Jesteśmy coraz bliżej kwantowego internetu. Naukowcy teleportowali stan fotonu między kropkami kwantowymi
Naukowcom udało się teleportować stan fotonu pomiędzy dwiema oddzielnymi kropkami kwantowymi, na odległość 270 metrów. To dowód, że informacja może podróżować między niezależnymi urządzeniami. Jest to kamień milowy w kierunku budowy sieci kwantowych do bezpiecznej komunikacji.
Prace nad tzw. teleportacją kwantową trwają od wielu dekad. Co pewien czas pojawiają się informacje o kolejnym przełomie. Właśnie w ten nurt wpisuje się nowy eksperyment, przeprowadzony m.in. na Uniwersytecie w Paderborn. Teleportacja stanu kwantowego: odległość to nie wszystko Wszystko zaczęło się w 1997 roku, gdy zespół kierowany przez prof. Antona Zeilingera na Uniwersytecie w Innsbrucku po raz pierwszy zademonstrował przeniesienie stanu kwantowego fotonu na niewielką odległość w warunkach laboratoryjnych. Dalsze eksperymenty stopniowo zwiększały dystans do kilku kilometrów w światłowodach i w wolnej przestrzeni. Prawdziwy przełom nastąpił w 2017 roku dzięki chińskiej misji satelitarnej Micius, która pozwoliła przeprowadzić teleportację na odległość około 1400 km między Ziemią a orbitą. Jednak w pewnym momencie odległość przestała by kluczowa. Teraz zaczęto kłaść nacisk na praktyczne zastosowania. Czym są kropki kwantowe? W eksperymencie w Paderborn, stan fotonu teleportowano między niezależnymi kropkami kwantowymi na dystansie 270 metrów. Kropki kwantowe to ekstremalnie małe fragmenty półprzewodnika, których rozmiar wynosi zaledwie kilka nanometrów (czyli milionowe części milimetra). Na tym poziomie zaczyna działać mechanika kwantowa, a nie zwykła fizyka. – Eksperyment w imponujący sposób pokazuje, że źródła światła kwantowego oparte na półprzewodnikowych kropkach kwantowych mogą służyć jako kluczowa technologia dla przyszłych sieci komunikacji kwantowej. Udana teleportacja kwantowa pomiędzy dwoma niezależnymi emiterami kwantowymi to istotny krok w kierunku skalowalnych przekaźników kwantowych i praktycznej realizacji internetu kwantowego — wyjaśnia prof. Klaus D. Jöns, kierownik grupy badawczej „Hybrid Photonics Quantum Devices” oraz członek zarządu Instytutu Fotonicznych Systemów Kwantowych (PhoQS) na Uniwersytecie w Paderborn. Interdyscyplinarność kluczem do sukcesu Prace nad wykorzystaniem kropek kwantowych jako źródeł splątanych par fotonów w systemach komunikacji i teleportacji, rozpoczęły się mniej więcej dekadę temu. Prowadziły je zespoły kierowane przez profesora Jönsa oraz profesora Rinaldo Trottę z Uniwersytetu Sapienza w Rzymie. – Nasz wynik pokazuje, że planowanie przyniosło efekty. Połączenie nauki o materiałach, nanofabrykacji oraz optycznej technologii kwantowej było kluczem do sukcesu — skomentował profesor Jöns. Dlaczego efekt eksperymentu jest tak ważny? Zacznijmy od tego, że układy splątane, złożone z wielu cząstek kwantowych, oferują znaczące korzyści dla technologii komunikacyjnych. Zamiast polegać na pojedynczym stanie określonym przez jeden foton, tworzą powiązane stany obejmujące wiele cząstek. To podejście jest kluczowe dla zastosowań w bezpiecznej komunikacji, przetwarzaniu danych oraz obliczeniach kwantowych. Splątanie łączy określone właściwości fotonów, umożliwiając im współdzielenie informacji. Wspólny stan reprezentuje jednostkę informacji podlegającą przetwarzaniu. Najwazniejszy przełom: dwa różne źródła fotonów – Wcześniej te fotony pochodziły z jednego i tego samego źródła, czyli tego samego emitera. Chociaż w ostatnich latach poczyniono znaczące postępy, wykorzystanie odrębnych emiterów kwantowych do realizacji przekaźnika kwantowego między niezależnymi stronami pozostawało wcześniej poza zasięgiem — zauważył profesor Jöns. Badacze mają już nowy cel. Pracują nad demonstracją „zamiany splątania” (entanglement swapping) między dwiema kropkami kwantowymi. Osiągnięcie tego pozwoliłoby stworzyć pierwszy przekaźnik kwantowy wykorzystujący dwa deterministyczne źródła splątanych par fotonów. Źródła takie mogą niezawodnie generować pojedyncze fotony niemal na żądanie, choć ich opracowanie stanowiło duże wyzwanie. Potęga internetu kwantowego Chociaż do realnego internetu kwantowego wciąż długa droga, to warto nią iść. Da on nam gwarancję bezpieczeństwa – każda próba podsłuchu zostawi ślad, co ma ogromne znaczenie dla bankowości, wojska czy ochrony danych. Ponadto internet kwantowy będzie bazą dla przyszłych technologii obliczeniowych. Umożliwi łączenie komputerów kwantowych w sieci, co może prowadzić do powstania rozproszonych systemów o nieosiągalnej dziś mocy obliczeniowej. To z kolei może przyspieszyć rozwój medycyny, chemii czy sztucznej inteligencji. Źródło: Nature Communications Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Rozpad fałszywej próżni: chińscy fizycy odtworzyli koniec Wszechświata w laboratorium
Wszechświat wydaje się nam stabilny. Jednak fizycy kwantowi twierdzą, że może on znajdować się w tymczasowym stanie pozornego spokoju, który może zostać przerwany w mgnieniu oka. Tzw. rozpad fałszywej próżni to jedna z najbardziej przerażających koncepcji teorii kwantowej. Teraz udało się odtworzyć ją w laboratorium.
Spis treści: Czym jest próżnia? Prawdziwa a fałszywa próżnia: metafora połączonych jezior Mikrowszechświat w laboratorium - pierścień atomów Rydberga – W kwantowej teorii pola „próżnia” nie jest po prostu pustą przestrzenią, lecz stanem o najniższej energii pola kwantowego. Jeśli krajobraz energetyczny ma wiele lokalnych minimów, lokalne stany podstawowe stanowią tzw. fałszywą próżnię (FV), która może tunelować w kierunku globalnego stanu podstawowego (prawdziwej próżni, TV). Proces ten wykazuje cechy podobne do klasycznych przemian w przechłodzonym gazie oraz tunelowania wielu cząstek w układach kwantowych. W tej pracy badamy rozpad fałszywej próżni oraz nukleację bąbli w pierścieniu atomów Rydberga – napisali w artykule opublikowanym na łamach Physical Review Letters uczeni z Uniwersytetu Tsinghua w Chinach. Co konkretnie mieli na myśli? Czym jest próżnia? Zacznijmy od próżni. Fizyka kwantowa uznaje próżnię za stan o najniższej energii we Wszechświecie. Jednak możliwe jest, że istnieje bardziej stabilny stan o jeszcze niższej energii. Jeśli fragment przestrzeni przeszedłby do tego stanu, mógłby się rozszerzać i pochłonąć cały Wszechświat z prędkością światła, nadpisując po drodze prawa fizyki. Na całe szczęście rozpad fałszywej próżni prowadzi do zniszczenia Wszechświata tylko w niektórych scenariuszach teoretycznych. Samo zjawisko leży na styku teorii kwantowej i teorii względności – co czyni je potencjalnie użytecznym narzędziem do próby rozwiązania dotychczas nieusuwalnych różnic między tymi dwoma podejściami. Równania teorii względności bardzo dobrze opisują, jak działa fizyka we Wszechświecie w dużych skalach i przy wysokich prędkościach. Niestety, gdy schodzimy do niezwykle małych rozmiarów (świata kwantowego na poziomie atomowym i subatomowym) teoria względności przestaje wystarczać do opisu zachowania materii. Najlepszym narzędziem, którym współcześnie dysponujemy jest tzw. kwantowa teoria pola. Opisuje ona sposób oddziaływania pól kwantowych i cząstek. Prawdziwa a fałszywa próżnia: metafora połączonych jezior Gdy teorie te działają w swoich zakresach, wszystko przebiega poprawnie. Jednak w pewnych ekstremalnych warunkach ich zakresy się nakładają, co wywołuje katastrofalne problemy. Nie istnieje jeszcze teoria, która łączyłaby oba te światy, dlatego fizycy badają obszary ich styku. Jeśli krajobraz energetyczny pola kwantowego ma wiele lokalnych minimów (czyli „dołków”), odpowiadają one fałszywym próżniom. Mogą przejść do prawdziwej próżni, czyli jeszcze niższego stanu energii. Można to wytłumaczyć metaforą pojezierza: niektóre jeziora są głębsze niż inne – jeśli na dnie jednego z jezior powstanie tunel, woda spłynie do głębszej niecki. Gdyby coś takiego wydarzyło się w próżni kosmicznej, nie mielibyśmy do czynienia ze zmianą wyłącznie lokalną. Zamiast odpływu wody, niewielki obszar przestrzeni przeszedłby do niższego stanu energii, tworząc coś w rodzaju bańki. Bańka ta nie pozostałaby w miejscu. Po osiągnięciu krytycznego rozmiaru, zaczęłaby rozszerzać się z prędkością bliską prędkości światła, przekształcając wszystko czego dotknie, w nowy stan. To początkowe „tunelowanie” do niższego stanu jest procesem kwantowym – ale jego konsekwencje rozgrywają się w największych możliwych skalach, zmieniając cały Wszechświat. Mikrowszechświat w laboratorium - pierścień atomów Rydberga W eksperymencie laboratoryjnym uczeni użyli modelu zastępczego – pierścienia atomów Rydberga. W zwykłym atomie mamy jądro otoczone chmurą elektronów. Jeśli dostarczymy atomowi niewielką ilość energii, chmura elektronowa nieco się rozszerza. Naukowcy ułożyli parzystą liczbę wzajemnie odpychających się atomów Rydberga w pierścień. W takiej konfiguracji każdy atom przyjmuje spin przeciwny do swoich sąsiadów, tworząc symetryczny, naprzemienny układ. Następnie pobudzili atomy laserami, łamiąc tę symetrię. Dzięki temu pierścień mógł istnieć w dwóch różnych konfiguracjach o nieco różnych energiach – jednej odpowiadającej fałszywej próżni, a drugiej prawdziwej. Układ ten „zanikał” w kierunku preferowanego stanu podstawowego, z szybkością zależną od siły działania lasera. Jest to zgodne z najczęściej akceptowanym mechanizmem rozpadu fałszywej próżni – powstawaniem kwantowej bańki zawierającej prawdziwą próżnię. Warunki sprzyjające powstaniu takiej bańki zwiększają prawdopodobieństwo przejścia. Eksperyment potwierdził przewidywania teoretyczne. Czy pewnego dnia pomoże nam też odpowiedzieć na pytanie, jak bardzo powinniśmy się obawiać nagłej przemiany Wszechświata w coś zupełnie innego? Źródło: Physical Review Letters Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Teleportacja to już nie tylko science fiction – przynajmniej na poziomie kwantowym
Choć teleportacja ludzi wydaje się nieosiągalna, teleportacja kwantowa staje się kluczową technologią przyszłości. Może zapoczątkować nową erę komputerów i zmienić nasze rozumienie świata subatomowego.
Spis treści: Teleportacja w laboratorium Teleportacja kwantowa może pomóc rozwiązywać złożone problemy Jak działa teleportacja kwantowa? Czy teleportacja kwantowa pozwoli kiedyś przenosić ludzi? Sześćdziesiąt lat temu serial Star Trek wprowadził technologię, która stała się jedną z najbardziej rozpoznawalnych w historii science fiction: transporter. Maszyna, umożliwiająca natychmiastową teleportację z miejsca na miejsce, zrodziła się z czystej oszczędności – twórcy chcieli uniknąć wysokich kosztów renderowania lądowań statku. Technologia „przesyłania” załogi na pokład Enterprise i z powrotem stała się od tego czasu znakiem rozpoznawczym serii. Teleportacja w laboratorium W świecie Star Treka transporter przekształca materię w strumień energii, który następnie przesyłany jest do wybranego miejsca, gdzie zostaje odtworzony atom po atomie. Choć serial ten nie był pierwszym dziełem ukazującym teleportację, to właśnie ta koncepcja najmocniej rozpaliła wyobraźnię odbiorców, dając początek trwałym motywom kulturowym i licznym inspiracjom technologicznym. A potem… teleportacja stała się rzeczywistością. Ponad 30 lat temu grupa fizyków poszukiwała nazwy dla swojej radykalnej i nowatorskiej koncepcji. Chcieli opisać sposób przekazywania stanów kwantowych atomów lub cząstek subatomowych do innych, oddalonych cząstek bez jakiejkolwiek fizycznej interakcji między nimi. Stan kwantowy to pojęcie matematyczne, opisujące informacje o atomie lub cząstce subatomowej – na przykład poziom energii elektronu czy polaryzację fotonu. Zainspirowani science fiction, badacze nazwali to zjawisko „teleportacją kwantową”. Od tego czasu idea ta ewoluowała z koncepcji teoretycznej w eksperymentalnie zweryfikowaną rzeczywistość. Pierwsze doświadczenia z końca lat 90. wykazały, że stany kwantowe można przesyłać na krótkie dystanse. Kolejne badania udowodniły, że proces ten działa na coraz większe odległości – nawet między Ziemią a niską orbitą okołoziemską, co w 2017 roku zademonstrowali chińscy naukowcy. Teleportacja kwantowa jest możliwa dzięki wykorzystaniu splątania kwantowego – naturalnego zjawiska, w którym maleńkie cząstki mogą zostać ze sobą powiązane na niemal nieskończonych dystansach. Teleportacja kwantowa znacząco różni się od teleportacji materii, którą znamy z filmów i seriali. Polega ona na przenoszeniu stanu kwantowego, a nie samej materii. I choć eksperci podkreślają, że nie doprowadzi to do „przenoszenia” ludzi jak w Star Treku, może otworzyć drogę do nowej ery obliczeń kwantowych, która zrewolucjonizuje nasze rozumienie świata subatomowego – a tym samym także natury wszechświata i wszystkiego, co w nim istnieje. – U podstaw natura ma charakter kwantowy – mówi Jason Orcutt, główny naukowiec badawczy w IBM Quantum. – Ty sam jesteś informacją kwantową. Teleportacja kwantowa może pomóc rozwiązywać złożone problemy W życiu codziennym obiekty zdają się podlegać znanym nam zasadom fizyki klasycznej. Jednak na poziomie atomów i cząstek subatomowych zaczyna obowiązywać zupełnie inny, często trudny do wyobrażenia zestaw reguł. To właśnie królestwo fizyki kwantowej, w którym cząstki mogą istnieć w wielu stanach jednocześnie, dopóki nie zostaną poddane pomiarowi, a obiekty mogą zostać ze sobą powiązane na niemal nieskończonych dystansach. Wiele zjawisk w świecie kwantowym wymyka się intuicji – i możliwościom opisu przez tradycyjne komputery. Podczas gdy klasyczne komputery przechowują i przetwarzają dane w postaci bitów (0 lub 1), stan układu kwantowego nie zawsze da się sprowadzić do tak prostego podziału. Dlatego potrzebny jest inny sposób zapisu informacji – informacja kwantowa, czyli kubity (qubits). Podczas gdy bit może przyjmować tylko wartość 0 albo 1, kubit może jednocześnie reprezentować oba stany, aż do momentu pomiaru – zjawisko to nazywa się superpozycją. Kubity mogą również ulegać splątaniu, co oznacza, że pomiar jednego natychmiast wpływa na wynik pomiaru drugiego. W efekcie powstaje bardzo złożona forma informacji, która stanowi fundament ogromnych możliwości komputerów kwantowych. – Istnieją problemy tak trudne, że ich rozwiązanie zajęłoby czas równy wiekowi Wszechświata – i klasyczne komputery nigdy im nie podołają – twierdzi dr Jason Orcutt. Komputery kwantowe mogą w przyszłości umożliwić precyzyjne symulowanie świata molekularnego, w tym złożonych reakcji chemicznych. Dzięki temu moglibyśmy projektować wydajniejsze procesy przemysłowe – na przykład bardziej energooszczędną produkcję syntetycznych nawozów dla rolnictwa – a także tworzyć zupełnie nowe materiały. Choć komercyjne komputery kwantowe już istnieją, ich możliwości są wciąż ograniczone. Jednym z kluczowych wyzwań w budowie większych i bardziej zaawansowanych maszyn – zdolnych do korygowania błędów i prowadzenia długotrwałych obliczeń – jest opracowanie skutecznych metod przesyłania informacji kwantowej. – Problem polega na tym, że gdy mierzymy stan kwantowy, automatycznie go zmieniamy – wyjaśnia Simone Portalupi, badacz komunikacji kwantowej. – Nie da się więc po prostu skopiować informacji kwantowej. Jak działa teleportacja kwantowa? Potrzebne są więc inne sposoby przekazywania informacji – i właśnie tu pojawia się teleportacja kwantowa. Jako metoda umożliwiająca przenoszenie stanów kwantowych bez przemieszczania materii, może stać się standardowym sposobem komunikacji w świecie technologii kwantowych. Dzięki niej możliwe będzie łączenie odległych komputerów kwantowych, a w przyszłości nawet stworzenie kwantowego internetu. Splątanie kwantowe jest zjawiskiem naturalnym, ale można je również wywołać sztucznie. Gdy dwa układy kwantowe zostaną splątane, ich stany pozostają ze sobą powiązane niezależnie od dzielącej je odległości. To właśnie dlatego splątanie może być wykorzystywane do przesyłania informacji. Procedura teleportacji stanów kwantowych została po raz pierwszy opisana w publikacji z 1993 roku, a następnie potwierdzona w serii eksperymentów. Do lat 2010. naukowcy nauczyli się teleportować różne typy stanów kwantowych, w tym stany nadprzewodzących obwodów. Badania wykazały także, że możliwe jest przesyłanie stanów kwantowych między miastami, a nawet między Ziemią a przestrzenią kosmiczną i z powrotem. Dziś – jak podkreśla Daniel Orcutt – dziedzina ta wychodzi poza etap czysto naukowy i wkracza w fazę inżynieryjną, której celem jest łączenie i skalowanie komputerów kwantowych. Czy teleportacja kwantowa pozwoli kiedyś przenosić ludzi? Choć teleportacja kwantowa może odegrać kluczową rolę w rozwoju przyszłych komputerów kwantowych, eksperci podkreślają, że raczej nie doprowadzi do powstania urządzeń zdolnych do „transportowania” ludzi, jak w Star Treku. – Porównania do Star Treka są trudne – mówi Tim Strobel, doktorant zajmujący się komunikacją kwantową i członek projektu QR.N. – W naszym przypadku chodzi o przenoszenie stanów kwantowych, a nie materii czy energii. Oblak przyznaje, że aby teleportować człowieka, należałoby przenieść całą informację kwantową dotyczącą atomów i cząstek, z których jest zbudowany. Konieczne byłoby także posiadanie w miejscu docelowym „zestawu atomów gotowych do złożenia człowieka”, a następnie przekazanie stanu kwantowego do każdego z nich z osobna. – Trudno sobie wyobrazić, by kiedykolwiek było to możliwe – mówi. Pozostaje też odwieczna debata filozoficzna: czy osoba, która pojawia się po teleportacji, to ta sama osoba, czy jedynie jej kopia? W mechanice kwantowej obowiązuje tzw. twierdzenie o zakazie klonowania, które mówi, że nie da się skopiować nieznanego stanu kwantowego. Teleportacja omija ten problem, ponieważ oryginalny stan zostaje najpierw zmierzony i zniszczony, zanim zostanie odtworzony w innym miejscu. W efekcie – na poziomie kwantowym – przeniesiony stan można uznać raczej za ten sam, a nie jego kopię. Jeśli okaże się, że to, co czyni cię tym, kim jesteś – twoje wspomnienia, osobowość, a nawet poczucie własnego „ja” – sprowadza się do informacji kwantowej, wówczas być może mógłbyś przeteleportować się w nowe miejsce. Jeśli jednak tak nie jest, taka „teleportacja” mogłaby oznaczać jedynie śmierć oryginału i powstanie jego kopii gdzie indziej. – To wszystko opiera się wyłącznie na spekulacjach – mówi Orcutt. – Na razie pytanie, czy można teleportować człowieka, a nawet pojedynczy atom, pozostaje zdecydowanie w sferze science fiction – podobnie jak wszelkie odpowiedzi na to pytanie. Źródło: National Geographic
Teleportacja kwantowa przez Internet? Brzmi jak science fiction, choć jest już realna!
Zespołowi inżynierów z Northwestern University udało się teleportować stan kwantowy na odległość 30 kilometrów przy użyciu światłowodu. W dodatku światłowodu aktywnie przesyłającego strumień ruchu internetowego. Oznacza to, że będziemy mogli tworzyć sieci komputerów połączonych kwantowo przy użyciu już istniejącej infrastruktury!
Spis treści: Czym naprawdę jest teleportacja kwantowa? Pierwszy raz przez aktywne łącze internetowe Jak przebiegała kwantowa teleportacja? Czy to początek Internetu kwantowego? To przełom, bo otwiera drogę do tworzenia sieci komputerów połączonych kwantowo bez konieczności budowy osobnych łączy – z wykorzystaniem już istniejącej infrastruktury. Czym naprawdę jest teleportacja kwantowa? Choć fani science fiction, a zwłaszcza serii Star Trek, po usłyszeniu słowa „teleportacja” od razu pomyślą: beam me up, Scotty, to rzeczywistość wygląda inaczej. Teleportacja kwantowa nie przenosi ludzi ani przedmiotów, lecz stany kwantowe cząstek – najczęściej fotonów. To zestaw prawdopodobieństw opisujących cząstki splątane kwantowo, które mogą znajdować się w różnych miejscach. Taka forma teleportacji może znaleźć zastosowanie m.in. w: szyfrowaniu sygnałów, tworzeniu technologii komunikacyjnych o wyjątkowej precyzji, przesyłaniu informacji w sposób niepodatny na przechwycenie. Pierwszy raz przez aktywne łącze internetowe Dotąd podobne eksperymenty odbywały się w warunkach laboratoryjnych lub na symulowanych łączach. Tym razem, po raz pierwszy, teleportowano kwantowy stan fotonu przez realne łącze światłowodowe, które jednocześnie przesyłało dane z prędkością 400 Gb/s. To niesamowite, ponieważ delikatne stany kwantowe są bardzo podatne na zakłócenia, a strumień danych mógłby je zniszczyć. Jednak badacze poradzili sobie z tym problemem dzięki zastosowaniu: innego pasma światła (1290 nm vs 1550 nm), precyzyjnych filtrów, synchronizacji czasowej. Jak przebiegała kwantowa teleportacja? W eksperymencie wykorzystano trójkę „bohaterów”: Alice, Boba i Charliego – to standardowe nazwy w schematach kryptograficznych. Alice tworzy pojedynczy foton z określoną polaryzacją (wiadomość kwantowa). Bob generuje parę splątanych fotonów – jeden wysyła do Charliego, drugi zatrzymuje. Charlie otrzymuje foton od Alice i splątany foton od Boba. Wykonuje pomiar stanu Bella, który niszczy obie cząstki, ale sprawia, że foton Boba natychmiast przyjmuje stan Alice. To oznacza, że stan kwantowy został przeniesiony, mimo że żaden foton fizycznie nie przebył tej drogi. Czy to początek Internetu kwantowego? Tak. Sukces eksperymentu oznacza, że w przyszłości Internet kwantowy może współdzielić infrastrukturę z klasycznym Internetem. Otwiera to drzwi do: tworzenia hybrydowych sieci komunikacyjnych, rozwoju komunikacji odpornej na przechwycenie, budowy nowej generacji technologii transmisji danych. Źródło: optica.org Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Kot Schrödingera i komputer kwantowy – tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki jest podsumowaniem 100 lat badań
Mechanika kwantowa opisuje zjawiska zachodzące w mikroświecie atomów i cząstek elementarnych. Nie daje pewnych, deterministycznych wyników, za to rozszerza fizykę klasyczną o obszar, w którym prawa Newtona przestają działać. Jednym z kluczowych pytań mechaniki kwantowej jest to o wielkość układu, który wciąż wykazuje efekty mechaniki kwantowej. I właśnie tym tematem zajmowali się tegoroczni laureaci Nagrody Nobla z fizyki. Ich praca stała się podstawą tworzenia komputerów kwantowych.
Spis treści: Eksperymenty na chipie Technologie kwantowe Komputery kwantowe Kto był typowany do Nagrody Nobla? Tegorocznymi laureatami najbardziej prestiżowego wyróżnienia świata, czyli Nagrody Nobla z fizyki, zostali amerykańscy badacze John Clarke, Michel H. Devoret oraz John M. Martinis. W latach 1984–1985 przeprowadzili serię eksperymentów z obwodem elektronicznym zbudowanym z nadprzewodników – elementów, które mogą przewodzić prąd bez oporu elektrycznego. W trakcie eksperymentów wykazali zarówno tzw. tunelowanie kwantowe, jak i kwantowanie poziomów energii – w układzie na tyle dużym, że można go trzymać w dłoni. Eksperymenty na chipie W opracowanym przez nowych noblistów obwodzie nadprzewodzące komponenty były oddzielone cienką warstwą materiału nieprzewodzącego, tworząc tzw. złącze Josephsona. Dzięki precyzyjnemu dostrojeniu i pomiarom różnych właściwości tego układu badacze byli w stanie kontrolować i badać zjawiska pojawiające się przy przepływie prądu. Poruszające się w nadprzewodniku cząstki naładowane tworzyły układ zachowujący się tak, jakby stanowiły jedną cząstkę wypełniającą cały obwód. Ten makroskopowy układ początkowo znajduje się w stanie, w którym prąd płynie bez występowania napięcia. Układ jest uwięziony w tym stanie, jakby za barierą, której nie może przekroczyć. W eksperymencie układ ujawnia swój kwantowy charakter, gdy udaje mu się „uciec” ze stanu zerowego napięcia dzięki tunelowaniu. Zmiana stanu układu jest wykrywana poprzez pojawienie się napięcia. Laureaci wykazali również, że układ zachowuje się zgodnie z przewidywaniami mechaniki kwantowej. Jest skwantowany, co oznacza, że może pochłaniać lub emitować tylko określone porcje energii. Technologie kwantowe Przewodniczący Komitetu Noblowskiego ds. fizyki Olle Eriksson w trakcie przemówienia podkreślił, że to wspaniałe, iż stuletnia mechanika kwantowa wciąż przynosi nowe niespodzianki. – Jest też niezwykle użyteczna, ponieważ stanowi fundament całej technologii – dodał ekspert. Do czego konkretnie nawiązywał? Przede wszystkim do rozwoju technologii kwantowych: komputerów kwantowych, kryptografii kwantowej i sensorów, które w przyszłości będę mogły zastąpić np. satelity nawigacyjne. Prace nad tymi technologiami prowadzone są również w Polsce, m.in. przez Poznańskie Centrum Superkomputerowo-Sieciowe (PCSS). – Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki dobitnie pokazuje, że technologie kwantowe rozwijają się bardzo dynamicznie – komentuje dr hab. inż. Krzysztof Kurowski, koordynator EuroQCS-Poland i komputera kwantowego PIAST-Q, kierownik Działu Technologii Kwantowych w PCSS. Jak podkreśla ekspert, nagrodzeni badacze to osoby związane nie tylko ze sferą naukową, ale również ze środowiskiem technologiczno-biznesowym, szczególnie z firmą Google. Ten technologiczny gigant mocno angażuje się w rozwój technologii kwantowych podobnie jak IBM, IQM oraz wiele innych firm z sektora IT. Komputery kwantowe – Od kilku lat Google demonstruje nowe rozwiązania oraz promuje swój procesor kwantowy i układ Sycamore. Proponowany przez nich komputer kwantowy działa w oparciu o tzw. nadprzewodzące kubity, a te nie zaistniałyby, gdyby nie prace naukowe oraz eksperymenty Johna Clarke’a, Michela H. Devoreta oraz Johna M. Martinisa. Trzeba z dużą mocą podkreślić, że ci trzej badacze dzięki serii zaawansowanych eksperymentów udowodnili, że zjawiska kwantowe zachodzą nie tylko w mikroświecie, ale również w układach makroskopowych. W tym konkretnym przypadku w układzie elektrycznym i nadprzewodników, który składa się z milionów tzw. sztucznych atomów utrzymywanych w bardzo niskiej temperaturze. Udało im się stworzyć solidne naukowe podwaliny pod konkretne rozwiązania procesora kwantowego. To wyróżnienie pokazuje również, jak szybko można przejść od pracy naukowej do fazy demonstracyjnej i wdrożeniowej – mówi dr Kurowski. Dodajmy, że komputerem kwantowym bazującym na technologii nadprzewodzących kubitów, a pośrednio na wynikach badań dzisiejszych noblistów jest superkomputer kwantowy Odra 5 uruchomiony na Politechnice Wrocławskiej. Pierwsze w Polsce komputery kwantowe należące do PCSS bazują na innych technologiach, w tym dwa na fotonicznych układach kwantowych oraz ostatnio zademonstrowany komputer kwantowy działający w europejskiej infrastrukturze EuroHPC na tzw. spułapkowanych jonach. – Technologie kwantowe znajdują już zastosowania w innych obszarach, takich jak komunikacja kwantowa, metrologia czy sensory kwantowe. Dla przykładu dysponujemy w Polsce aktualnie najdłuższą w Europie, bo liczącą ponad 1700 km infrastrukturą siecią do kwantowej dystrybucji klucza (QKD), wykorzystującej istniejące światłowody naukowej sieci PIONIER. Technologia ta zwiększa bezpieczeństwo łączy komunikacyjnych, umożliwiając wymianę kluczy szyfrujących w sposób gwarantujący wykrycie każdej próby podsłuchu właśnie dzięki wykorzystaniu elementarnych zasad mechaniki kwantowej. Możliwości generowanie klucza kwantowego są niezbędne w kryptografii, a co za tym idzie dla bezpieczeństwa państwa, naszych finansów i wielu innych zagadnień. A to wciąż dopiero początek praktycznych zastosowań – podsumowuje dr. Krzysztof Kurowski. Kto był typowany do Nagrody Nobla? Co roku specjaliści próbują przewidzieć, kto dostanie Nobla. Tegoroczne typy firmy analitycznej Clarivate w dziedzinie fizyki to: Ingrid Daubechies, Stéphane Mallat, Yves Meyer – za prace nad transformacją falkową, David P. DiVincenzo, Daniel Loss – za prace w dziedzinie komputerów kwantowych, Ewine F. van Dishoeck – za prace w dziedzinie astrochemii. Źródło: Nobelprize.org Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Zegar atomowy jest niemal nieomylny. Jaką dokładność osiągają takie urządzenia?
Zegar atomowy umożliwił przejście od prostych metod pomiaru czasu do wręcz niebywałej precyzji pomiaru czasu. Może działać bezbłędnie przez miliony lat. Jak to możliwe?
Spis treści: Najprecyzyjniejsze urządzenie do pomiaru czasu Kwantowe wahadło, czyli jak działa zegar atomowy? Początek dokładnych pomiarów czasu Najdokładniejszy zegar atomowy powstał w USA Wydaje się, że pomiar czasu jest prostą sprawą. W końcu w przypadku certyfikowanych chronometrów kwarcowych dokładność wynosi +/– 0,07 sekundy na dobę. W praktyce nie ma w tym nic łatwego. Czas stanowi jedną z najbardziej fundamentalnych wielkości fizycznych. W warunkach, w których wymagane są niezwykle precyzyjne pomiary, a średnia dzienna dokładność dla chronometrów, wymagana przez COSC (Contrôle Officiel Suisse des Chronomètres) jest nie do zaakceptowania. W środowisku naukowym wykorzystywane są znacznie dokładniejsze czasomierze. Najprecyzyjniejsze urządzenie do pomiaru czasu Mówiąc o zegarze atomowym, na myśli trzeba mieć urządzenie, którego działanie opiera się na zliczaniu okresów atomowego wzorca częstotliwości. Do pomiaru czasu wykorzystuje niezmienne i niezwykle precyzyjne drgania atomów, a dokładniej – ściśle określone przejście energetyczne elektronów w atomach. W przeciwieństwie do zegarów kwarcowych i mechaniczny h, których działanie opiera się na podatnych na wpływ czynników zewnętrznych półprzewodnikowych lub makroskopowych oscylatorach, zegary atomowe cechują się niebywałą stabilnością, wynikającą z niezmiennych właściwości materii na poziomie kwantowym. To właśnie ta wewnętrzna precyzja czyni je najdokładniejszymi czasomierzami. Jak dokładny jest zegar atomowy? Co należy rozumieć pod pojęciem „najdokładniejszy”? Typowe urządzenie oparte na cezie może pomylić się o jedną sekundę raz na 100 milionów lat. Wydaje się to niewiarygodne, ale w kwestii dokładności pomiaru czasu nauka nie powiedziała jeszcze ostatniego słowa (o tym później). Najdokładniejszymi zegarami atomowymi są zegary optyczne. Urządzenia te bazują na własnościach emisyjnych atomów w zakresie optycznym fal elektromagnetycznych. Granica błędu wynosi w tym przypadku jedną sekundę na 15 miliardów lat. Oznacza to, że gdyby taki zegar ruszył w momencie Wielkiego Wybuchu, dzisiaj spóźniałby się lub spieszył najwyżej o sekundę. Kwantowe wahadło, czyli jak działa zegar atomowy? W jaki sposób naukowcom udało się osiągnąć taką precyzję? Zasada działania zegarów atomowych nie opiera się na tradycyjnych wahadłach czy drganiach kryształów, a na fundamentalnych, niezmiennych właściwościach atomów. Najczęściej wykorzystywanym pierwiastkiem chemicznym jest cez, a dokładnie – atomy cezu-133. Mają one ściśle określone poziomy energetyczne, a przejścia między nimi wiążą się z absorbcją lub emisją promieniowania elektromagnetycznego o precyzyjnej i niezmiennej częstotliwości. W przypadku zegarów cezowych, wykorzystuje się przejścia nadsubtelne w stanie podstawowym atomu. Przejścia atomowe wykazują właściwości kwantowe, w których przejścia energetyczne są fundamentalnie identyczne dla określonego izotopu. To właśnie ta niezmienna natura tworzy coś w rodzaju „naturalnego standardu”, który jest nieporównywalnie stabilniejszy i o wiele mniej podatny na zewnętrzne zakłócenia niż dowolny oscylator mechaniczny lub kwarcowy. Początek dokładnych pomiarów czasu Koncepcja zegarów używających własności atomów nie jest niczym nowym. Na ten pomysł w 1879 roku wpadli dwaj brytyjscy naukowcy – William Thomson i James Clerk Maxwell. Pierwszy zegar atomowy zbudował Harold Lyons w 1948 roku. Urządzenie to było mniej dokładne niż ówczesne zegary kwarcowe, ale nie to było priorytetem. Pierwszy zegar atomowy służył jedynie do demonstracji koncepcji. Przełom nastąpił w drugiej połowie XX wieku Pierwszy dokładny zegar atomowy skonstruował w 1955 roku Louis Essen z brytyjskiego National Physical Laboratory. Praca w pełni funkcjonalnego urządzenia, bazującego na atomach cezu, potwierdziła, że czasomierz oparty na strukturze atomowej jest dokładniejszy od wszystkich znanych urządzeń i metod. Essen wykorzystał właściwość atomów zwaną strukturą nadsubtelną, w której przejścia pomiędzy poziomami energetycznymi są niezwykle stabilne. Wybrał cez-133 ze względu na jego korzystne właściwości – jeden elektron walencyjny, pojedynczy stabilny izotop, proste i wąskie widmo i precyzyjną częstotliwość rezonansową 9,192631770 GHz, którą można było dopasować do źródeł mikrofalowych. W 1967 roku Generalna Konferencja Miar i Wag zdefiniowała jedną sekundę jako czas trwania 9192631770 cykli promieniowania, odpowiadającego przejściu między dwoma poziomami nadsubtelnymi stanu podstawowego atomu cezu-133. Najdokładniejszy zegar atomowy powstał w USA Wydaje się, że w dziedzinie pomiaru czasu, nie da się osiągnąć większej precyzji, ale nic bardziej mylnego. W lipcu 2025 roku naukowcy z amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii opublikowali na łamach „Physical Review Letters” wyniki trwających 20 lat prac nad najdokładniejszym zegarem atomowym. Zespół z NIST opracował urządzenie bazujące na uwięzionych jonach glinu, których „tykanie” charakteryzuje się niezwykle stabilną i wysoką częstotliwością, przewyższającą stabilność cezu, pierwiastka, który obecnie definiuje sekundę. Już na wstępie badacze musieli zmierzyć się z niemałym problemem. Jony glinu są trudne do próbkowania za pomocą lasera. Żeby podołać temu wyzwaniu, badacze zastosowali innowacyjne podejście – połączyli jon glinu z jonem magnezu. To połączenie określono mianem spektroskopii logiki kwantowej. Współpraca dwóch pierwiastków Magnez nie drga tak dobrze jak glin, ale jest łatwiejszy do kontrolowania laserem. Jon tego pierwszego chłodzi jon drugiego, spowalniając go. Następnie porusza się ruchem zgodnym z ruchem swojego „partnera”, dzięki czemu możliwe stało się odczytanie stanu zegara. Mamy tu zatem do czynienia z idealną synergią fizyki kwantowej i mechaniki precyzyjnej. Jaką dokładność osiągnęli naukowcy z NIST? Czy badaczom opłaciło się poświęcić 20 lat na prace badawczo-rozwojowe? Oczywiście, że tak. Skonstruowany w USA zegar umożliwia wykonanie pomiaru sekundy z dokładnością do aż dziewiętnastu miejsc po przecinku. Co to oznacza w praktyce? Podczas gdy zegar cezowy myli się o jedną sekundę na 15 miliardów lat, urządzenie bazujące na atomach glinu może pomylić się o sekundę... na 317 miliardów lat. Nasz autor Artur Białek Dziennikarz i redaktor. Wcześniej związany z redakcjami regionalnymi, technologicznymi i motoryzacyjnymi. W „National Geographic” pisze przede wszystkim o historii, kosmosie i przyrodzie, ale nie boi się żadnego tematu. Uwielbia podróżować, zwłaszcza rowerem na dystansach ultra. Zamiast wygodnego łóżka w hotelu, wybiera tarp i hamak. Prywatnie miłośnik literatury.
Wszechświat zaczął się w czarnej dziurze, a Wielkiego Wybuchu nie było? Nowa teoria na temat początku wszystkiego
Nowa teoria fizyków podważa dominującą narrację o Wielkim Wybuchu. Według niej nasz Wszechświat mógł powstać wewnątrz czarnej dziury – bez potrzeby istnienia osobliwości czy ciemnej energii.
Spis treści: Teoria Wielkiego Wybuchu jest niewystarczająca Fizyka kwantowa kontra osobliwość: co tłumaczy teoria odbicia? Czy nowa teoria zostanie potwierdzona? Wielki Wybuch od dawna uchodzi za moment narodzin Wszechświata – chwilę, w której powstały czas, przestrzeń i materia. Jednak nowa teoria, opublikowana w czasopiśmie „Physical Review D”, podważa to założenie. Zespół fizyków sugeruje, że Wielki Wybuch wcale nie był początkiem. Teoria Wielkiego Wybuchu jest niewystarczająca? Według nowej propozycji fizyków Wielki Wybuch nie był początkiem, lecz efektem kolapsu grawitacyjnego bardzo masywnego obiektu – czarnej dziury – a następnie odbicia („bounce”) materii wewnątrz niej. Obowiązujący model kosmologiczny oparty na Wielkim Wybuchu dobrze opisuje ewolucję Wszechświata, ale wymaga wprowadzenia hipotetycznych składowych, takich jak np. ciemna energia czy osobliwość (singularity), w której załamują się prawa fizyki. Nowy model tego nie potrzebuje. Ta nowa „teoria odbicia” nie wymaga wprowadzania żadnych hipotetycznych założeń i według jej twórców jest to jej ogromną zaletą. Zamiast śledzić ekspansję Wszechświata wstecz, rozważa ona stan ultragęstej materii zapadającej się pod wpływem grawitacji. Kluczowy moment następuje, gdy zamiast osobliwości (punktu o nieskończonej gęstości), następuje „odbicie” materii i rozpoczęcie nowej fazy ekspansji – czyli narodziny Wszechświata. Fizyka kwantowa kontra osobliwość: co tłumaczy teoria odbicia? Jednak wcześniej naukowcy, w tym m.in. Stephen Hawking i Roger Penrose, udowadniali że istnienie osobliwości jest nieuchronne. Twórcy nowej teorii twierdzą, że to nieprawda. Argumentują, że poprzednie teorie nie brały pod uwagę fizyki w mikroskali i nie uwzględniały efektów kwantowych. Oni uwzględniają w obliczeniach tzw. zakaz Pauliego, mówiący, że fermiony (cząstki takie jak elektrony czy protony) nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, co zapobiega nieskończonemu ściskaniu materii. W efekcie dochodzi do „odbicia” zamiast osobliwości. Odbicie zachodzi w ramach znanych teorii: ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej – bez potrzeby dodawania nieznanych pól czy wymiarów. Co więcej, ten mechanizm naturalnie tłumaczy dwie fazy przyspieszonej ekspansji Wszechświata – inflację i późniejsze przyspieszenie związane z ciemną energią – jako efekty fizyki odbicia, niewymagające odrębnych wyjaśnień. To bez wątpienia jedna z najciekawszych teorii kosmologicznych ostatnich lat. Czy nowa teoria zostanie potwierdzona? Według nowej teorii Wszechświat jest minimalnie zakrzywiony, jak powierzchnia kuli. Jeśli przyszłe misje kosmiczne (np. Euclid) to potwierdzą, będzie to silny dowód na poparcie teorii odbicia. Model ten może też rzucić nowe światło na: pochodzenie supermasywnych czarnych dziur, naturę ciemnej materii czy formowanie się galaktyk. Planowane misje kosmiczne, takie jak Arrakhis, mają badać trudno uchwytne struktury galaktyczne, co pomoże zweryfikować nową teorię. Najbardziej rewolucyjne jest jednak założenie, że nasz Wszechświat rozpoczął się wewnątrz czarnej dziury utworzonej w „nadrzędnym” wszechświecie-macierzy. To oznacza, że nie jesteśmy wyjątkowi – wszystko co znamy powstało w wyniku naturalnych cykli grawitacyjnych i kwantowych, a nie z „niczego”. Teoria odbicia wpisuje nasze istnienie w większy, cykliczny porządek kosmiczny. Źródło: Physical Review D Nasza autorka Magdalena Rudzka Dziennikarka „National Geographic Traveler" i „Kaleidoscope". Przez wiele lat również fotoedytorka w agencjach fotograficznych i magazynach. W National-Geographic.pl pisze przede wszystkim o przyrodzie. Lubi podróże po nieoczywistych miejscach, mięso i wino.
Eksperymenty kwantowe mogą rozstrzygnąć, czy naprawdę mamy wolną wolę
Czy fizyka kwantowa ogranicza naszą wolną wolę? To pytanie od lat nurtuje naukowców i wynika z różnych interpretacji matematyki teorii kwantowej. Teraz grupa badaczy twierdzi, że znalazła sposób, by to sprawdzić. Jeśli ich eksperymenty się powiodą, mogą wpłynąć na wiele dziedzin życia – od religii po rozwój komputerów kwantowych.
Spis treści: Fizyka kwantowa a wolna wola Niezależność i wolna wola Filozoficzne i religijne konsekwencje – Każdy ma swoją opinię na temat teorii kwantowej. Ale to, co myślimy, nie ma znaczenia. Liczy się tylko to, co możemy udowodnić matematycznie i eksperymentalnie. I właśnie to robimy – powiedział prof. Adán Cabello z Uniwersytetu w Sewilli. Cabello kieruje zespołem badawczym i jest głównym autorem artykułu „Test of the physical significance of Bell non-locality”, opublikowanego w „Nature Communications”. Fizyka kwantowa a wolna wola Aby zrozumieć, jak fizyka kwantowa wiąże się z wolną wolą, trzeba przyjrzeć się jednej z jej najdziwniejszych właściwości – nielokalności. Gdy cząstki są splątane, potrafią zachowywać się w sposób skoordynowany, nawet będąc bardzo daleko od siebie. Mechanizmy tej koordynacji pozostają tajemnicą, a ich badanie prowadzi do fundamentalnych pytań, w tym o istnienie wolnej woli. W 1964 roku fizyk John Stewart Bell opracował metodę mierzenia nielokalności. W jego koncepcji dwoje eksperymentatorów – nazwanych Alice i Bob – bada splątane cząstki i mierzy ich korelacje. Wprowadzenie tych danych do tzw. nierówności Bella pozwala ocenić, czy obserwowane korelacje są typowe tylko dla fizyki kwantowej. Wielokrotne eksperymenty, w tym te nagrodzone Noblem w 2022 roku, wykazały, że nierówność Bella jest łamana, co potwierdza istnienie nielokalności. Nadal jednak nie wiadomo, co ją powoduje. Tu do gry wchodzi badanie Cabello i jego współpracowników: Ravishankara Ramanathana i Carlosa Vieiry z Uniwersytetu w Hongkongu. Niezależność i wolna wola Zespół skupił się na trzech kluczowych założeniach w scenariuszu Bella: niezależności pomiarów, niezależności parametrów i niezależności wyników. Każde z nich zakłada brak ukrytej komunikacji między eksperymentami Alice i Boba. Gdyby ich urządzenia były w jakiś sposób połączone lub gdyby wyniki były z góry ustalone, założenia te zostałyby naruszone. Szczególnie istotna jest niezależność pomiarów, bo wiąże się z koncepcją wolnej woli. Gdyby istniało ukryte prawo wymuszające działania Alice i Boba, to korelacje w danych byłyby wynikiem tego prawa, a nie zjawiska nielokalności. Innymi słowy, jeśli ich decyzje nie są naprawdę wolne, nielokalność może być tylko pozorna. Wcześniejsze eksperymenty uwzględniały rolę ludzkiego wyboru – np. ustawienia pomiarowe były wybierane przez graczy w grze online. Cabello idzie dalej i zastanawia się, czy możliwa jest częściowa wolna wola – sytuacja, w której decyzje są czasem swobodne, a czasem narzucone przez prawa fizyki. To jak wybór śniadania – zwykle decydujesz sam, ale czasem „zmusza” cię do czegoś nieznana siła. Brzmi dziwnie, ale badacze opracowali nowe równania – analogiczne do nierówności Bella – które mogą to przetestować. Filozoficzne i religijne konsekwencje – Gdyby udało się eksperymentalnie wykluczyć możliwość istnienia częściowej wolnej woli, miałoby to konsekwencje nie tylko dla fizyki, ale i dla filozofii religii – mówi Cabello. Wiele religii próbuje pogodzić ideę wszechwiedzącego Boga z ludzką odpowiedzialnością, zakładając częściową wolną wolę. Jeśli jednak taka wolność nie istnieje, to i ten kompromis traci sens. Konsekwencje mogą sięgać także bardziej radykalnych interpretacji teorii kwantowej, np. superdeterminizmu. To pogląd, według którego wszystko, łącznie z naruszeniami nierówności Bella, jest z góry ustalone przez prawa fizyki. W takim świecie wolna wola jest iluzją. Zespół pracuje nad przeniesieniem teorii do praktyki. Ramanathan zaznacza, że pomocne mogą być komputery kwantowe – ich budowa sprzyja analizie, czy wewnętrzne komponenty mogą wpływać na siebie w sposób łamiący założenia niezależności. – Priorytetem jest teraz przeprowadzenie eksperymentów – mówi Cabello. Źródło: New Scientist Nasza autorka Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Pisze przede wszystkim o eksploracji kosmosu, astronomii i historii. Związana z Centrum Badań Kosmicznych PAN oraz magazynami portali Gazeta.pl i Wp.pl. Ambasadorka Śląskiego Festiwalu Nauki. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Rewolucja w odmierzaniu czasu. Badacze proponują nowy sposób
Godziny, minuty i sekundy już nie wystarczają, aby odmierzać czas? Naukowcy ze Szwecji proponują nową metodę. Ma się ona sprawdzić w wyjątkowych przypadkach.
Spis treści: Jak liczyć czas na nowo? Zastosowanie dla metody Przez wieki człowiek doskonalił sposoby mierzenia czasu. Od starożytnych zegarów słonecznych po atomową precyzję współczesnych chronometrów. Wszystkie te metody opierają się jednak na jasno określonym „początku”. A co gdyby czas dało się mierzyć bez jego punktu startowego? W świecie kwantowym takie podejście może mieć sens. Jak liczyć czas na nowo? Fizycy z Uniwersytetu w Uppsali w Szwecji postanowili zbadać to zagadnienie, wykorzystując nietypowe właściwości tzw. atomów Rydberga. To układy, w których elektrony są pobudzane do ekstremalnie wysokich stanów energetycznych. Działa to w pewnym sensie tak, jakby „nadmuchano” je laserami. Choć takie atomy są znane i wykorzystywane w różnych dziedzinach, badacze postanowili spojrzeć na nie pod nowym kątem – pomiaru czasu. Kluczową rolę w ich eksperymentach odegrały pakiety fal Rydberga. Są to opisy matematyczne zachowania elektronów w tych wzbudzonych stanach. Gdy w przestrzeni pojawia się więcej niż jeden pakiet fal, zaczynają się one nakładać i interferować ze sobą. W ten sposób tworzą unikalne wzory. Każdy z nich ewoluuje w czasie w charakterystyczny sposób. Właśnie ta ewolucja może służyć jako swoisty znacznik czasu, nawet bez wyraźnego punktu początkowego. Można to porównać do obserwacji fal na powierzchni wody. Nie trzeba wiedzieć, kiedy wrzucono kamień, by określić, jak długo fale się rozchodzą. Zastosowanie dla metody Eksperymenty z zastosowaniem atomów helu wzbudzanych impulsami laserowymi pozwoliły potwierdzić, że te wzory interferencyjne są wystarczająco stabilne i przewidywalne, by mogły pełnić funkcję „kwantowego zegara”. Zamiast uruchamiania licznika wystarczy przyjrzeć się strukturze fali i stwierdzić, że minęły 4 nanosekundy. To podejście mogłoby znaleźć zastosowanie wszędzie tam, gdzie tradycyjne metody pomiaru czasu zawodzą. Na przykład przy obserwacji zjawisk trwających zaledwie bilionowe części sekundy. W przyszłości naukowcy planują rozszerzyć ten system na inne atomy i różne typy impulsów laserowych, tworząc swego rodzaju podręcznik kwantowych znaczników czasu dla najbardziej ulotnych zjawisk we wszechświecie. Źródło: Physical Review Research Nasz autor Mateusz Łysiak Dziennikarz podróżniczy, rowerzysta, górołaz. Poza szlakiem amator kuchni włoskiej, popkultury i języka hiszpańskiego.
Nowy rekord kwantowej telekomunikacji. Udało się przesłać klucz kwantowy na odległość prawie 13 tys. km
Naukowcy z Chin i Republiki Południowej Afryki ustanowili najdłuższe dotychczas kwantowe połączenie satelitarne. Dzięki mikrosatelicie przesłali klucz kwantowy między punktami oddalonymi od siebie o 12,9 tys. km. To krok w stronę superbezpiecznego kwantowego internetu.
W tym artykule: Dwa zdjęcia i klucz kwantowy Bezpieczna komunikacja z użyciem satelitów Kto pierwszy będzie miał kwantowy internet? Naukowcy ustanowili kwantowe połączenie pomiędzy stacjami naziemnymi w Chinach i w Republice Południowej Afryki. Pomógł w tym mikrosatelita Jinan-1 znajdujący się na niskiej orbicie okołoziemskiej. Dzięki niemu udało się przesłać klucz kwantowy, czyli porcję informacji służącą do odkodowania danych, na rekordowo duży dystans. W przyszłości właśnie takie mikrosatelity mogą oferować kwantowy internet. Czyli superbezpieczne przesyłanie informacji, których – z uwagi na podstawowe reguły fizyki kwantowej – nie będzie można przechwycić ani zmienić. Kluczowa jest niewielka waga Jinan-1. Instrumenty naukowe na pokładzie tego mikrosatelity ważyły tylko 23 kilogramy. To dziesięć razy mniej niż sprzęt wykorzystywany w poprzednich eksperymentach tego typu. Zdaniem ekspertów w przyszłości możliwe będzie wysyłanie na orbitę za jednym razem wielu takich satelitów. Mogłyby się stać dla kwantowego internetu tym samym, co satelity Starlink firmy SpaceX dla zwykłego. Dwa zdjęcia i klucz kwantowy W eksperymencie przesłano klucz kwantowy, który utworzono z fotonów w stanie kwantowym. Posłużył do odszyfrowania dwóch zdjęć, jakie wymieniono między ośrodkami naukowym: fotografii chińskiego Wielkiego Muru i kampusu południowoafrykańskiego Uniwersytetu Stellenbosch. Klucz kwantowy przesyłano między różnymi stacjami naziemnymi i mikrosatelitą. W sumie udało się to zrobić 20 razy. Zminiaturyzowano nie tylko satelitę, ale i naziemne przekaźniki wykorzystane w testach. Wcześniej ważyły 13 ton. Teraz zaledwie po ok. 100 kg. – Chcemy udoskonalić tę technologię: od demonstracyjnej do takiej, która jest naprawdę praktyczna i użyteczna – zapowiada prof. Jian-Wei Pan z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Chinach. A także tańsza: mikrosatelita Jinan-1 kosztował 45 razy mniej niż jego poprzednik. Bezpieczna komunikacja z użyciem satelitów Metoda bezpiecznej komunikacji, jaką testowano, formalnie nazywano jest kwantową dystrybucją klucza (ang. Quantum Key Distribution, QKD). QKD znajduje się już w użyciu. „Jest wykorzystywana przez banki i rządy do przesyłania kluczy światłowodami” – czytamy na stronie nature.com. „Jednak kable absorbują fotony, ograniczając odległość, na jaką może dotrzeć sygnał. Ponieważ światło jest absorbowane znacznie wolniej, przechodząc przez powietrze niż w kablu światłowodowym, satelity mogłyby pełnić rolę przekaźnika między dwiema lokalizacjami niemal w dowolnym miejscu na planecie”. Wszystko dla bezpieczeństwa danych. – Metody takie jak QKD dają mocną gwarancję, że przyszłe komputery kwantowe nie będą w stanie odczytać poufnej komunikacji – zauważa Alexander Ling, fizyk kwantowy z Narodowego Uniwersytetu Singapuru. Kto pierwszy będzie miał kwantowy internet? Chiny już od dłuższego czasu rozwijają technologię kwantowej komunikacji. Mają imponującą infrastrukturę – naziemną sieć kwantową opartą na światłowodach długości 2000 km, łączącą 32 węzły w głównych miastach, od Pekinu po Szanghaj. Inwestują również w kwantowe satelity. Pierwszy z nich, Micius, w 2017 r. ustanowił rekordowe kwantowe połączenie między Chinami a Austrią. Od strony naukowej za tamtym sukcesem stał prof. Juan Yin. Także teraz prowadził chiński zespół naukowców. Na czele uczonych z RPA, z Uniwersytetu Stellenbosch, stała z kolei fizyczka doświadczalna dr Yaseera Ismail. Całością kierował wspomniany prof. Jian-Wei Pan. Jinan-1 został wystrzelony w 2022 roku. Chiny planują wysłać kolejne kilka satelitów kwantowych w tym i następnym roku. Inne kraje też mają podobne zamiary. Jeden z takich projektów, finansowany przez Europejską Agencję Kosmiczną, prowadzi francusko-włoskie konsorcjum Thales Alenia Space. Boeing pracuje nad kolejnym. Jak widać kwantowy internet stał się obiektem jeszcze jednego międzynarodowego wyścigu. Przełomowy eksperyment został opisany w najnowszym wydaniu czasopisma naukowego „Nature”. Źródło: Nature, nature.com, New Scientist, EurekAlert Nasza autorka Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”.
Po raz pierwszy powstało zdjęcie fotonu. Jak wygląda kwant światła?
Naukowcy po raz pierwszy uchwycili kształt pojedynczej cząstki światła. Badania pozwalają lepiej zrozumieć, jak fotony – kwanty promieniowania elektromagnetycznego – oddziałują z materią.
Spis treści: Jak wygląda foton? Skomplikowana matematyka i model pokazujący foton Wszystkie oblicza fotonu Czym jest światło? To pytanie przez bardzo długi czas zaprzątało naukowców. Istniały bowiem dwie koncepcje wyjaśniające naturę światła. Pierwsza zakładała, że składa się ono z cząstek. Druga mówiła natomiast, że światło jest falą. Wraz z rozwojem nauki przewagę zyskiwała to pierwsza, to druga teoria. Jednak dopiero na początku XX wieku uczeni wpadli na salomonowe, a przy okazji właściwe rozwiązanie. Przyczynił się do tego między innymi Albert Einstein. Dzisiaj uznaje się, że światło ma naturę korpuskularno-falową. W pewnych okolicznościach zachowuje się jak cząstka, w innych zaś jak fala. Albo – w innym ujęciu – jednocześnie jest i cząstką, i falą. Czy to oznacza, że cząstkę światła można zobaczyć? Od niedawna – tak. Naukowcom udało się właśnie uzyskać obraz kwantu światła, czyli fotonu. Jak wygląda foton? Jak widać na zdjęciu ilustrującym ten artykuł, foton wygląda jak nieco rozmazana cytrynka, zawieszona w niebieskawej przestrzeni. Taki obraz uzyskali badacze z Uniwersytetu Birmingham, którzy opracowali nowatorską technikę pozwalającą im uchwycić foton. Opisali ją w pracy opublikowanej w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”. Punktem wyjścia była próba odpowiedzi na pytanie, jak fotony oddziałują z materią. W jaki sposób powstają i czym wówczas tak naprawdę są? Naukowcy określili je jako wzbudzenie pól elektromagnetycznych, ściśle zależne od charakterystyk środowiska. – Geometria i właściwości optyczne otoczenia mają głębokie konsekwencje dla tego, jak fotony są emitowane, definiują ich kształt, kolor, a także prawdopodobieństwo, że będą istnieć – mówi prof. Angela Demetriadou, współautorka badań. Skomplikowana matematyka i model pokazujący foton Naukowcy wpierw zaczęli od matematyki. Wymyślili, jak skomplikowane równania opisujące pola elektromagnetyczne przekształcić w taki sposób, by mogły zostać rozwiązane przez komputer. W ten sposób powstał model, który opisuje interakcje między fotonem i emiterem oraz energię tych interakcji. – Nasze obliczenia pozwoliły przekształcić coś, co wyglądało na nierozwiązywalny problem, w coś, co dało się policzyć. Ponadto, niejako jako produkt uboczny modelu, byliśmy w stanie uzyskać obraz fotonu. Czyli coś, czego jeszcze nigdy nie widziano w fizyce – powiedział dr Benjamin Yuen, pierwszy autor pracy. Wszystkie oblicza fotonu Uzyskanie obrazu fotonu ma duże znaczenie dla naukowców. – Praca ta pomaga nam, po pierwsze, lepiej zrozumieć wymianę energii między światłem a materią. A po drugie, analizować, jak światło promieniuje do swojego bliskiego i dalekiego otoczenia. Wiele z tych informacji było wcześniej uważane po prostu za „szum”. Jednak jest w nich wiele danych, które teraz możemy wykorzystać – mówi Benjamin Yuen. Naukowiec podkreśla, że uzyskany obraz fotonu nie jest uniwersalny. Kształt cytrynki uzyskał proton wyemitowany z powierzchni nanocząstki w ściśle określonych warunkach. Gdyby modelować foton w innym otoczeniu, wynik byłby zupełnie inny. Ma to znaczenie dla nanofotoniki, nauki zajmującej się zachowaniem światła w nanoskali. Zdaniem Yuena badania nad fotonami są ważne także dla chemików czy biologów. – Stworzyliśmy podstawy, które pozwolą nam projektować interakcje światło-materia dla przyszłych zastosowań. Takich jak lepsze czujniki, ulepszone ogniwa fotowoltaiczne lub komputery kwantowe – uważa naukowiec. Źródło: phys.org, Live Science, Physical Review Letters Nasza autorka Magdalena Salik Dziennikarka i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Autorka powieści z gatunku fantastyki naukowej, ostatnio wydała „Płomień” i „Wściek”. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Co było przed Wielkim Wybuchem? Teorie i hipotezy kosmologiczne
Co było przed Wielkim Wybuchem? To jedno z najbardziej fascynujących pytań, które nurtuje zarówno naukowców, jak i miłośników kosmologii. Chociaż wciąż nie ma jednoznacznej odpowiedzi, pojawiają się liczne teorie próbujące rozwiązać tę zagadkę. Oto przegląd hipotez i teorii, które starają się odpowiedzieć na pytanie o stan Wszechświata przed jego narodzinami.
Spis treści: Wielki Wybuch – co o nim wiemy? Czy istnieje „przed” Wielkim Wybuchem? Cykliczny Wszechświat – Wielkie Odbicie Teoria strun i kolizja bran Multiwersum – wszechświaty jak bąbelki? Eony Penrose’a – ślady z poprzednich wszechświatów Czarna dziura jako twórca nowych wszechświatów – hipoteza Lee Smolina Wnioski – co wiemy, a czego nie wiemy? Wielki Wybuch – co o nim wiemy? Wielki Wybuch, według powszechnie przyjętej teorii, to moment narodzin Wszechświata, kiedy to przestrzeń i czas zaczęły się gwałtownie rozszerzać około 13,7 miliarda lat temu. Stephen Hawking podkreślał, że Wielki Wybuch nie był „wybuchem” w tradycyjnym sensie, ale raczej nagłym rozszerzaniem się samej przestrzeni. Aby zrozumieć tę różnicę, można wyobrazić sobie piekące się ciasto drożdżowe, w którym rodzynek to cząstki materii oddalające się od siebie, gdy ciasto rośnie. Warto więc unikać mylnego porównania do eksplozji – chodzi tu o coś znacznie bardziej fundamentalnego​. Czy istnieje „przed” Wielkim Wybuchem? Przez wiele lat pytanie o to, co było „przed” Wielkim Wybuchem, wydawało się bezsensowne. Według klasycznej teorii Wielki Wybuch zapoczątkował nie tylko materię i energię, ale również sam czas i przestrzeń. Jak zauważył sławny filozof średniowiecza święty Augustyn: „Żadnego czasu wtedy nie było!”. Jednak w miarę postępu w fizyce teoretycznej naukowcy zaczęli proponować alternatywne teorie, które zakładają istnienie czegoś przed Wielkim Wybuchem​. Cykliczny Wszechświat – Wielkie Odbicie Jedna z najbardziej intrygujących hipotez to koncepcja Wielkiego Odbicia, bazująca na teorii kwantowej grawitacji pętlowej. Teoria ta, rozwijana przez Abhaya Ashtekara i jego zespół badawczy, zakłada, że przed naszym Wielkim Wybuchem istniał inny wszechświat, który kurczył się do momentu, gdy osiągnął krytyczną gęstość. Wówczas doszło do „odbicia”. Proces kurczenia się zamienił się w rozszerzanie, które my postrzegamy jako Wielki Wybuch. W tej koncepcji Wielki Wybuch nie jest więc początkiem, lecz przejściem między dwoma cyklami wszechświatów​. Teoria strun i kolizja bran Inną popularną teorią dotyczącą tego, co mogło istnieć przed Wielkim Wybuchem, jest koncepcja wynikająca z teorii strun. Neil Turok z Cambridge i Paul Steinhardt z Princeton zaproponowali, że Wielki Wybuch był wynikiem zderzenia dwóch trójwymiarowych „bran” w dziesięciowymiarowej przestrzeni. Nasz Wszechświat jest jedną z tych bran, a jego „partner” to inna membrana. W momencie zderzenia doszło do uwolnienia olbrzymiej ilości energii, co spowodowało narodziny Wszechświata. W przyszłości brany te mogą ponownie się zderzyć, kończąc nasz wszechświat i zapoczątkowując kolejny cykl narodzin i śmierci wszechświatów​. Multiwersum – wszechświaty jak bąbelki? Koncepcja multiwersum sugeruje, że nasz Wszechświat jest tylko jednym z wielu istniejących wszechświatów, które nieustannie się rodzą i umierają, podobnie jak pęcherzyki we wrzącej wodzie. Michio Kaku porównuje te wszechświaty do pęcherzyków, z których każdy reprezentuje nowy wszechświat. Według Andrieja Lindego, różne wszechświaty mogą mieć odmienne prawa fizyki, co oznacza, że życie, jeśli tam istnieje, może wyglądać zupełnie inaczej niż w naszym wszechświecie. Linde spekuluje nawet, że nasz wszechświat mógłby powstać w wyniku eksperymentu przeprowadzonego przez istoty z innego wszechświata​. Eony Penrose’a – ślady z poprzednich wszechświatów Znany fizyk Roger Penrose proponuje koncepcję, że nasz Wielki Wybuch nie był absolutnym początkiem, lecz fazą przejściową między cyklicznymi erami kosmicznymi zwanymi eonami. Jego zdaniem, ślady poprzednich eonów mogą być widoczne w mikrofalowym promieniowaniu tła, zwłaszcza w formie koncentrycznych pierścieni wokół gromad galaktyk, które mogłyby powstać w wyniku zderzeń supermasywnych czarnych dziur w poprzednich eonach. Odkrycie takich struktur w danych zebranych przez sondę WMAP przez astronoma Vahe Gurzadiana jest jednym z dowodów, które Penrose uznaje za potwierdzenie swojej teorii​. Czarna dziura jako twórca nowych wszechświatów – hipoteza Lee Smolina Jednym z bardziej kontrowersyjnych pomysłów jest teoria zaproponowana przez Lee Smolina, który twierdzi, że nowe wszechświaty mogą być tworzone wewnątrz czarnych dziur. Materia wpadająca do czarnej dziury jest tak skompresowana, że mogłaby stworzyć nową przestrzeń i czas – nowy wszechświat. To prowadzi do idei, że nasz wszechświat może być „dzieckiem” innego wszechświata, a czarne dziury pełnią rolę swoistych „matek” nowo narodzonych wszechświatów​. Wnioski – co wiemy, a czego nie wiemy? Choć wiele teorii próbuje odpowiedzieć na pytanie, co było przed Wielkim Wybuchem, żadna z nich nie została jeszcze ostatecznie potwierdzona. Każda z omawianych koncepcji wnosi coś nowego do naszego rozumienia kosmosu, ale także rodzi kolejne pytania. Być może nigdy nie odkryjemy, czy coś istniało przed Wielkim Wybuchem, ale samo poszukiwanie odpowiedzi pozwala nam lepiej zrozumieć nasz Wszechświat i jego miejsce w szerszym kontekście multiwersum. Źródła: National Geographic Polska Michio Kaku, „Wielki Wybuch a Multiuniwersum”, Roger Penrose, „Cykliczny wszechświat i eony”, Abhay Ashtekar, „Kwantowa grawitacja pętli”
Michał Parniak dokonał niemożliwego. Polak stworzył najszybszą pamięć kwantową na świecie
Kolejny młody naukowiec z naszego kraju może pochwalić się przełomowym dokonaniem. Mowa o dr. hab. Michale Parniaku, uważanym za jednego najwybitniejszych młodych fizyków w Polsce.
Spis treści: Michał Parniak – młody geniusz Najszybsza pamięć kwantowa na świecie Polacy przyszłością fizyki Michał Parniak wraz ze swoim zespołem stworzył najszybszą pamięć kwantową znaną ludzkości. Młody geniusz rozpoczął zaawansowane prace badawcze jeszcze na studiach. Miał więc niewiele ponad 20 lat. Już wtedy jego osiągnięcia były imponujące. Michał Parniak – młody geniusz Udało mu się na przykład splątać membranę mechaniczną ze spinami atomów. Tym samym pobił światowy rekord hybrydowego kwantowego splątania obiektów widocznych gołym okiem. Przełomowe osiągnięcie pozwala na zaobserwowanie stanów kwantowych w skali makroskopowej. To okazało się kluczowym krokiem w zrozumieniu, jak świat klasyczny, znany nam wszystkim, łączy się ze światem kwantowym. Polska i reszta świata usłyszała o Michale Parniaku nieco później. Początkiem rewolucji w świecie fizyki kwantowej, której czołowym bohaterem stał się Polak, był rok 2016 r. Wtedy jeszcze, będąc doktorantem, wraz z zespołem rozpoczął prace nad pamięcią kwantową, nie wiedząc, że w tym samym czasie w Chinach, przy wsparciu ogromnych środków finansowych, powstaje podobne urządzenie. Gdy jednak wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie „Nature Communications”, świat nauki wstrzymał oddech. Okazało się, że pamięć kwantowa stworzona przez Polaków jest trzy razy szybsza od chińskiej. Tym samym zyskała tytuł najszybszej pamięci kwantowej na świecie. Najszybsza pamięć kwantowa na świecie Powstała pamięć kwantowa jest nie tylko najszybsza, ale i najbardziej pojemna na świecie. Technologia ta opiera się na chmurze zimnych atomów umieszczonych w próżni. Absorbują one fotony. Dzięki pamięci kwantowej możliwe stało się przechowywanie i przetwarzanie rekordowej liczby fotonów. W praktyce oznacza to stworzenie swego rodzaju procesora kwantowego. Takie przełomowe rozwiązanie jest szczególnie przydatne w dziedzinie komunikacji kwantowej, która stanowi przyszłość w bezpiecznym przesyłaniu danych. Michał Parniak, dziś już doktor habilitowany, nie spoczął na laurach. Przez ostatnie osiem lat wraz ze swoim zespołem nieustannie rozwijał pamięć kwantową. Efekty tej pracy nadal przewyższają osiągnięcia innych ośrodków naukowych. Polacy przyszłością fizyki Dzięki polskim naukowcom możliwe jest nie tylko precyzyjne wydobywanie tych danych, ale również ich efektywne przechowywanie i przetwarzanie. – Myślę, że nieunikniony w tak długim czasie [100 lat – przyp. red.], chociaż może nawet krótszym, jest internet używający urządzeń w pełni optycznych i optymalnych kwantowo, który przez to będzie dużo szybszy i również będzie zużywał mniej energii. Mam nadzieję, że zobaczymy też niezwykle łatwe konwersje między różnymi falami (optycznymi, radiowymi), co da nam jeszcze większą wszechobecność internetu. Technologie kwantowe pozwolą nam też uzyskać bezpieczeństwo tam, gdzie tego najbardziej potrzebujmy – mówił naukowiec w 2022 r. o telekomunikacji przyszłości. Technologia opracowana przez polski zespół może być stosowana także w astrofizyce. Przykładem jest analiza widma światła pochodzącego z odległych gwiazd. Dzięki niej można odczytać informacje o pierwiastkach, z których są one zbudowane. To, co do tej pory było skomplikowane i obarczone dużymi błędami, teraz staje się precyzyjne i niezawodne. Nasz autor Mateusz Łysiak Dziennikarz zakręcony na punkcie podróżowania. Pierwsze kroki w mediach stawiał w redakcjach internetowej i papierowej magazynu „Podróże”. Redagował i wydawał m.in. w gazeta.pl i dziendobrytvn.pl. O odległych miejscach (czasem i tych bliższych) lubi pisać nie tylko w kontekście turystycznym, ale też przyrodniczym i społecznym. Marzy o tym, żeby zobaczyć zorzę polarną oraz Machu Picchu. Co poza szlakiem? Kuchnia włoska, reportaże i pływanie.
Prawdopodobnie udało się uchwycić siedem „cząstek-duchów”. Zarejestrował je detektor na biegunie
Działający na biegunie południowym detektor IceCube najprawdopodobniej zarejestrował siedem ultrarzadkich neutrin taonowych. Ten rodzaj neutrin pochodzących z dalekiego kosmosu może nieść nowe informacje o Wszechświecie.
W tym artykule: Co to jest neutrino? Jak się rejestruje neutrina? W poszukiwaniu nowej fizyki – Zrobiłem straszną rzecz: zaproponowałem istnienie cząstki, której nie da się wykryć – miał powiedzieć Wolfgang Pauli w 1930 r. W ten sposób genialny fizyk skomentował jeden ze swoich najlepszych pomysłów naukowych. Była nim koncepcja cząstek nazwanych neutrinami: pozbawionych ładunku elektrycznego i nieoddziałujących z materią. Na szczęście Pauli się pomylił. Neutrina da się wykryć, choć nie jest to prostą sprawą. Służą do tego detektory budowane w odległych, ściśle odizolowanych od otoczenia miejscach. Jednym z nich jest IceCube – ośrodek naukowy działający na biegunie południowym. IceCube z powodzeniem rejestruje neutrina od 2013 r. (w innych detektorach rejestrowano je znacznie wcześniej). Jednak w przypadku neutrin – i wielu innych cząstek – diabeł tkwi w szczegółach. Zbudowane przez nas detektory wykrywają najpospolitszy rodzaj neutrin: neutrina elektronowe. A przynajmniej tak było do tej pory. Naukowcy korzystający z IceCube ogłosili właśnie, że najprawdopodobniej udało im się znaleźć siedmiu kandydatów na nieuchwytne neutrino taonowe. Co to jest neutrino? Neutrina pochodzą z różnych źródeł: z dysków galaktycznych, z gwiazd, z blazarów oraz z atmosfery ziemskiej. W atmosferze pojawiają się, gdy promieniowanie kosmiczne zderza się z cząsteczkami atmosfery. Jest ich mnóstwo. W każdej sekundzie przez nasze ciało przelatuje 100 bilionów neutrin. Także co sekundę przez centymetr kwadratowy Ziemi przenika 60 mld neutrin. Ani nam, ani Ziemi nie wyrządza to żadnej szkody. Co prawda wbrew pierwotnym założeniom neutrina mają masę, jednak jest ona bardzo mała. Najczęściej cząstki te nie oddziałują więc z materią. A jeśli już do tego dochodzi, dzieje się to „od wielkiego dzwonu”. Gdyby każdy z nas był detektorem neutrin wielkości człowieka, musielibyśmy czekać 100 lat, żeby zarejestrować jedno neutrino. Z tego powodu neutrina zyskały przydomek cząstek-duchów (ang. ghost particle). Jak się rejestruje neutrina? Detektor IceCube składa się z ponad 5 tysięcy tzw. DOM-ów (ang. digital optical module). To czujniki światła umieszczone w otworach wydrążonych w lodzie. Gdy raz na jakiś czas neutrina uderzają w cząsteczki zamarzniętej wody, pojawiają się rozbłyski wychwytywane przez DOM-y. Rozbłyski te układają się w specyficzne wzory albo kaskady. Badając je, można dowiedzieć się więcej o wywołujących je neutrinach. Istnieją trzy rodzaje neutrin, fachowo nazywane zapachami (choć nie ma to nic wspólnego z zapachami różnych substancji). Poza neutrinami elektronowymi, fizycy wyróżniają też neutrina mionowe i neutrina taonowe. Naukowców szczególnie interesują wysokoenergetyczne neutrina pochodzące z dalekiego kosmosu, najtrudniejsze do wykrycia. Takiej Drogi Mlecznej jeszcze nie widzieliście. Po raz pierwszy sfotografowano naszą Galaktykę za pomocą neutrin Naukowcy uzyskali zupełnie nowy obraz Drogi Mlecznej. Powstał dzięki ustaleniu źródeł, z których pochodzą neutrina zarejestrowane przez IceCube – detektor na biegunie południowym Ziemi. <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/galaktyka-sfotografowana-dzieki-neutrinom-takiej-drogi-mlecznej-jeszcze-nie-widzieliscie-fot-icecube-collaboration-u-s-national-science-foundation-lily-le-shawn-johnson-eso-s-brunier-cbc6431.jpg" width="938" height="528" alt="Galaktyka sfotografowana dzięki neutrinom. Takiej Drogi Mlecznej jeszcze nie widzieliście (fot. IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier))" title="Galaktyka sfotografowana dzięki neutrinom. Takiej Drogi Mlecznej jeszcze nie widzieliście (fot. IceCube Collaboration/U.S. National Science Foundation (Lily Le & Shawn Johnson)/ESO (S. Brunier))" /> Zespół prof. Douga Cowena z Penn State University ogłosił właśnie, że znaleziono siedmiu kandydatów na „astrofizyczne” neutrina taonowe. Czyli najrzadszy rodzaj neutrin, na dodatek powstałych w najdalszych rejonach Drogi Mlecznej. Wymagało to przeanalizowania danych zbieranych przez IceCube między 2011 a 2020 r. Naukowców posłużyli się specjalnie zaprojektowaną siecią neuronową. Przeczesywała ona obrazy rejestrowane przez IceCube, mogące świadczyć o pojawieniu się w detektorze neutrin taonowych. W poszukiwaniu nowej fizyki Zdaniem badaczy, wykrycie neutron taonowych pozwoli im badać zjawisko nazywane oscylacją neutrin. Tak nazywa się szczególną zdolność tych cząstek do zmiany swojej formy w czasie podróży przez kosmos. Lecąc przez przestrzeń kosmiczną, neutrina elektronowe mogą zamieniać się w mionowe albo taonowe. Koncepcja ta wyjaśniała, dlaczego na Ziemi rejestruje się mniej neutrin, niż według obliczeń powinno napływać do nas z przestrzeni kosmicznej. Ponieważ wykrywamy wyłącznie neutrina elektronowe, reszta nam umyka. Oczywiście naukowcy mają apetyt na jeszcze więcej. – To ekscytujące dokonanie wiąże się z intrygującą możliwością wykorzystania neutrin taonowych do odkrycia nowej fizyki – komentuje Doug Cowen. Pościg na neutrinami taonowymi został opisany w pracy przyjętej do publikacji w czasopiśmie „Physical Review Letters”. Na razie została ona umieszczona w serwisie preprintów naukowcych arXiv.org. Źródła: Space.com, IceCube, arXiv.org, Wikipedia. Nasz ekspert Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Komputer kwantowy pozwoli wykonywać bardzo złożone obliczenia. Do czego nam się przyda?
Superkomputery mają swoje ograniczenia. Na szczęście powstaje już nowa technologia. To komputer kwantowy, wykorzystujący zjawiska na poziomie atomów i cząstek.
W tym artykule: Jak działa komputer kwantowy? Co to jest supremacja kwantowa? Zastosowania komputerów kwantowych Nasza cywilizacja funkcjonuje dziś w dużym stopniu dzięki komputerom i danym, które one przetwarzają. Jednak gdy potrzebna jest wielka moc obliczeniowa, stosowana dotychczas technologia krzemowa przestaje się sprawdzać. Dlatego IBM, Google, Microsoft, Alibaba i kilka innych firm pracuje dziś nad prototypowymi wynalazkami. Chodzi o komputer kwantowy. Wielkie firmy wiedzą, że ten, kto pierwszy nauczy się wykonywać kwantowe obliczenia, zdobędzie ogromną przewagę nad konkurencją. Komputery bazujące na tej technologii będą mogły bardzo szybko przeszukiwać ogromne ilości danych. Pozwolą też na modelowanie złożonych zjawisk fizycznych czy biochemicznych. Jak działa komputer kwantowy? Komputery kwantowe wykonują obliczenia nie na bitach, które mogą przyjąć wartości 0 albo 1, lecz na tzw. kubitach. Mogą one przyjmować różne wartości jednocześnie. Uczeni wykorzystują zjawiska rządzące światem cząstek elementarnych do tworzenia maszyn obliczeniowych. Kwantowy komputer obliczy wszystkie możliwe warianty przyszłości Grupa naukowców, których badania opublikowało Nature Communications, opisała w jaki sposób spiąć możliwości kwantowych systemów ze sztucznymi inteligencjami. Dzięki temu będą mogły uc... Superpozycja Zwykłe komputery wykonują obliczenia na seriach bitów – „zer” i „jedynek”. Komputery kwantowe wykorzystują kwantowe bity, czyli kubity, które mogą przybierać obie te wartości jednocześnie – to tzw. superpozycja. Dzięki temu moc obliczeniowa rośnie w ogromnym tempie. Kwantowe komputery mogą za jednym zamachem wykonać działania, które klasycznym maszynom zajęłyby mnóstwo czasu. Kubity można zbudować z pojedynczych cząstek elementarnych, takich jak elektrony, z atomów albo z nieco większych obiektów – pętelek z nadprzewodników, w których płynie nieustannie prąd. Splątanie W świecie fizyki kwantowej następuje przedziwna i nie do końca zrozumiała relacja między cząstkami elementarnymi takimi jak elektrony. Gdy uda nam się je do siebie „upodobnić” (np. zbliżając je do siebie), ich losy zostają ze sobą ściśle powiązane. Gdy potem zmienimy właściwości jednej, druga zareaguje taką samą zmianą – nawet, jeśli będzie daleko. W przypadku komputerów oznacza to, że możemy przeprowadzać obliczenia równolegle na wielu różnych „frontach” – a to bardzo przyśpiesza wykonywanie zadania. Dekoherencja Nie wystarczy tylko zmusić atomy do wykonywania obliczeń – trzeba jeszcze umieć odczytać wyniki. A z tym jest problem, ponieważ w świecie kwantowym tak już jest, że każda obserwacja zmienia stan obserwowanej materii. Dochodzi wówczas do tzw. dekoherencji. Innymi słowy, odczytując wyniki obliczeń zarazem je kasujemy – to trochę tak, jakby nasz pecet uruchamiał się ponownie za każdym razem, gdy rzucimy okiem na ekran. Co to jest supremacja kwantowa? 23 października 2019 roku Google ogłosił, że osiągnął tzw. supremację kwantową. Pod tą nazwą kryje się udowodnienie, że maszyny kwantowe naprawdę wykonują obliczenia szybciej niż klasyczne. Komputer Google, dysponujący 53 kwantowymi bitami, czyli kubitami, wykonał pewne skomplikowane działania w zaledwie 200 sekund. Zdaniem jego konstruktorów te same obliczenia tradycyjnemu komputerowi zajęłyby 10 tys. lat. Zastosowania komputerów kwantowych Kubity działają tylko w specyficznych warunkach. Najczęściej potrzebują wysokiej próżni i bardzo niskich temperatur. Są też podatne na zakłócenia. Dlatego maszyny kwantowe zajmują dużo miejsca i wyglądają bardziej jak aparatura chemiczna niż komputer. W efekcie jest ich mało i są bardzo drogie. Jednak w przyszłości ma się to zmienić. Logistyka Jak znaleźć najkrótszą drogę łączącą 25 miast? To zadanie, z którym musi się zmagać codziennie szef każdej dużej firmy kurierskiej. W matematyce zwane jest problemem komiwojażera. Superkomputery sobie z tym nie radzą. Jest to natomiast dość proste zadanie dla komputerów kwantowych. Ustalając najlepsze trasy dojazdu pomogą nie tylko firmom kurierskim czy flotom ciężarówek dostawczych. Skorzystają też na tym też zwykli kierowcy używający samochodowej nawigacji. Kwantowe obliczenia mają wspierać w przyszłości samochody autonomiczne i usprawniać kursowanie autobusów w miastach. Chemia Chemia opisuje reakcje zachodzące między poszczególnymi atomami i cząsteczkami. To skala, w której działają prawa fizyki kwantowej. Nawet w stosunkowo nieskomplikowanych procesach chemicznych biorą udział miliardy takich elementów jednocześnie. Symulowanie ich za pomocą komputerów dało początek nowej dziedzinie, zwanej chemoinformatyką. Jednak takie obliczenia na klasycznych komputerach są niezwykle skomplikowane. Naukowcy twierdzą np., że komputer dysponujący 100 kubitami pozwoli już na modelowanie reakcji chemicznych, takich jak tzw. metoda Habera i Boscha. Służy ona m.in. do produkcji nawozów sztucznych, bez których nie może się obejść współczesne rolnictwo. Ogromnej mocy obliczeniowej wymaga modelowanie cząsteczek nowych leków, których działanie można sprawdzać za pomocą symulacji komputerowych, ograniczając eksperymenty na zwierzętach. Podobnych narzędzi potrzebują naukowcy opracowujący nowe nadprzewodniki Fizyka Fizycy potrzebują komputerów kwantowych do modelowania skomplikowanych, chaotycznych zjawisk zachodzących w świecie cząstek elementarnych. Przykładem może być projektowanie reaktorów termojądrowych, mających dostarczać ogromnych ilości energii. Wymaga to podgrzewania atomów do ogromnych temperatur i ściskania ich z użyciem pola magnetycznego. Modelowaniem tego procesu zajmują się dziś potężne komputery, ale nadal bez powodzenia. Możliwe, że zadaniu temu sprostają dopiero maszyny kwantowe. Modelowanie Komputery kwantowe pomogą w tworzeniu skomplikowanych symulacji. Przykładem może być komputerowy model ludzkiego mózgu. Czyli 86 mld neuronów i bilionów łączących je synaps. Dzięki takiej symulacji będzie można poznać mechanizmy leżące u podstaw takich schorzeń, jak depresja, choroby Alzheimera czy Parkinsona. Na wirtualnym mózgu będzie też można przeprowadzać testy nowych leków. Według fizyków kosmici mogą używać czarnych dziur jako komputerów kwantowych Dlaczego ciągle nie odkryliśmy pozaziemskich cywilizacji? Być może nie szukamy tego, co trzeba. Dwóch naukowców uważa, że zaawansowani kosmici mogą używać czarnych dziur jako kwantowych ... Inny projekt to Living Earth Simulator. Miałby on pomieścić wszelkie dostępne dane o naszej planecie – od pogody po nastroje społeczne. System ma na bieżąco je analizować, by usiłować zrozumieć wzorce rządzące zachowaniami ludzi. W ten sposób można by przewidywać np. kryzysy finansowe lub skutki wprowadzanych reform społecznych. Sztuczna inteligencja Algorytmy sztucznej inteligencji uczą się np. rozumienia ludzkiej mowy, analizując ogromne zbiory danych i poprawiając swe błędy. Taki trening zajmuje im nierzadko wiele tygodni i to nawet wtedy, gdy mają do dyspozycji bardzo szybkie komputery. Kwantowe obliczenia mogą radykalnie skrócić ten czas. Będą też sprawdzały się przy szybkim wyszukiwaniu danych. Szyfrowanie Komputery kwantowe dobrze nadają się do wykonywania obliczeń, które są obiektem zainteresowania tajnych służb i hakerów. Chodzi o podsłuchiwanie szyfrowanej transmisji danych, dzięki której zabezpieczane są dziś np. operacje bankowe. Najlepszym dostępnym dziś superkomputerom złamanie takiego szyfru zajęłoby dziesiątki lat. Maszyna wykorzystująca zjawiska kwantowe mogłaby się z tym uporać w kilka sekund. Uczeni pracują też nad tzw. szyfrowaniem kwantowym. Wykorzystuje ono zjawiska zachodzące na poziomie fotonów i cząstek elementarnych w telekomunikacji. Transmisji zabezpieczonej w ten sposób nie można podsłuchać – każda ingerencja w przesyłane dane niszczy je. Możliwe więc, że internet przyszłości będzie działał m.in. dzięki technologiom kwantowym. Źródło: archiwum NG.
Pojawił się pomysł na połącznie teorii Einsteina i mechaniki kwantowej. Tempo upływu czasu może skakać?
Czy da się stworzyć uniwersalną teorię fizyczną, która łączyłaby grawitację z mechaniką kwantową? Na razie to się nie udaje. Jednak nowa teoria zaproponowana przez naukowców z Kolegium Uniwersyteckiego w Londynie atakuje problem z zupełnie innej strony.
W tym artykule: Zagadki świata kwantów Święty Graal fizyki – połączenie teorii względności i kwantowej Nowy pomysł na teorię uniwersalną Załamanie przewidywalności Eksperyment ma dowieść słuszności teorii Ogólna teoria względności Alberta Einsteina święci triumfy już od ponad stu lat. Dzięki niej udało się przewidzieć m.in. istnienie czarnych dziur i opisać początki Wszechświata. Einstein miał rewolucyjny pomysł: grawitacja nie działa jak wszystkie inne siły, ale ugina czasoprzestrzeń. Potężny obiekt – taki jak np. Słońce – sprawia, że planety krążą wokół niego w zakrzywionej czasoprzestrzeni. Potężne siły grawitacji wpływają również na czwarty wymiar: czas. Może on biec w różnym tempie w zależności od miejsca we Wszechświecie. Pokazano to m.in. w filmie „Interstellar”. Wszystkie elementy teorii Einsteina mają wspólny mianownik: jest nim przewidywalność. Ogólna teoria względności pozwala dokonywać precyzyjnych pomiarów i na ich podstawie formułować wnioski o tym, co się działo i co jeszcze zdarzy się w kosmosie. Jej przeciwieństwem jest druga wielka teoria fizyczna XX wieku: mechanika kwantowa. U jej podstaw leży zupełnie przeciwne założenie, niż przyjął Einstein. Głosi ono, że światem najmniejszych składowych materii – cząstek elementarnych – rządzi nieoznaczoność. Zagadki świata kwantów Czy jest elektron? Na to niby proste pytanie odpowiedź może być bardzo skomplikowana. Jeśli spróbujemy ustalić, gdzie znajduje się elektron, zachowuje się on jak cząstka. W innym przypadku – pozostawiony sam sobie – przypomina falę. Co więcej, z zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że w żadnych okolicznościach nie dowiemy się o elektronie wszystkiego. Możemy poznać jego położenie lub prędkość. Jednak nie obie te rzeczy naraz. Wszechświat jest dwa razy starszy niż dotychczas sądziliśmy. Sensacyjna hipoteza fizyków Naukowiec z kanadyjskiego uniwersytetu uważa, że Wszechświat może mieć 26,7 mld lat. A nie 13,8 mld, jak się obecnie przyjmuje. Badacz uzyskał taki wynik, sięgając po teorię naukową zarz... Mechaniką kwantową rządzą niewiadome, immanentne składowe tej teorii. Wydaje się ona całkowitym przeciwieństwem einsteinowskiej teorii grawitacji. Ma jednak z nią coś wspólnego. To sprawdzalność. Zasady mechaniki kwantowej zostały wielokrotnie dowiedzione eksperymentalnie. Zupełnie tak samo jak teoria grawitacji. Święty Graal fizyki – połączenie teorii względności i kwantowej Nic dziwnego, że naukowcy od dawna próbują połączyć obie te teorie. Okazało się to jednak nadzwyczaj trudne. Matematyka jednej nie „skleja się” z matematyką drugiej. Jak bardzo jest to skomplikowane, opisuje książka Rogera Penrose’a „Moda, wiara i fantazja w nowej fizyce Wszechświata”. Mimo to badacze próbują stworzyć tzw. kwantową teorię grawitacji. Na razie kandydatki na tę teorię wszechrzeczy są dwie. Jedna to rozwijana od kilku dziesięcioleci teoria strun. Zakłada ona, że wymiarów jest więcej niż cztery, a cząstki to struny drgające w 11 albo nawet 26 wymiarach. Jej mniej znana konkurentka to pętlowa grawitacja kwantowa, opracowana m.in. przez Carla Rovelliego. Tu z kolei przyjęto założenie, że czasoprzestrzeń składa się ze splecionych, skończonych węzłów, które stanowią jakby włókienka w tkaninie materii. Nowy pomysł na teorię uniwersalną Obie te teorie mają wspólną cechę. Próbują „skwantować” grawitację. A może jednak wcale nie należy tego robić? Może czasoprzestrzeń jest klasyczna – jak chciał Einstein – i nie należy doszukiwać się w niej żadnych manifestacji świata kwantowego? Tak właśnie uważa prof. Jonathan Oppenheim z Kolegium Uniwersyteckiego w Londynie (UCL). Na łamach czasopisma naukowego „Physical Review X” opublikował on pracę, w której proponuje zupełnie nową kandydatkę na teorię unifikacji. To tzw. postkwantowa teoria klasycznej grawitacji. Rewolucyjnie postuluje ona, że należy odrzucić założenie przewidywalnego upływu czasu. Oppenheim proponuje, by przyjąć, że tempo upływu czasu w kosmosie może się zmieniać w sposób przypadkowy. − Tempo upływu czasu zmienia się losowo i waha w czasie – mówi Oppenheim cytowany przez „Guardiana”. Dodaje jednak, że czas nigdy nie cofałby się. Załamanie przewidywalności Taki pomysł ma jedną ważną konsekwencję. Powoduje mianowicie, że przestaje istnieć założona przez Einsteina przewidywalność. Jej brak jest fundamentem nowej teorii. I to natychmiast wywołało kontrowersje. − Spekulacje są mile widziane, zwłaszcza jeśli można je przetestować – zauważył prof. Rovelli na łamach „Guardiana”. − Ale większość spekulacji okazuje się błędna. To dobrze, że Oppenheim bada tę możliwość (…). Jednak wielkie twierdzenia o „nowej teorii łączącej grawitację Einsteina z mechaniką kwantową” wydają mi się nieco przesadzone – skomentował naukowiec. Zgodnie z naukową tradycją Rovelli oraz Geoff Penington, orędownik teorii strun, założyli się z Oppenheimem o to, że jego teoria jest fałszywa. Naukowcy przyjęli, że szanse na to wynoszą 5000:1. Zgodnie ze spisanymi regułami zakładu, jeśli Oppenheim udowodni, że ma rację, otrzyma 5000 przedmiotów własnego wyboru. Takich, z których każdy 21 stycznia 2021 r. nie było warty więcej niż 20 pensów. Jeśli przegra, a czasoprzestrzeń okaże się jednak kwantowa, zwycięzcy otrzymają po jednym takim przedmiocie. Eksperyment ma dowieść słuszności teorii Co ciekawe, ten zakład może zostać w przyszłości rozstrzygnięty. Na łamach czasopisma „Nature Communications” ukazała się bowiem jednocześnie praca, w której Zach Weller-Davies, były doktorant Oppenheima, proponuje, jak udowodnić jego teorię. Weller-Davies zakłada, że jeśli tempo upływu czasu losowo fluktuuje, musi to znajdować odbicie w zmianach zachodzących w całej czasoprzestrzeni. A dokładnie – w masie różnych obiektów. Na przykład standard kilograma mierzony w różnych momentach może mieć nieznacznie mniejszą lub większą wagę. Jeśli udałoby się wykazać, że jego masa nie jest stała, tylko zmienia się w określonym zakresie, byłby to dowód na prawdziwość koncepcji Oppenheima. Słynna teoria Hawkinga o czarnych dziurach potwierdzona Jedno z najsłynniejszych twierdzeń Stephena Hawkinga zostało właśnie udowodnione na podstawie falowania czasoprzestrzeni spowodowanego połączeniem się dwóch odległych czarnych dziur. To nie koniec propozycji eksperymentalnych. Naukowcy uważają, że losowe fluktuacje czasoprzestrzeni dałoby się również uchwycić, wprowadzając ciężkie atomy znajdujące się w dwóch różnych miejscach w stan kwantowej superpozycji. Pierwszy z proponowanych testów jest prosty koncepcyjnie. Oba wymagają niezwykłej precyzji. − Eksperymenty mające na celu sprawdzenie natury czasoprzestrzeni będą wymagały wysiłku na dużą skalę. Jednak mają ogromne znaczenie dla zrozumienia podstawowych praw natury – komentuje prof. Sougato Bose z UCL. − Wierzę, że są w zasięgu ręki. Co to oznacza? – Być może poznamy odpowiedź w ciągu najbliższych 20 lat – dodaje badacz. Trzech uczestników zakładu 5000:1 musi więc uzbroić się w cierpliwość. A wszyscy czekający na teorię rozwijającą koncepcje Alberta Einsteina – wraz z nimi. Źródła: EurekAlert, Physical Review X, Guardian, Nature Communications, UCL. Nasz ekspert Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Polski profesor i specjalista kryptologii kwantowej dostał prestiżową nagrodę. Kim jest Artur Ekert?
Nagroda Milnera za 2024 przyznana została profesorowi Arturowi Ekertowi za jego pionierski wkład w komunikację i obliczenia kwantowe, które przekształciły dziedzinę informatyki kwantowej z niszowej działalności akademickiej w tętniącą życiem interdyscyplinarną dziedzinę o znaczeniu przemysłowym – poinformowało Towarzystwo Królewskie w Londynie.
W tym artykule: Prestiżowa nagroda dla prof. Ekerta Wpływ prac prof. Ekerta na naukę Wyróżnienia dla prof. Ekerta Profesor Artur Ekert to urodzony we Wrocławiu absolwent Uniwersytetu Jagiellońskiego oraz Uniwersytetu Oxfordzkiego. Jest fizykiem-teoretykiem, badającym zagadnienia mechaniki kwantowej i specjalistą przetwarzania danych kwantowych oraz kryptologii kwantowej. Prestiżowa nagroda dla prof. Ekerta Właśnie otrzymał prestiżową Nagrodę Milnera, czyli Royal Society Milner Award and Lecture. Wyróżnienie to przyznawane jest od 2012 roku przez Royal Society – Towarzystwo Królewskie w Londynie – w porozumieniu z fundacją Microsoft Research. Dostaje się je za „wybitne osiągnięcia z zakresu informatyki dokonane przez europejskiego badacza”. Nagroda została nazwana na cześć Robina Milnera, płodnego pioniera informatyki, który między innymi zaprojektował Logic for Computable Functions (LCF) i język programowania ML. Wpływ prac prof. Ekerta na naukę Profesor Artur Ekert zajmuje się przetwarzaniem informacji w układach kwantowo-mechanicznych. Wynalezienie przez niego w 1991 roku kryptografii kwantowej opartej na splątaniu doprowadziło do prawdziwej eksplozji prac badawczych podejmujących ten temat. A także wzbudziło ogromne zainteresowanie technologiami kwantowymi całym świecie. Niesporczak Schrödingera – polski fizyk wprowadził zwierzę w stan kwantowej superpozycji. Jak to możliwe? Niesporczak to pierwsze w historii wielokomórkowe zwierzę wprowadzone w nieokreślony, kwantowy stan. Czy niesporczak podzielił los słynnego kota Schrödingera? Praca profesora Ekerta do dziś inspiruje nowe kierunki badań. Wykazał on, że tzw. nierówności Bella – czyli twierdzenie dotyczące mechaniki kwantowej, pokazujące, w jaki sposób przewidywania mechaniki kwantowej różnią się od klasycznej intuicji – można wykorzystać do testowania podsłuchu. Naukowiec przyczynił się też do ogromnych postępów w podstawach i eksperymentalnych realizacjach komunikacji kwantowej i obliczeń. Jak można przeczytać w komunikacie Royal Society, „odegrał wiodącą rolę w przekształceniu informatyki kwantowej w tętniącą życiem dziedzinę interdyscyplinarną”. Wyróżnienia dla prof. Ekerta Cytowany na stronie Instytutu Matematycznego w Oksfordzie profesor Artur Ekert skomentował wyróżnienie tymi słowami: „Odkrywanie związków między kryptografią a podstawami teorii kwantowej było fascynującą podróżą. To bardzo satysfakcjonujące widzieć, że moja praca została doceniona. Teoria kwantowa niewątpliwie otworzyła liczne nowatorskie drogi, by lepiej zrozumieć i wykorzystywać naturę, w tym informacje. Z niecierpliwością czekam na to, co przyniesie przyszłość.” Nie jest to pierwsza prestiżowa nagroda przyznana polskiemu profesorowi i wykładowcy Uniwersytetu Oksfordzkiego. W 1995 roku Artur Ekert otrzymał Medal Maxwella i Nagrodę Instytutu Fizyki. W 2007 roku zaś Medal Hughesa, również przyznawany przez Royal Society. Źródło: Royal Society. Nasz ekspert Ewelina Zambrzycka-Kościelnicka Dziennikarka i redaktorka zajmująca się tematyką popularnonaukową. Związana z magazynami portali Gazeta.pl oraz Wp.pl. Współautorka książek „Człowiek istota kosmiczna”, „Kosmiczne wyzwania” i „Odważ się robić wielkie rzeczy”.
Baterie kwantowe będą się błyskawicznie ładować i gromadzić mnóstwo energii. Kiedy mogą powstać?
Jak przechować duże ilości energii, nie obciążając środowiska? Rozwiązaniem mogą być innowacyjne baterie kwantowe.
W tym artykule: Czym są baterie kwantowe? Czy baterie kwantowe mają szanse działać? Kwantowe nanokropki w bateriach Baterie kwantowe to szansa dla motoryzacji Jak szybko będzie ładował się samochód na baterie kwantowe? Baterie kwantowe to jeden z tych konceptów, z którymi wiąże się nadzieje na technologiczną rewolucję. Wykorzystując zjawiska takie jak kwantowe splątanie, naukowcy chcieliby zbudować akumulatory, których możliwości znacznie przewyższyłyby możliwości obecnie istniejących baterii. Czym są baterie kwantowe? W 2012 r. dwóch badaczy – prof. Robert Alicki z Uniwersytetu Gdańskiego i prof. Mark Fannes z Uniwersytetu Leuven – opublikowało pracę dowodzącą, że teoretycznie może istnieć coś takiego jak bateria kwantowa. Bazowałaby ona na przechowujących energię ogniwach kwantowych. Oto lepsza alternatywa dla baterii litowo-jonowych. Naukowcy z Teksasu rozwijają baterie sodowe Baterie sodowe znacznie szybciej się ładują i nie szkodzi im rozładowanie do zera. Czy zrewolucjonizują sposób, w jaki magazynujemy energię? Miałyby one różne stany, reprezentujące wysoki i niski poziom energii. Alicki i Fannes zauważyli, że im więcej splątanych kwantowo ogniw wchodziłoby w skład baterii, tym szybciej przechodziłaby ze stanu niskiej energii do wysokiej. Czyli – tym szybciej by się ładowała. Jednym z mechanizmów, który brany jest pod uwagę przy próbie zbudowania baterii kwantowej jest pochłanianie światła przez materię. To tzw. mechanizm superabsorpcji. Dzięki niemu, co ciekawe, wydajność baterii ma rosnąć wraz ze zwiększaniem się jej rozmiarów. Czy baterie kwantowe mają szanse działać? Dziesięć lat temu cała koncepcja była wyłącznie w sferze rozważań teoretycznych. Alicki i Fannes zaznaczyli, że nie wiadomo jeszcze, z czego można by zbudować kwantową baterię. Ich praca okazała się jednak inspirująca dla całej rzeszy naukowców, którzy zaczęli intensywnie badać zagadnienie kwantowych akumulatorów. Odkrycia szły w dwóch kierunkach. Jednym było dalsze budowanie podstaw teoretycznych. Drugim – szukanie praktycznych rozwiązań inżynieryjnych. Na obu polach odnoszono sukcesy. W styczniu 2022 roku zespół Jamesa Quacha z Uniwersytetu w Adelajdzie ogłosił, że udało mu się przeprowadzić pierwszy praktyczny eksperyment potwierdzający istnienie zależności między wielkością baterii kwantowej a czasem jej ładowania. Kwantowe nanokropki w bateriach Bateria smartfonu ładująca się w 30 sekund? Mają to umożliwić tzw. kwantowe nanokropki. To kryształy o długości zaledwie dwóch nanometrów, wytwarzane z tanich, organicznych surowców. Można ich użyć nie tylko do zwiększenia pojemności baterii, ale także ulepszenia innych elementów elektronicznych, takich jak wyświetlacze, pamięć czy kamery. Nanokropki mogą teoretycznie sprawić, że elektronika będzie całkowicie pozbawiona toksycznego kadmu. Lepszych baterii potrzebują konstruktorzy urządzeń medycznych, satelitów, samolotów, narzędzi budowlanych, robotów itd. Poza tym zużyte akumulatory stwarzają zagrożenie dla środowiska, bo często zawierają toksyczne metale ciężkie. Wydajniejsze i bardziej ekologiczne przechowywanie elektryczności stało się wielkim wyzwaniem dla całej branży technologicznej. Baterie kwantowe mogłyby być stosowane np. w przyszłych elektrowniach termojądrowych, gdzie istotne jest błyskawiczne dostarczanie ogromnych ilości energii. Jednak technologie kwantowe ciągle są „w wieku niemowlęcym”. Na ich „dorośnięcie” będziemy więc musieli jeszcze trochę poczekać. Baterie kwantowe to szansa dla motoryzacji Takie baterie mogłyby wpłynąć m.in. na najważniejszy sektor motoryzacji, czyli samochody elektryczne. Ich popularność stale rośnie i są już produkowane przez praktycznie każdy liczący się koncern motoryzacyjny. Jednak ciągle mają wady utrudniające zastąpienie nimi samochodów spalinowych na masową skalę. Niespodzianka: fuzja jądrowa może dostarczać znacznie więcej energii niż dotychczas sądzono Naukowcy skorygowali podstawowe prawo określające, maksymalnie ile paliwa można będzie użyć w reaktorach termojądrowych. To oznacza, że fuzja jądrowa – gdy już zostanie opanowana i wyko... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/niespodzianka-fuzja-jadrowa-moze-dostarczac-znacznie-wiecej-energii-niz-dotychczas-sadzono-fot-visual-china-group-via-getty-images-62d83b2.jpeg" width="938" height="626" alt="Niespodzianka: fuzja jądrowa może dostarczać znacznie więcej energii niż dotychczas sądzono (fot. Visual China Group via Getty Images)" title="Niespodzianka: fuzja jądrowa może dostarczać znacznie więcej energii niż dotychczas sądzono (fot. Visual China Group via Getty Images)" /> Jakie to wady? Niestety, czas ładowania ich akumulatorów ciągle jest bardzo długi. Ładowanie „elektryka” może trwać kilkanaście godzin. I nawet jeśli mamy superdrogie auto wyposażone w najnowocześniejsze technologie, na postój na stacji będziemy musieli poświęcić 20–40 minut. Jak szybko będzie ładował się samochód na baterie kwantowe? Trzyosobowa grupa naukowców z Narodowego Uniwersytetu w Seulu opracowała inny aspekt zagadnienia baterii kwantowych – dokładny sposób ładowania ich ogniw. Ich praca została opublikowana w czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”. Naukowcy najpierw opracowali konkretny schemat działania baterii składającej się z ogniw kwantowych. Następnie dokładnie policzyli, jaką oszczędność czasu dałoby się dzięki temu uzyskać podczas postoju na stacji. Przyjmując, że mamy auto elektryczne z akumulatorem składającym się z 200 ogniw, stwierdzili, że tempo ładowania również wzrosłoby 200-krotnie. A więc czas ładowania skróciłby się z dziesięciu godzin do trzech minut. Jeśli zaś mielibyśmy superszybką stację ładującą, zamiast spędzić na niej pół godziny, ładowanie samochodu potrwałoby zaledwie kilka sekund. Źródło: Physical Review Letters.
Naukowcy stworzyli miniaturowy tunel czasoprzestrzenny. Na razie tylko w komputerze kwantowym
Czy możliwe jest połączenie dwóch miejsc w czasoprzestrzeni przejściem, które stanowiłoby drogę „na skróty” między odległymi rejonami kosmosu? Tunele czasoprzestrzenne to teoretyczna koncepcja, często wykorzystywana w fantastyce. Teraz po raz pierwszy opracowano eksperyment, pozwalający badać ich właściwości w doświadczeniach laboratoryjnych.
W tym artykule: Wormhole, czyli most Einsteina-Rosena Tunel czasoprzestrzenny w laboratorium Skoki w kosmosie? Nie ma się czego obawiać. Symulując tunel czasoprzestrzenny, czyli wormhole, naukowcy nie rozerwali czasoprzestrzeni. To, co powstało z użyciem procesora kwantowego Sycamore, stanowi jedynie teoretyczny odpowiednik „pomostu” mogącego łączyć odległe punkty we Wszechświecie. Korzystając z komputera kwantowego, badacze wpierw zasymulowali dwie „miniaturowe” czarne dziury. Następnie przesłali między nimi wiadomość – informację kwantową. Tym samym utworzyli „kwantowy system, który wykazuje kluczowe właściwości grawitacyjnego wormhole’a. A przy tym jest wystarczająco mały, by mógł zadziałać na dzisiejszym sprzęcie kwantowym” – wyjaśniała fizyczka Maria Spiropulu z Caltechu. Przełomowy eksperyment został opisany w najnowszym numerze czasopisma naukowego „Nature”. Wormhole, czyli most Einsteina-Rosena Tunele czasoprzestrzenne, zwane również mostami Einsteina-Rosena, po raz pierwszy zostały opisane przez Alberta Einsteina i Nathana Rosena. W 1935 roku dwaj fizycy teoretyczni ogłosili, że teoria względności dopuszcza istnienie „skrótów” w czasoprzestrzeni. Czyli tuneli łączących obiekty o ekstremalnej fizyce, takie jak czarne i białe dziury. Materia powstaje ze światła? Nareszcie znamy odpowiedź na to pytanie Po raz pierwszy eksperymenty wykazały, że z kolizji fotonów – czyli ze światła – może powstać materia. Późniejsze prace teoretyczne – m.in. Johna Wheelera, który wymyślił określenie „wormhole” – wykazały, że tunele czasoprzestrzenne, nawet gdyby pojawiały się we Wszechświecie, byłyby niestabilne. Naukowcy próbowali – i nadal próbują – określić warunki, jakie należałoby spełnić, by powstał trwały tunel czasoprzestrzenny. Czyli taki, który – nawet gdyby się pojawił – nie zniknąłby po ułamku sekundy. Tunele czasoprzestrzenne zadomowiły się również w fantastyce. Carl Sagan w „Kontakcie” uczynił je pomostem, z pomocą którego można nawiązać kontakt z obcą cywilizacją. Podobnie było w przypadku podróży bohaterów Marvela, znanych np. z filmów z serii „Thor”. Tunel czasoprzestrzenny w laboratorium Naukowcy skorzystali z procesora kwantowego Sycamore należącego do firmy Google. Z jego pomocą przeprowadzili eksperyment, w którym nie powstał wprawdzie tunel czasoprzestrzenny, ale udało się symulować jego właściwości. Nie jest więc to kaczka, ale... – Wygląda jak kaczka, chodzi jak kaczka i gdacze jak kaczka – wyjaśnia plastycznie fizyk Joseph Lykken, jeden z autorów eksperymentu. – I to jest to, co możemy powiedzieć na tym etapie. Uzyskaliśmy coś, co, biorąc pod uwagę cechy, jakie obserwujemy, przypomina wormhole – mówił dla „Guardiana”. Maria Spiropulu, starsza autorka pracy, używa innego porównania. Naukowcom udało się uzyskać charakterystyki „niemowlęcego tunelu czasoprzestrzennego”. Teraz krok po kroku chcą od niego przejść do „dziecięcych” i „dorosłych” tuneli. Skoki w kosmosie? Naukowcy podkreślają, że droga od ich badań do tworzenia tuneli czasoprzestrzennych, jakie znamy z fantastyki, jest bardzo, bardzo daleka. O powstaniu rzeczywistego tunelu czasoprzestrzennego na razie w ogóle nie może być mowy. – Istnieje ogromna różnica między czymś, co jest możliwe w teorii, a czymś, co jest możliwe w praktyce – zauważa Lykken. – Nie ekscytowałbym się więc za bardzo [tym, co udało nam się uzyskać – przyp.red.]. Jednak, z drugiej strony, od czegoś trzeba zacząć. Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali inter... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/po-raz-pierwszy-w-historii-zaobserwowano-interakcje-miedzy-krysztalami-czasu-fot-getty-images-1da0e08.jpeg" width="938" height="564" alt="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" title="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" /> Naukowiec zwraca uwagę, że koncepcja tuneli czasoprzestrzennych została wymyślona już dość dawno temu. Jednak przez dziesiątki lat można było ją rozważać wyłącznie teoretycznie. Nie było bowiem metod, które umożliwiłyby pracowanie nad nią w rzeczywistości. Czyli w ramach eksperymentów zaprojektowanych w laboratoriach. I na tym polega właśnie istota tego odkrycia. Poproszony o skomentowanie go Daniel Harlow z MIT zwrócił uwagę, że praca w „Nature” od strony teoretycznej nie opisuje niczego nowego. – Nie dowiadujemy się niczego o grawitacji kwantowej, czego już byśmy nie wiedzieli – powiedział Harlow dla „Guardiana”. – Z drugiej strony, ten eksperyment jest ekscytujący jako osiągnięcie techniczne. Jeśli nie potrafilibyśmy zrobić nawet tego (a dotychczas nie potrafiliśmy), wówczas symulowanie bardziej interesujących teorii z kwantowej grawitacji byłoby w ogóle poza naszym zasięgiem – podsumowuje uczony. Źródła: Nature, Guardian. Nasz ekspert Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Odkryto nową fazę materii, która wydaje się występować w dwóch wymiarach czasowych jednocześnie
Nową fazę materii zaobserwowano w komputerze kwantowym. Pojawiła się, gdy na jego kubity skierowano impulsy laserowe w sekwencji pulsacyjnej inspirowanej liczbami Fibonacciego.
W tym artykule: Jaki komputer kwantowy wykorzystano w badaniu? Jak symetria pomaga utrzymać kubity? Jak ciąg Fibonacciego chronił stan kwantowy kubitów? Komputery kwantowe dysponują gigantycznymi mocami obliczeniowymi, znacznie przewyższającymi możliwości tradycyjnych komputerów. Zawdzięczają to kwantowym elementom obliczeniowym, czyli kubitom. W tradycyjnym komputerze obliczenia wykonywane są na seriach bitów – zerach i jedynkach. Kubity mogą przybierać obie te wartości jednocześnie (to tzw. superpozycja), przyspieszając obliczenia. Problem polega na tym, że kwantowe komputery są podatne na błędy. Wystarczą zakłócenia typu nieznaczna zmiana temperatury otoczenia, by nie dało się przeprowadzić rachunków do końca. To efekt tego, że kwantowe procesy ulegają łatwo zjawisku dekoherencji. Polega ono na utracie stanu kwantowego przez kubit, co niweczy przeprowadzane obliczenia. Naukowcy od dawna zastanawiają się, jak temu zapobiec. W najnowszym numerze prestiżowego czasopisma naukowego „Nature” ukazała się właśnie praca, która opisuje nowatorskie podejście do problemu. Naukowcy opisali w niej, jak udało im się utrzymać stan kwantowy kubitów, bombardując je specjalnie dobraną sekwencją laserowych impulsów. Doprowadziło to do powstania szczególnej fazy materii o niespotykanych wcześniej właściwościach. Jaki komputer kwantowy wykorzystano w badaniu? – Pracowałem nad ta teorią pięć lat – opowiada na portalu phys.org Philipp Dumitrescu, główny autor pracy z Flatiron Institute's Center for Computational Quantum Physics w Nowym Jorku. – To było ekscytujące, kiedy wreszcie mogłem sprawdzić ją eksperymentalnie – dodaje. Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali inter... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/po-raz-pierwszy-w-historii-zaobserwowano-interakcje-miedzy-krysztalami-czasu-fot-getty-images-4a43ad2.jpeg" width="938" height="564" alt="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" title="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" /> Badacz wraz z zespołem pracowali na komputerze kwantowym firmy Quantinuum. Jako kubity wykorzystuje on 10 jonów iterbu – pierwiastka używanego w zegarach atomowych. Każdy z nich jest utrzymywany w polu elektrycznym i można na niego oddziaływać z pomocą impulsów laserowych. To oczywiście może prowadzić do dekoherencji kubitów. – Nawet jeśli ściśle kontrolujesz każdy z atomów, może on utracić swój stan kwantowy, nagrzewając się albo wchodząc w interakcję z otoczeniem w innym sposób niż planowałeś – opowiada Dumitrescu. – W praktyce eksperymentalne urządzenia mogą ulec dekoherencji już po kilku impulsach laserowych. Jak symetria pomaga utrzymać kubity? Jak temu zapobiec? Naukowcy próbują wykorzystać zjawisko symetrii, czyli pewnej powtarzającej się właściwości obiektu. Np. kwadrat ma symetrię obrotową – po przekręceniu go o 90 stopi wygląda dokładnie tak samo, jak na początku. W przypadku kubitów próbowano bombardować je regularnymi impulsami laserowymi (co dawało symetrię w czasie). To pomogło, jednak Dumitrescu i jego zespół poszli o krok dalej. Postanowili dodać do układu jeszcze jedną symetrię, używając impulsów, które były uporządkowane, choć nie powtarzały się w czasie. Jak to możliwe? Naukowcy wykorzystali tzw. liczby Fibonacciego. Ciąg Fibonnacciego zaczyna się od 0 i 1, a każdy następny jego wyraz jest sumą dwóch poprzednich. Wygląda więc następująco: 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89... Na tej samej zasadzie badacze ułożyli sekwencję impulsów laserowych. Zamiast użyć prostego układu A, B, A, B...., ułożyli je następująco: A, AB, ABA, ABAAB, ABAABABA... Taka sekwencja jest uporządkowana, lecz się nie powtarza. Cały układ zaś korzysta z dwóch czasowych wymiarów symetrii zamiast jednego. Niesporczak Schrödingera – polski fizyk wprowadził zwierzę w stan kwantowej superpozycji. Jak to możliwe? Niesporczak to pierwsze w historii wielokomórkowe zwierzę wprowadzone w nieokreślony, kwantowy stan. Czy niesporczak podzielił los słynnego kota Schrödingera? Odpowiednikiem matematycznym jest tutaj tzw. parkietaż Penrose'a – dwuwymiarowy wzór, który wygląda jak mozaika z kafelków. Na pierwszy rzut oka wydaje się regularny, jednak po przesunięciu nie powtarza się. Uznaje się go więc za quasi-periodyczny. Co ciekawe, parkietaż Penrose’a powstaje po hipotetycznym „wycięciu” płaszczyzny ze struktury pięciowymiarowej. Jak ciąg Fibonacciego chronił stan kwantowy kubitów? Naukowcy przeprowadzili następnie test z komputerem Quantinuum. Najpierw bombardowali jego kubity impulsami powtarzającymi się regularnie. Kubity utrzymały się przez 1,5 sekundy, co jest bardzo dobrym wynikiem. Jednak gdy badacze wykorzystali sekwencję opartą na ciągu Fibonacciego, kubity uległy dekoherencji dopiero po 5,5 sekundy. Zdaniem Dumitrescu to dlatego, że układ był „chroniony” przez wprowadzenie do niego dodatkowego wymiaru czasowego. Powstała nowa faza materii może więc posłużyć jako długoterminowa (w skali kwantowej) pamięć kwantowa. Jednak do jej wykorzystania w prawdziwych komputerach kwantowych jest jeszcze daleka droga. – Musimy znaleźć sposób, by wprowadzić ją do kwantowych obliczeń – mówi Dumitrescu. – Nad tym teraz pracujemy. Źródła: Nature, phys.org. Nasz ekspert Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Kosmici mogą używać komunikacji kwantowej. Pozwoliłaby im porozumiewać się na gigantyczne odległości
Naukowcy z Uniwersytetu w Edynburgu są zdania, że we Wszechświecie możliwa jest komunikacja kwantowa. Za jej pomocą obce inteligentne istoty mogłyby porozumiewać się między sobą. A także wysyłać wiadomości do nas!
W tym artykule: Jak porozumiewaliby się kosmici? Co to jest kwantowe splątanie? Co to jest dekoherencja? Jak wysyłać informacje w kosmosie? Jak wielki jest Wszechświat? Szacuje się, że jego widzialna część ma średnicę 93 mld lat świetlnych. To oznacza, że najszybsze w kosmosie światło – podróżujące w próżni z prędkością 300 tys. km/s – potrzebowałoby prawie 100 mld lat, by przelecieć z jednego końca Wszechświata na drugi. Tak ogromne odległości to problem nie tylko dla cywilizacji planujących długie loty kosmiczne. Dystanse w kosmosie są również przeszkodą w wysyłaniu i odbieraniu jakichkolwiek informacji, które pochodzą z odległych części Wszechświata. Patrząc na niebo w dzień, widzimy Słońce takim, jakie było osiem minut wcześniej. To, co widzimy na nocnym niebie, to gwiazdy takie, jakimi w rzeczywistości były tysiące, a nawet miliony lat temu. Jak porozumiewaliby się kosmici? Załóżmy, że kosmosie istnieją inteligentne cywilizacje inne niż ludzka. Naukowcy od dawna zastanawiają się, jak moglibyśmy się z nimi porozumieć? Albo jak one mogłoby porozumieć się z nami, zważywszy na gigantyczne dystanse, jakie miałaby do pokonania informacja w jakiejkolwiek formie? Zdaniem niektórych badaczy odpowiedzią jest kwantowa komunikacja. Gigantyczne struktury we Wszechświecie obracają się, ale nikt nie wie dlaczego Największe znane struktury we Wszechświecie, tak zwane włókna, obracają się – wynika z pomiarów. Jednak przyczyny tego zjawiska są nieznane. Kwestię, jak kosmici mogliby wysyłać nam informacje z jej pomocą, przeanalizowali naukowcy z Uniwersytetu w Edynburgu. Ich praca na ten temat ukazała się właśnie w czasopiśmie naukowym „Physical Review D”. Co to jest kwantowe splątanie? Kwantowa komunikacja jest w tej chwili intensywnie badana i rozwijana na Ziemi. Zdaniem naukowców stanowi ona bowiem sposób na uczynienie sieci internetowej jeszcze bezpieczniejszą, a danych cyfrowych – niemożliwych do przechwycenia. Zjawisko, które to umożliwia, to kwantowe splątanie. Należy ono do grupy dziwnych mechanizmów, które rządzą najmniejszymi elementami materii – cząstkami ze świata kwantów. W niezwykle małych skalach zasady fizyczne, jakie znamy z makroskopowego świata, przestają obowiązywać. Zamiast tego działa zupełnie inny zestaw praw. Splątanie oznacza, że dwa kwantowe obiekty tworzą pewną całość. Jeśli w jakikolwiek sposób zmieni się stan jednego z nich, wpłynie to natychmiast na drugi. I nie ma tu znaczenia, jak daleko są od siebie splątane cząstki: nanometry czy miliardy lat świetlnych. Co to jest dekoherencja? Ta właściwość powoduje, że splątanie można wykorzystać do bezpiecznego przekazywania informacji. Nie ma bowiem możliwości oddziaływania na jedną cząstkę tak, by nie „odczuła” tego druga cząstka. Niesporczak Schrödingera – polski fizyk wprowadził zwierzę w stan kwantowej superpozycji. Jak to możliwe? Niesporczak to pierwsze w historii wielokomórkowe zwierzę wprowadzone w nieokreślony, kwantowy stan. Czy niesporczak podzielił los słynnego kota Schrödingera? Niestety, gdy cząstka oddziałuje z otoczeniem, np. jakąkolwiek materią w kosmosie, może dojść do dekoherencji. Czyli – w uproszczeniu – zerwania splątania kwantowego. To powoduje, że świat kwantowy cechuje duża niestabilność. Nawet najlepsze istniejące obecnie światłowody nie są na tyle doskonałe, by nie dochodziło w nich do rozproszenia przesyłanych fotonów. W sytuacji, gdy byłyby one nośnikiem kwantowej informacji, taka informacja natychmiast uległaby zniszczeniu. Jak wysyłać informacje w kosmosie? To jednak nie oznacza, że kwantowa komunikacja staje się nieprzydatna jako narzędzie międzygwiezdnego porozumiewania się. Zdaniem badaczy, w kosmosie jest ona możliwa, ponieważ jest w nim o wiele mniej materii niż na Ziemi. Co oznacza, że cząstki mogą pokonać ogromne dystanse, zanim dojdzie do dekoherencji. Naukowcy policzyli, że fotony promieniowania rentgenowskiego mogłyby pokonać całą Drogę Mleczną, zanim cokolwiek wpłynęłoby na ich stan kwantowy. A to oznacza, że inne inteligentne cywilizacje mogłyby używać tej metody do komunikowania się ze sobą albo do wysyłania informacji w kosmos. – Kwantowa komunikacja oparta na fotonach jest potencjalnie możliwa w przestrzeni międzygwiezdnej – napisali w swoim artykule Arjun Berera i Jaime Calderón-Figueroa. – Dotyczy to szczególnie fotonów promieniowania rentgenowskiego o masie mniejszej niż masa elektronu – dodali. – Co do zasady powinno więc być możliwe odkrycie sygnału kwantowego wysyłanego przez ciało astrofizyczne lub nawet pozaziemską cywilizację – zauważają badacze. Zwracają jednak uwagę, że nawet kwantowa komunikacja podlega barierze prędkości światła, określającej maksymalną prędkość, z jaką mogą poruszać się fotony. Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali inter... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/po-raz-pierwszy-w-historii-zaobserwowano-interakcje-miedzy-krysztalami-czasu-fot-getty-images-1da0e08.jpeg" width="938" height="564" alt="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" title="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" /> Warto też pamiętać, że fizyka kwantowa umożliwiałaby błyskawiczną transmisję danych między nadajnikiem a odbiornikiem. Najpierw jednak trzeba dostarczyć odbiornik do odległej lokalizacji. A to musi się odbywać z prędkością mniejszą od prędkości światła, a więc np. na pokładzie konwencjonalnej rakiety. Źródło: Physical Review D, space.com. Nasz ekspert Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Po raz pierwszy naukowcy połączyli ze sobą dwa kryształy czasoprzestrzenne. Do czego ich użyją?
Czy kryształy czasoprzestrzenne mogą być czymś więcej niż ciekawostką naukową? Badacze są zdania, że da się je wykorzystać w praktyce. Właśnie stworzyli podwójny układ, który może być użyteczny w obliczeniach kwantowych.
W tym artykule: Co to są kryształy czasoprzestrzenne? Czy kryształy czasoprzestrzenne można ze sobą łączyć? Czy kryształy czasoprzestrzenne to będą nowe kubity? Atomy ułożone w regularny, powtarzający się w trzech wymiarach wzór, tworzą kryształ. Kryształem jest na przykład diament. Składa się on z atomów węgla najczęściej układających się w ośmiościany. By zmienić położenie jakiegokolwiek atomu w obrębie kryształu, trzeba oddziaływać na niego z zewnątrz. Potrzeba do tego energii. To wszystko składa się na koncepcję tradycyjnego kryształu, znaną naukowcom od chwili, gdy odkryto istnienie atomów. Co to są kryształy czasoprzestrzenne? Jednak tradycyjne kryształy nie są jedynymi, jakie mogą istnieć. W 2012 roku fizyk Frank Wilczek zauważył, że struktura kryształu może powtarzać się nie tylko w przestrzeni, ale również w czasie. Twór, który powstałby w efekcie takie procesu, nazwał „kryształem czasoprzestrzennym”. Koncepcja wzbudziła kontrowersje. Zakładała, że kryształ regularnie zmieniałby się, jednak bez dostarczania energii z zewnątrz. Wielu naukowców twierdziło, że nie jest to możliwe. Z tego samego powodu, z jakiego nie może istnieć perpetuum mobile – czyli wiecznie działająca maszyna. Fizycy po raz pierwszy sfilmowali drgania kryształów czasu Teraz po kolei będziemy rozszyfrowywać tę informację, tłumacząc sens sukcesu, jakim jest wspólne dzieło naukowców z Instytutu Inteligentnych Systemów im. Maxa Plancka w Stuttgarcie oraz p... Rok temu jednak okazało się, że kryształy czasoprzestrzenne mogą istnieć w świecie kwantowym. Badacze skonstruowali je wewnątrz należącego do Google’a komputera kwantowego Sycamore. Zestroili jego kubity (czyli podstawowe elementy), a potem wytrącili je z kwantowego stanu. Układ zaczął w regularny sposób zmieniać swoje własności, bez pobierania energii. Czy kryształy czasoprzestrzenne można ze sobą łączyć? O krok dalej poszli teraz naukowcy z Uniwersytetu Aalto w Finlandii. Udało im się połączyć ze sobą dwa kryształy czasoprzestrzenne w jeden kwantowy system. Wykorzystali do tego magnony. Są to tzw. kwazicząstki – nie cząstki prawdziwe, ale pewne konstrukty opisujące złożony układ. Do powstania magnonów posłużył hel-3. To izotop helu, którego jądro składa się z dwóch protonów i jednego neutronu. Naukowcy schłodzili hel-3 do temperatury tylko o dziesięciotysięczną część stopnia wyższej od zera bezwzględnego. W takim chłodzie hel-3 staje się nadciekły, czyli ma zerową lepkość. Zaczynają wówczas zachodzić w nim efekty kwantowe. Układ kwantowy zmierza do stanu podstawowego (czyli o najmniejszej możliwej energii). Wówczas powstaje gęsta chmura atomów działających jak jeden superatom. W tym stanie powstają kryształy czasoprzestrzenne, składające się z biliardów magnonów. Kiedy takie kryształy znajdują się blisko siebie, wymieniają między sobą magnony. Prowadzi to do pojawienia się oscylacji każdego kryształu pojedynczo. A tym samym powstaje system, który może znajdować się w dwóch stanach. W fizyce kwantowej obiekt może przyjmować każdy możliwy stan dopóty, dopóki nie zostanie przeprowadzony pomiar. Tym samym układ dwóch kryształów czasoprzestrzennych jest potencjalną podstawową cegiełką, która mogłaby zostać wykorzystana w obliczeniach kwantowych. Czy kryształy czasoprzestrzenne to będą nowe kubity? Czy kryształy czasoprzestrzenne mogą być więc kiedyś użyte jako kubity, elementy obliczeniowe komputerów kwantowych? Nie jest to wykluczone. Jednak wcześniej trzeba by pokonać kilka trudności. Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali inter... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/po-raz-pierwszy-w-historii-zaobserwowano-interakcje-miedzy-krysztalami-czasu-fot-getty-images-4a43ad2.jpeg" width="938" height="564" alt="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" title="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" /> Po pierwsze, w opisanym wyżej doświadczeniu hel-3 trzeba było schłodzić do ultraniskich temperatur. Po drugie, ważna jest izolacja od otoczenia, co jest niezbędne do poprawności kwantowych obliczeń. – Kryształy czasoprzestrzenne z opisu wyglądają jak perpetuum mobile, a więc w ogóle nie powinny istnieć – zauważa Samuli Autii, główny autor pracy. – Jednak istnieją i to nawet parami. Wiemy też, że można je wytworzyć nawet w temperaturach pokojowych – dodaje naukowiec. To wszystko przesłanki dające nadzieję, że kryształy czasoprzestrzenne znajdą kiedyś praktyczne zastosowanie. Wówczas okaże się, czy zrewolucjonizują obliczenia. Źródło: Nature Communications. Nasz ekspert Magdalena Salik Dziennikarka naukowa i pisarka, przez wiele lat sekretarz redakcji i zastępczyni redaktora naczelnego magazynu „Focus". Wcześniej redaktorka działu naukowego „Dziennika. Polska, Europa, Świat”. Pasjami czyta i pisze, miłośniczka literatury popularnonaukowej i komputerowych gier RPG. Więcej: magdalenasalik.wordpress.com
Naukowcy wykluczyli istnienie neutrina sterylnego. Dotychczasowe prawa fizyki podważone
Trwający 3 lata eksperyment nie odkrył śladów tzw. neutrina sterylnego. Potwierdził za to, że prawa fizyki nie tłumaczą zaobserwowanych anomalii.
W tym artykule: Na nieuchwytne neutrino polowano ćwierć wieku Trzy rodzaje neutrin, hipotetyczny czwarty i zagadkowy nadmiar elektronów MicroBooNE potwierdza zagadkowy nadmiar elektronów Co oznacza nadmiar elektronów w detektorach neutrin? Ciemny sektor, czyli całe zoo nowych cząstek Prawa fizyki: Będzie więcej danych z nowych detektorów neutrin Trwający 3 lata eksperyment nie odkrył śladów neutrina sterylnego – hipotetycznej cząstki, która mogłaby uratować Model standardowy. To paradoksalnie dobry wynik – wskazuje bowiem, że potrzebne będą prawa fizyki. Ale zacznijmy od początku. Materia powstaje ze światła? Nareszcie znamy odpowiedź na to pytanie Po raz pierwszy eksperymenty wykazały, że z kolizji fotonów – czyli ze światła – może powstać materia. Eksperymenty fizyczne już w początkach ubiegłego wieku wykazały, że po rozpadzie jąder atomowych ubywa energii. Coś musiało ją unosić, bowiem zasada zachowania energii jest w fizyce podstawowa. Energia nie może znikać bez śladu. W początkach lat 30. Enrico Fermi przesłał swoją pracę, opisującą teorię rozpadu jąder atomowych uwzględniającą nieznaną cząstkę, do czasopisma naukowego „Nature”. Pracę odrzucono, ponieważ zawierała „spekulacje zbyt odległe od rzeczywistości, aby zainteresować czytelnika”. Na nieuchwytne neutrino polowano ćwierć wieku Fermi nazwał cząstkę „neutrino”, bo miała nie posiadać ładunku elektrycznego (jak neutron) i być bardzo lekka (stąd zdrobnienie). Te jej cechy oznaczały też, że neutrino powinno niezwykle słabo oddziaływać z materią. Sam Fermi wątpił, czy kiedykolwiek uda się hipotetyczne neutrino wykryć. Istnienie tajemniczych cząstek udało się potwierdzić dopiero w 1956 roku. Tak odkryto antyneutrina, co potwierdziło istnienie neutrin (w modelu standardowym wszystkie cząstki mają bowiem odpowiadające im antycząstki). Neutrina w dużych ilościach powstają we wnętrzu Słońca. W połowie lat 60. postanowiono zmierzyć ich ilość. Okazało się, że jest ich trzykrotnie mniej niż przewidują fizyczne równania. Nazwano to „paradoksem neutrin słonecznych”. Ten paradoks tłumaczyła pewna hipoteza. Neutrina mogą występować w trzech różnych rodzajach. Eksperyment wykrywający słoneczne neutrina był skonstruowany tak, że mógł wykryć tylko neutrina jednego typu – elektronowe. Trzy rodzaje neutrin, hipotetyczny czwarty i zagadkowy nadmiar elektronów Poza nimi istnieją także neutrina dwóch innych typów – mionowe i taonowe. Trzy rodzaje neutrin bezustannie w locie zmieniają się jedne w drugie, co nazywa się oscylacją. Pozostałe dwa rodzaje umykały eksperymentatorom. Ich istnienie potwierdzono dopiero w początkach lat dwutysięcznych – za to odkrycie przyznano nagrodę Nobla z fizyki w 2015 roku. To wyjaśniło pozorny niedobór słonecznych neutrin. Fizycy na całym świecie prowadzą dziesiątki eksperymentów, które maja zmierzyć oscylację neutrin, czyli tempo, w jakim się zmieniają jedne w drugie. Niektóre z takich badań już od lat 90. ubiegłego wieku wskazywały, że w detektorach pojawia się niewyjaśniony nadmiar elektronów. Zakładano, że może mieć on związek z jeszcze jedną odmianą neutrin. MicroBooNE to eksperyment, który wykrywał neutrina z nadzieją, że może się udać natrafić na ślady neutrina sterylnego. Ten hipotetyczny, czwarty rodzaj neutrin, to zarazem dobry kandydat na wypełniającą cały Wszechświat tajemniczą ciemną materię. Specjalne detektory miały wykrywać ślady zderzeń neutrin z cząsteczkami 170 ton ciekłego gazu szlachetnego – argonu. MicroBooNE potwierdza zagadkowy nadmiar elektronów Niedawno ogłoszono wyniki MicroBooNE. Nie znaleziono w nich śladów istnienia hipotetycznego neutrina sterylnego. Potwierdzono za to, że wykrył nadmiar elektronów, podobnie jak poprzedni i mniej dokładny eksperyment MiniBoone oraz jeszcze wcześniejszy – Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND). Dokładne czujniki wykazały, że elektrony nie pochodzą z odbijania się neutronów od jąder argonu. – Dotychczasowe wyniki wskazują na to, że nadmiar elektronów jest skutkiem praw fizyki nieprzewidzianych przez Model standardowy. Jakie to są prawa, pokaże przyszłość – mówi Wiliam Louis, fizyk z Los Alamos National Laboratory i członek zespołu MicroBooNE. Opublikowane wyniki to analiza dopiero połowy danych – z trzech lat przebiegu eksperymentu, który trwał sześć lat. Nadal pozostaje nadzieja, choć już znacznie słabsza, że w pozostałych danych ukrywa się ślad neutrin sterylnych. Co oznacza nadmiar elektronów w detektorach neutrin? Ciemny sektor, czyli całe zoo nowych cząstek Nadmiar elektronów może natomiast wskazywać na dwie hipotezy. Albo neutrina sterylne są nietrwałe i się rozpadają, albo ślady pochodzą z rozpadu jeszcze innych hipotetycznych cząstek – aksjonów. Oba te wyjaśnienia odwołują się jednak do teorii wykraczających poza Model Standardowy. Możliwe jest jeszcze trzecie wyjaśnienie. Neutrina to tylko czubek góry lodowej. Nie ma jednej tajemniczej cząstki ciemnej materii. Jest ich cały, jak określają to fizycy „ciemny sektor” (czasami nazywają go też „ukrytym”). Byłaby to cała rodzina nieznanych jeszcze cząstek, które, podobnie jak neutrino, nie mają ładunku elektrycznego, więc są trudne do wykrycia. Byłoby to prawdziwe zoo, jak czasem żartują fizycy. Cząstki te, podobnie jak neutrina, niezwykle rzadko oddziaływałyby z widzialną materią – o ile w ogóle. Być może jest ich tak wiele, jak cząstek tworzących zwykłą materię. Możliwe też, że oddziałują na siebie dzięki nieznanym jeszcze siłom. Ich odkrycie tłumaczyłoby wiele różnych anomalii w fizycznych eksperymentach, istnienie ciemnej materii, a nawet to, dlaczego Wszechświat nie jest zupełnie jednolity, a istnieją w nim gwiazdy i galaktyki – a jego rozszerzanie się stale przyspiesza. Tego wszystkiego bowiem model standardowy nie tłumaczy. Jeśli istnieje cały „ciemny sektor”, powinny to wykazać dokładniejsze analizy danych z MicroBooNE. Naukowcy opublikują je w przyszłym roku. Zakrzywienie czasoprzestrzeni – skąd się bierze? Jak grawitacja wpływa na przestrzeń i czas Teoria względności opracowana przez Alberta Einsteina przewiduje, że grawitacja to zakrzywienie czasoprzestrzeni. Każda masa zmienia trajektorię pobliskich ciał. Sprawia też, że w jej pobli... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/zakrzywienie-czasoprzestrzeni-skad-sie-bierze-jak-grawitacja-wplywa-na-przestrzen-i-czas-fot-getty-images-f6fd6b4.jpeg" width="938" height="613" alt="Zakrzywienie czasoprzestrzeni – skąd się bierze? Jak grawitacja wpływa na przestrzeń i czas (fot. Getty Images)" title="Zakrzywienie czasoprzestrzeni – skąd się bierze? Jak grawitacja wpływa na przestrzeń i czas (fot. Getty Images)" /> Prawa fizyki: Będzie więcej danych z nowych detektorów neutrin Ale MicroBooNE to tylko jeden z wielu eksperymentów badających neutrina. Pracę niedawno rozpoczął detektor ICARUS, a w 2023 r. dane zbierać zacznie także inny detektor, Short-Baseline Near Detector (SBND). Z tym ostatnim fizycy wiążą szczególne nadzieje – jeden miesiąc jego pracy przyniesie tyle danych, ile dwa lata MicroBooNE. Planowany jest też Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), który wysyłać będzie neutrina przelatujące 800 km pod ziemią do laboratorium Sanford Underground Research Facility. Pewne jest, że danych do analizy fizykom nie zabraknie. – Wyniki wskazują na nowy kierunek i że powinniśmy poszukiwać niesztampowych rozwiązań. MicroBoone to był początek ekscytującej podróży w odkrywaniu praw fizyki – mówi Sowjanya Gollapinni, fizyk i współautor opublikowanej pracy. Być może też – jak w przypadku neutronu – najpierw powstanie teoria, która anomalie tłumaczy. Nie znalazła jeszcze poklasku jako „spekulacje zbyt odległe od rzeczywistości”, ale jest szansa, że potwierdzą ją dane z przyszłych eksperymentów. Źródło: Los Alamos National Laboratory Czytaj więcej fascynujących artykułów: Topniejące lodowce Grenlandii ogromnym zagrożeniem dla człowieka. Uwalniają śmiertelnie niebezpieczną truciznę O tym, że lód na Grenlandii topnieje, wiadomo od dawna. Topnienie lodowców niesie jednak za sobą dużo poważniejsze konsekwencje niż dotąd sądzono. Model Standardowy do poprawki. Będziemy potrzebować nowej fizyki cząstek elementarnych – mówią naukowcy Jedna z cząstek elementarnych opisana w Modelu Standardowym waży więcej, niż powinna, ogłosili właśnie naukowcy. To silna przesłanka wskazująca, że teoria uznawana za jedno z największyc... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/model-standardowy-do-poprawki-bedziemy-potrzebowac-nowej-fizyki-czastek-elementarnych-mowia-naukowcy-fot-corbis-corbis-via-getty-images-bb75426.jpeg" width="938" height="468" alt="Model Standardowy do poprawki. Będziemy potrzebować nowej fizyki cząstek elementarnych – mówią naukowcy (fot. CORBIS/Corbis via Getty Images)" title="Model Standardowy do poprawki. Będziemy potrzebować nowej fizyki cząstek elementarnych – mówią naukowcy (fot. CORBIS/Corbis via Getty Images)" /> Albert Einstein: 15 rzeczy, których nie wiedzieliście o tym wybitnym fizyku Znamy go jako twórcę ogólnej teorii względności. Tymczasem Albert Einstein prowadził fascynujące życie. Oto 15 mniej znanych faktów z życia genialnego naukowca.
Niesporczak Schrödingera – polski fizyk wprowadził zwierzę w stan kwantowej superpozycji. Jak to możliwe?
Niesporczak to pierwsze w historii wielokomórkowe zwierzę wprowadzone w nieokreślony, kwantowy stan. Czy niesporczak podzielił los słynnego kota Schrödingera?
W tym artykule: Kwantowo splątane diamenty, bakteria, a teraz niesporczak Nie kot, a niesporczak Schrödingera Czy kot Schrödingera może w ogóle istnieć? A niesporczak? Niesporczaki to mikroskopijne zwierzęta, których rozmiar nie przekracza milimetra długości. Znane są jednak ze swej niezwykłej odporności. Mogą przeżyć w ekstremalnie wysokich i niskich temperaturach, olbrzymich ciśnieniach, a także kosmicznej próżni. Niedawno grupa uczonych – wraz z dr hab. Tomaszem Paterkiem z Uniwersytetu Gdańskiego – wprowadziła te zwierzęta w niezwykły stan. To kwantowe splątanie, w której stan jednego układu jest nierozerwalnie związany ze stanem drugiego. Efekt ten potwierdzono w setkach eksperymentów. Taka właściwość świata kwantów bardzo nie podobała się Albertowi Einsteinowi. Mówił o niej „upiorne oddziaływanie na odległość”. Oznacza to, że zmiana stanu jednej cząstki natychmiast wywołuje zmianę stanu drugiej. Dzieje się tak niezależnie od dzielącej je odległości, zaś między cząstkami nie zachodzi wymiana informacji. Ta bowiem musiałaby przekroczyć prędkość światła, a z teorii względności wynika, że to niemożliwe. Dlatego niektórzy fizycy sądzą, że odległość jest rodzajem złudzenia. Kwantowo splątane diamenty, bakteria, a teraz niesporczak Jeszcze 30 lat temu fizycy potrafili wprowadzić w stan splątania tylko pojedyncze cząstki. Z czasem udawało się splątywać ich ze sobą coraz więcej. W 2011 roku splątano ze sobą dwa milimetrowej wielkości – widoczne gołym okiem – diamenty. W 2017 roku w stan kwantowego splątania wprowadzono zaś po raz pierwszy organizm żywy: bakterię. Naukowcy odkryli niesporczaka sprzed 16 milionów lat! Skamieniałe szczątki niesporczaka zostały znalezione dominikańskim bursztynie. Grupa fizyków, wśród których jest Polak, dr hab. Tomasz Paterek, wprowadziła w stan splątania wielokomórkowe zwierzę. Był to niesporczak. Eksperyment był możliwy ze względu na niebywałą odporność tych organizmów. Stany kwantowe są bardzo podatne na zakłócenia. Wytrącić z nich może nawet pojedynczy kwant promieniowania cieplnego. Dlatego do celów eksperymentu niesporczaki schłodzono do temperatury zaledwie o jedną setną stopnia wyższej od najniższej możliwej – zera bezwzględnego, czyli 0 K. W takiej temperaturze umieszczono je na tzw. kubicie. To kwantowy układ, który – choć przeczy to codziennej logice – może znajdować się w dwóch kwantowych stanach jednocześnie. Gdy badacze zmierzyli naturalne drgania kubitu i niesporczaka, pomiary wykazały, że oba te obiekty znalazły się w stanie splątania kwantowego. Nie kot, a niesporczak Schrödingera Dwa niesporczaki nie przeżyły takiej próby. Nie wróciły do życia po ogrzaniu. Trzeciemu jednak się udało. Biolodzy zaczęli się spierać, czy w temperaturze jednej setnej kelwina zwierzę żyło, czy znajdowało się w stanie głębokiej hibernacji. Dr Paterek sądzi, że nie żyło. Jak powiedział tygodnikowi „New Scientist”, w trakcie eksperymentu nie zaobserwowano żadnego śladu reakcji biochemicznych. Niesporczaki i małe kałamarnice lada dzień polecą w kosmos. Czeka je szereg eksperymentów Mimo że największa sława przypadła Łajce, to nie ona była jednym ani nawet pierwszym organizmem zwierzęcym wysłanym w kosmos. Od tamtej pory podobnych misji były dziesiątki. To przywodzi na myśl inny eksperyment, choć dotychczas wyłącznie myślowy. Chodzi o słynnego kota Schrödingera. To zwierzę znajduje się w swoistym stanie zawieszenia, gdzieś pomiędzy życiem a śmiercią. Nie chodzi o hibernację, lecz o superpozycję. To kwantowy stan, w którym można przebywać w dwóch stanach naraz. Czyli można być np. jednocześnie żywym i nieżywym. Ten eksperyment myślowy opisał fizyk Edwin Schrödinger w 1935 r. Wyobraźmy sobie, że umieszczamy w jednym pojemniku żywego kota, promieniotwórczy pierwiastek (który w wyniku rozpadu emituje cząstkę promieniowania) oraz detektor promieniowania (np. licznik Geigera). W chwili wykrycia cząstki promieniowania detektor uwalnia trujący gaz. Rozpadem promieniotwórczym rządzą prawa fizyki kwantowej. Nie można określić, kiedy jądro atomu się rozpadnie. Wiadomo jednak, że statystycznie po upływie pewnego czasu – zwanego czasem połowicznego rozpadu – prawdopodobieństwo, że jądro się rozpadnie, wynosi 50%. Zanim to zmierzymy, jądro znajduje się (według większości interpretacji fizyki kwantowej) jednocześnie i w jednym, i w drugim stanie. Czy kot Schrödingera może w ogóle istnieć? A niesporczak? Przed pomiarem (a więc otwarciem pudełka), a po upływie czasu połowicznego rozpadu, prawdopodobieństwo, że kot jest martwy i że jest nadal żywy, będzie takie samo. Czyli będzie równe 50%. Choć przeczy to zdrowemu rozsądkowi, kot powinien znajdować się w stanie kwantowej superpozycji stanów. Fizycy od dawna próbują stwierdzić, gdzie leży granica tej kwantowej nieoznaczoności. Na co dzień nie obserwujemy przecież samochodów, domów, ani ludzi w dwóch stanach naraz. Być może takie kwantowe i nieokreślone stany mogą przybierać tylko małe układy, złożone z niewielkiej liczby cząstek. Gdy cząstek jest zbyt wiele, stan kwantowego układu ustala się samorzutnie. Przełom w badaniach nad kryształami czasu. To drzwi do budowy urządzeń kwantowych Istnienie kryształów czasu, szczególnie fascynującego stanu materii, zostało potwierdzone zaledwie kilka lat temu. Teraz fizycy dokonali kolejnego przełomu – wywołali i zaobserwowali inter... <img src="https://images.immediate.co.uk/production/volatile/sites/63/2024/08/po-raz-pierwszy-w-historii-zaobserwowano-interakcje-miedzy-krysztalami-czasu-fot-getty-images-4a43ad2.jpeg" width="938" height="564" alt="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" title="Po raz pierwszy w historii zaobserwowano interakcję między kryształami czasu (fot. Getty Images)" /> Być może dzieje się tak, bowiem cząstki bezustannie wchodzą ze sobą w interakcje. Przeprowadzano wiele eksperymentów, które miały tego dowieść. Najpierw w stan kwantowej superpozycji wprowadzano grupy kilkudziesięciu, potem kilku tysięcy atomów. Odpowiednio izolowane od wpływów otoczenia, znajdowały się one w stanie superpozycji. Wcale nie zamierzały „określić się”, czyli przybrać jakiegoś określonego, znanego nam na co dzień stanu. Czy niesporczak w eksperymencie opisywanym przez fizyków był żywy, czy martwy? A może istniał w jednym i drugim stanie naraz – czyli był to pierwszy na świecie niesporczak Schrödingera? Po tym eksperymencie rozpoczęły się dyskusje fizyków, biologów, a nawet filozofów. I pewnie prędko się nie skończą... Źródła: New Scientist, ArXiv; Nature; Small.
Naukowcy osiągnęli rekordowo niską temperaturę w laboratorium
Niemieccy naukowcy postanowili przesunąć granice fizyki. Ile wynosi najnowszy rekord?
W tym artykule: Rekordowo niska temperatura Przekraczanie granic fizyki Zespół naukowców z Niemiec pobił rekord najniższej temperatury mierzonej w warunkach laboratoryjnych. Mrożąca krew w żyłach wartość padła podczas badania tzw. piątego stanu materii, czyli kondensacji Bosego-Einsteina (BEC). W fazie BEC materia zaczyna funkcjonować jak jeden duży atom. Oryginalnie ten efekt kwantowy został odkryty przez NASA w lipcu 2018 r. Czy podróże w czasie są możliwe? I tak i nie Kwestia podróży w czasie od dawna zajmuje wielu naukowców. Nie brakuje głosów, jakoby takie doświadczenia już były możliwe, choć w innej formie niż się spodziewamy. Rekordowo niska temperatura Temperaturę mierzy się na podstawie wibracji molekularnej. Można to wytłumaczyć w prosty sposób: im szybciej porusza się zbiór cząsteczek, tym wyższa jest ich temperatura zbiorowa. Skrajnie niskie wartości podaje się w kelwinach. Zero absolutne odpowiada najniższej możliwej temperaturze, jaką może mieć materia. Jest to minus 273,15 stopnia Celsjusza. Czyli zero kelwinów. W okolicach zera absolutnego można zaobserwować ciekawe zjawiska. Autorzy badań opublikowanych w 2017 r. na łamach czasopisma „Nature Physics” potwierdzili na przykład, że światło zachowuje się wówczas, jakby było cieczą. Inny eksperyment wykazał, że w ekstremalnie niskich temperaturach hel traci tarcie. Naukowcy z NASA's Cold Atom Lab zaobserwowali z kolei dwa identyczne atomy w dwóch miejscach jednocześnie. Relacje o spotkaniach z duchami mają swoje naukowe wytłumaczenie Zaskakująco wielu ludzi wierzy w duchy. Badanie przeprowadzone w 2017 roku przez Chapman University wykazało, że aż 52% Amerykanów wierzy, że duchy mogą nawiedzać ludzi! Mało tego, liczb w... Przekraczanie granic fizyki W ramach przełomowego eksperymentu naukowcy umieścili chmurę około 100 tys. gazowych atomów rubidu w polu magnetycznym wewnątrz komory próżniowej. Następnie ochłodzili ją do około 2 miliardowych części stopnia Celsjusza powyżej zera absolutnego. Naukowcy postanowili jeszcze dalej przesunąć granice fizyki. Aby odtworzyć skrajnie zimne warunki panujące w kosmosie, przenieśli komorę próżniową do Centrum Badań Mikrograwitacji na Uniwersytecie w Bremie. Tam wprawili ją w stan swobodnego spadku, jednocześnie na przemian włączając i wyłączając pole magnetyczne. To spowolniło ruch molekularny atomów rubidu niemal do zera. Przez około 2 sekundy temperatura BEC wynosiła 38 pikokelwinów. Poprzedni rekord – 36 pikokelwinów – został ustanowiony przez naukowców z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) w Boulder w stanie Kolorado za pomocą specjalistycznych laserów. Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology przewidują, że w przyszłości ultraniskie mogą być używane do budowy lepszych komputerów kwantowych. Według Europejskiej Agencji Kosmicznej najzimniejszym miejscem we Wszechświecie jest położona około 5 tys. lat świetlnych od Ziemi Mgławica Bumerang. Tam średnia temperatura wynosi minus 272 stopnie Celsjusza.