверхпроводящего трансмонного кубита на чипе [5]. Акустические колебания возбуждались с помощью пьезоэлектрического преобразователя. Наблюдались вакуумные осцилляции Раби между кубитом и фононными модами. Система обладает значительно большим временем когерентности по сравнению с предшествующими устройствами, что позволило достичь режима сильной дисперсии, когда имеется заметный сдвиг частоты резонатора и кубита. Это дало возможность переводить систему в требуемые фоковские состояния с определённым числом фононов. Одним из главных достижений стало измерение чётности числа фононов с помощью всего лишь одного измерения без необходимости определять распределение фононов. Это важно, в частности, для исправления ошибок квантовых вычислений, т.к. скачок чётности является простым индикатором наличия ошибки. О квантовых сетях см. [6]. [5] von Lupke U et al. Nature Physics (2022) [6] Сукачёв Д Д УФН 191 1077 (2021); Sukachev D D Phys. Usp. 64 1021 (2021)

Кроссовер Келдыша в изоляторе Мотта

Изоляторы Мотта представляют собой вещества, у которых электроны в частично заполненной зоне находятся в состоянии коллективной локализации за счёт сильного кулоновского отталкивания, что создает энергетическую щель и делает эти вещества диэлектриками. В переменном электрическом поле в изоляторах Мотта наблюдались переходы металл-изолятор, нелинейная генерация гармоник и другие интересные явления. При увеличении параметра Келдыша сверх единицы механизм рождения пар квазичастиц дублон-халон должен изменяться от туннерирования к мультифотонному поглощению. Расчёты методом Ландау – Дыхне [7] показали, что этот переход должен иметь вид кроссовера, однако ранее кроссовер не наблюдался из-за экспериментальных сложностей. В эксперименте X. Li (Калифорнийский технологический институт, США) и соавторов проблемы были преодолены и впервые зарегистрирован кроссовер Келдыша [8]. Методом ультрабыстрой широкополосной оптической спектроскопии исследовался многозонный изолятор Мотта Ca2RuO4, в котором возможно рождение пар даже при слабом поле 100 В см−1. Под воздействием лазерного импульса длительностью менее 100 фс происходило резкое понижение отражательной способности, которая затем восстанавливалась по экспоненциальному закону. В случае энергии фотонов в импульсе 0,3 эВ при повышении напряжённости поля сверх 0,07 В A−1 имел место переход от степенной зависимости темпа рождения пар дублон-халон к пороговому типу зависимости, что с высокой точностью соответствует теории кроссовера Келдыша. [7] Карнаков Б М, Мур В Д, Попруженко С В, Попов В С, УФН 185 3 (2015); Karnakov B M, Mur V D, Popruzhenko S V, Popov V S, Phys. Usp. 58 3 (2015) [8] Li X et al. Phys. Rev. Lett. 128 187402 (2022)

Изображение чёрной дыры Sgr A*

В 2019 г. с помощью Телескопа горизонта событий, представляющего собой глобальную сеть из восьми радиотелескопов, было впервые получено изображение сверхмассивной чёрной дыры (ЧД) в галактике M87, называемое также тенью ЧД [9]. Коллаборация Телескопа горизонта событий 12 мая 2022 г. представила новый результат – первое изображение ЧД Sgr A*, находящейся в центре нашей Галактике [10]. Sgr A*в 2000 раз ближе, чем ЧД в M87, но в 1500 раз менее массивная, поэтому угловые размеры этих ЧД примерно одинаковы. Однако наблюдать изображение ЧД в нашей Галактике значительно сложнее из-за быстрых вариаций радиоизлучения, связанных с малым радиусом ЧД. Кроме того, на луче зрения по направлению Sgr A* в Галактике имеется турбулентная плазма, размывающая изображение на больших длинах волн. В связи с этим, для получения изображения Sgr A* потребовалось больше времени и вычислительных ресурсов. Тень ЧД возникает благодаря эффекту гравитационного линзирования – отклонения лучей света в гравитационном поле ЧД. Источником света в наблюдавшихся двух случаях служили яркие области аккреционных дисков. Из-за разного наклона дисков, изображение Sgr A* выглядит несколько иначе, чем у M87, – наряду со светящимся кольцом, окружающем область тени, имеются три ярких пятна. Наблюдение тени ЧД Sgr A* позволило выполнить проверку и ограничить параметры ряда альтернативных теорий гравитации [11]. Было показано, что характеристики тени ЧД Sgr A* полностью соответствуют предсказаниям эйнштейновской Общей теории относительности. [9] Докучаев В И, Назарова Н О УФН 190 627 (2020); Dokuchaev V I, Nazarova N O, Phys. Usp. 63 583 (2020) [10] Bower G C for EHT Collaboration [11] Vagnozzi S et al. arXiv:2205.07787 [gr-qc]

Новостной канал

Новости физики в Интернете — раздел журнала Успехи физических наук, ежемесячно публикующего обзоры современного состояния наиболее актуальных проблем физики и смежных с нею наук. В данном обзоре новостей представлены последние открытия в физике и астрофизике.

Постоянный ведущий — Ю.Н. Ерошенко.

Материалы подготовлены на основе электронных препринтов и бюллетеней.

Физические ресурсы Рунета

© Успехи физических наук, 1918–2022
Электронная почта: ufn@ufn.ru Телефоны и адреса редакции О журнале Пользовательское соглашение