Znajdź zawartość

W amerykańskim Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST) powstał kwantowy detektor, który wykrywa słabe pole elektryczne z czułością ponad 10-krotnie większą niż dotychczas stosowane czujniki. Urządzenie przyda się zarówno w obrazowaniu struktur biologicznych, jak i w fizyce, gdzie może posłużyć m.in. do wykrywania ciemnej materii. Czujnik zbudowano ze 150 jonów berylu uwięzionych w magnetycznej pułapce. Jony spontanicznie ułożyły się w dwuwymiarowy kryształ o średnicy 200 mikrometrów. Niezwykłą czułość struktury uzyskano poprzez kwantowe splątanie ruchu jonów i ich spinów. Pomiary zewnętrznego pola elektrycznego dokonywane są poprzez mierzenia wzbudzenia kryształu, który pod jego wpływem zaczyna drgać przesuwając się w górę i w dół na podobieństwo membrany bębna. Badając zmiany spinu naukowcy są w stanie określić stopień wzbudzenia kryształu. Dzięki temu możliwy jest pomiar pól elektrycznych z ponad 10-krotnie większą dokładnością niż najczulszy z dotychczasowych sensorów. Znaleźliśmy sposób na stworzenie kwantowych stanów splątanych, które są niezwykle czułe na niewielkie przemieszczenia jonów wywoływane słabym polem elektrycznym. To elegancka demonstracja tego, w jaki sposób można wykorzystać efekty kwantowe do uzyskania przewagi nad klasycznymi systemami, wyjaśnia Kevin Gilmore z NIST. Pomiary rozpoczynają się od wykorzystania mikrofal do nadania spinom wszystkich jonów tej samej wartości. Później za pomocą laserów splątano spiny z ruchem jonów. Następnie całość jest wzbudzana za pomocą oscylującego pola elektrycznego. Gdy kryształ drga, te same mikrofale i lasery są wykorzystywane do usunięcia splątania, a informacje o ruchu jonów trafiają do ich spinów. Spiny łatwo jest mierzyć i to właśnie z nich odczytywane są dane o przemieszczeniu się jonów. Splątanie jonów pozwala na usunięcie z nich naturalnego kwantowego szumu. Natomiast później splątanie jest usuwane, gdyż pomiar stanu splątanego bez zniszczenia informacji dzielonych pomiędzy spinem a ruchem jonów jest bardzo trudny. Takie rozwiązanie pozwala na bardzo precyzyjne określenie, na ile pole elektryczne wpłynęło na jony. Gilmore zapewnia, że dzięki takiej architekturze, kryształ może być na tyle czuły, by wykryć obecność aksjonów, hipotetycznych cząstek tworzących ciemną materię, o których sądzi się, że generują niewielkie oscylujące pola elektryczne. Teraz, gdy naukowcy wykazali, że ich architektura działa, rozpoczęli prace nad zbudowaniem większego czujnika. Ich celem jest stworzenie trójwymiarowego kryształu złożonego z około 100 000 jonów. W ten sposób czułość urządzenia powinno zwiększyć się jeszcze 30-krotnie. Jednocześnie staramy się usunąć dominujące źródło szumu, którym są fluktuacje częstotliwości kryształu. Niewykluczone, że w trójwymiarowym krysztale jony będą lepiej schłodzone, co powinno zmniejszyć te fluktuacje, dodaje Gilmore. Jeśli uda się zbudować taki trójwymiarowy kryształ i usunąć z niego dominujące źródło szumu to urządzenie może zostać wykorzystane do wykrywania ciemnej materii. Wiemy, że 85% materii we wszechświecie to ciemna materia. Nie wiemy jednak, z czego jest ona zbudowana. Nasz czujnik może w przyszłości pozwolić na odkrycie tej tajemnicy, stwierdziła teoretyk Ana Maria Rey z Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA), jednego z wiodących amerykańskich instytucji badawczych w dziedzinie fizyki. Wyniki badań szczegółowo opisano na łamach Science. « powrót do artykułu

Eksperyment przeprowadzony na Heriot-Watt University w Edynburgu dowodzi, że obiektywna rzeczywistość nie istnieje. Zespół naukowy prowadzony przez Massimiliano Poiettiego jako pierwszy w historii przeprowadził eksperyment zwany Przyjacielem Wignera. Ten eksperyment myślowy został zaproponowany w 1961 roku przez Eugene'a Wignera. Naukowcy przez kilkadziesiąt lat nie byli w stanie go przeprowadzić, jednak w ubiegłym roku uczeni z Edynburga stwierdzili, że ostatnie postępy w technologiach kwantowych są tak duże, że można pokusić się o próbę eksperymentalnego zweryfikowania Przyjaciela Wignera. Eksperyment Wignera jest bardzo prosty w założeniach. Rozpoczynamy od pojedynczego fotonu, który, po dokonaniu pomiaru, będzie miał polaryzację poziomą lub pionową. Jednak przed pomiarem, zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, foton istnieje w superpozycji, czyli ma jednocześnie oba rodzaje polaryzacji. Wigner zaproponował istnienie przyjaciela, który w laboratorium dokonuje pomiaru fotonu i zachowuje informację o jego polaryzacji. Wigner obserwuje wszystko z daleka. Jako, że nie ma informacji o wynikach pomiaru, musi założyć, że wynik pomiaru to superpozycja wszystkich możliwych wyników. Z punktu widzenia Wignera, superpozycja istnieje. A jeśli tak, to pomiar nie miał miejsca. Jednak dla jego przyjaciela foton ma jedną konkretną polaryzację. Może on nawet poinformować Wignera, że dokonał pomiaru. O ile jednak nie poinformuje o jego wyniku, dla Wignera foton będzie w superpozycji. Mamy więc tutaj do czynienia z dwiema różnymi rzeczywistościami. To zaś poddaje w wątpliwość obiektywizm faktów z punktu widzenia różnych obserwatorów, mówi Proietti. W ubiegłym roku Caslav Brukner z Uniwersytetu w Wiedniu wpadł na pomysł, w jaki sposób można by przeprowadzić eksperyment Przyjaciela Wignera, używając wtym celu wielu splątanych cząstek. Przełomowy eksperyment został wykonany przez Proiettiego i jego zespół. Podczas wysoce zaawansowanego eksperymentu, w którym wykorzystaliśmy 6 fotonów, zrealizowaliśmy scenariusz Przyjaciela Wignera, mówi Proietti. Naukowcy wykorzystali 6 splątanych fotonów do stworzenia dwóch odmiennych rzeczywistości. Jedna reprezentowała Wingera, druga jego przyjaciela. Przyjaciel mierzy polaryzację fotonu i zapisuje wynik. Później Wigner dokonuje pomiaru, by stwierdzić, czy wcześniejszy pomiar i foton są w superpozycji. Eksperyment nie dał jednoznacznych wyników. Okazało się, że obie rzeczywistości, ta przyjaciela i ta Wignera mogą istnieć jednocześnie, mimo że dają sprzeczne wyniki. Przeprowadzony w Edynburgu eksperyment każe zadać pytania o naturę rzeczywistości. Pomysł, że obserwatorzy mogą pogodzić uzyskane przez siebie wyniki opiera się na kilku założeniach. Przede wszystkim na tym, że rzeczywistość obiektywna istnieje i obserwatorzy mogą się co do niej zgodzić. Jednak istnieją też inne założenia. Na przykład takiego, że obserwatorzy mogą dokonywać dowolnych obserwacji, czy też, że wybory jednego obserwatora nie wpływają na wybory drugiego. Jeśli istnieje obiektywna rzeczywistość, to wszystkie te założenia można utrzymać. Jednak eksperyment Proiettiego poddaje w wątpliwość istnienie obiektywnej rzeczywistości. Oznacza to, że przynajmniej jedno z założeń – że istnieje rzeczywistość, co do której możemy się umówić, że mamy wolny wybór lub też, że wybory jednego obserwatora nie wpływają na wybory drugiego – jest nieprawdziwe. Oczywiście możemy też założyć, że w samym eksperymencie istnieje jakaś dziura, coś czego naukowcy nie zauważyli, a co wpływa na jego wynik. Fizycy od lat próbują odnaleźć i zamknąć takie dziury w podobnych eksperymentach, ale przyznają, że być może nigdy nie będzie możliwe, by je wszystkie usunąć. Tak czy inaczej badania Proiettiego mają duże znaczenie dla nauki. Metoda naukowa bazuje na faktach ustalanych przez powtarzalne eksperymenty, których wyniki zostały szeroko zaakceptowane, niezależnie od obserwatora, mówi Proietti. Jednak jego własny eksperyment wykazał, że różni obserwatorzy mogą doświadczać różnej rzeczywistości. Kolejnym logicznym etapem badań wydaje się projektowanie takich eksperymentów, które będą dawały coraz bardziej dziwne i coraz bardziej rozłączne wyniki dla różnych obserwatorów. « powrót do artykułu

Polak, profesor Artur Ekert, wykorzystał chińskiego satelitę Micius do zabezpieczenia za pomocą splątania kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego (QKD) na rekordową odległość 1120 kilometrów. Został on przesłany pomiędzy dwoma chińskimi obserwatoriami. Ekert już w swojej pracy doktorskiej wykazał, jak wykorzystać splątanie kwantowe do zabezpieczenia informacji. Obecnie uczony specjalizuje się w przetwarzaniu informacji w systemach kwantowo-mechanicznych. Satelita Micius został wystrzelony w 2016 roku. Generuje on kwantowo splątane pary fotonów. Już w 2017 roku Micius udowodnił, że jest w stanie wysłać splątane fotony do odbiorców oddalonych od siebie o 1200 kilometrów. Teraz wiemy, że możliwe jest też wykorzystanie go do kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego (QKD) zabezpieczonej za pomocą splątania kwantowego. Ekert i jego grupa znacząco poprawili rekord w odległości kwantowej dystrybucji klucza szyfrującego. Dotychczas udało się go przesłać na odległość 100 kilometrów za pomocą światłowodu. Światłowody są dobre na średnie odległości, jakieś 30 do 50 kilometrów. Jednak generują zbyt duży szum na dłuższych dystansach, wyjaśnia uczony. Najnowszy system komunikacji charakteryzuje odsetek błędów rzędu 4,5%. To niezwykle ważna cecha przyszłych systemów komunikacji kwantowej, gdyż jakakolwiek próba jej podsłuchania skończy się zwiększeniem odsetka błędów. Zatem niezwykle ważne jest, by znajdował się on na niskim poziomie, gdyż w ten sposób łatwo będzie wyłapać dodatkowe błędy i odkryć próbę podsłuchu. Prace Ekerta i jego chińskich kolegów to pierwszy, ale niezwykle ważny krok w kierunku bezpiecznego kwantowego internetu. Jak czytamy na łamach Nature, QKD pozwala dobrze zabezpieczyć przesyłaną informację. W laboratoriach udało się go przesłać za pomocą światłowodu na odległość 404 kilometrów, jednak w praktyce granicą jest 100 kilometrów. Co prawda odległość tę można zwiększyć, ale wymaga to zastosowania przekaźników. Te zaś stanową słabe punkty systemu. Długodystansową kwantową dystrybucję klucza można by zabezpieczyć za pomocą splątania kwantowego, jednak to wymagałoby zastosowania kwantowych przekaźników, których technologia jest dopiero w powijakach i nie nadaje się do zastosowań w praktyce. Stąd też pomysł na wykorzystanie satelity, który pozwala wysłać dane na większą odległość bez konieczności uciekania się do pomocy zaufanych stacji przekaźnikowych. Dzięki wyspecjalizowanemu satelicie oraz obserwatoriom wyposażonym w odpowiednie urządzenia udało się dokonać zabezpieczonej splątaniem kwantowej dystrybucji klucza pomiędzy ośrodkami oddalonymi od siebie w linii prostej o 1120 kilometrów. Tempo przesyłania klucza wynosiło 0,12 bita na sekundę. Prędkość nie jest oczywiście imponująca, jednak Ekert i naukowcy z Hefei, Szanghaju, Chengdu i Singapuru wykazali, że można wysyłać superbezpieczne dane na duże odległości minimalizując liczbę urządzeń, przez które one przechodzą. « powrót do artykułu

Grupa naukowców z Uniwersytetu w Oksfordzie donosi o udanym splątaniu bakterii z fotonami. W październikowym numerze Journal of Physics ukazał się artykuł zespołu pracującego pod kierunkiem Chiary Marletto, który przeanalizował eksperyment przeprowadzony w 2016 roku przez Davida Colesa i jego kolegów z University of Sheffield. Podczas wspomnianego eksperymentu Coles wraz z zespołem umieścili kilkaset chlorobakterii pomiędzy dwoma lustrami i stopniowo zmniejszali odległość pomiędzy nimi tak, aż dzieliło je zaledwie kilkaset nanometrów. Odbijając białe światło pomiędzy lustrami naukowcy chcieli spowodować, by fotosyntetyczne molekuły w bakteriach weszły w interakcje z dziurą, innymi słowy, bakterie miały ciągle absorbować, emitować i ponownie absorbować odbijające się fotony. Eksperyment okazał się sukcesem. Sześć bakterii zostało w ten sposób splątanych z dziurą. Jednak Marletto i jej zespół twierdzą, że podczas eksperymentu zaszło coś więcej, niż jedynie połączenie bakterii z dziurą. Przeprowadzone analizy wykazały, że sygnatura energetyczna pojawiająca się podczas eksperymentu jest właściwa dla splątania molekuł wewnątrz bakterii e światłem. Wydaje się, że niektóre fotony jednocześnie trafiały w molekuły i je omijały, a to właśnie dowód na splątanie. Nasze modele dowodzą, że zanotowano sygnaturę splątania pomiędzy światłem a bakterią, mówi pani Marletto. Po raz pierwszy udało się dokonać splątania kwantowego w żywym organizmie. Istnieje jednak wiele zastrzeżeń, mogących podważać wnioski grupy Marletto. Po pierwsze i najważniejsze, dowód na splątanie zależy od tego, w jaki sposób zinterpretujemy interakcję światła z bakterią. Marletto i jej grupa zauważają, że zjawisko to można opisać też na gruncie klasycznego modelu, bez potrzeby odwoływania się do efektów kwantowych. Jednak, jak zauważają, nie można tego opisać modelem „półklasycznym”, w którym do bakterii stosujemy zasady fizyki newtonowskiej, a do fotonu fizykę kwantową To zaś wskazuje, że mieliśmy do czynienia z efektami kwantowymi dotyczącymi zarówno bakterii jak i fotonu. To trochę dowód nie wprost, ale sądzę, że wynika to z faktu, iż oni próbowali bardzo rygorystycznie podejść do tematu i nie wysuwali twierdzeń na wyrost, mówi James Wootton z IBM Zurich Research Laboratory, który nie był zaangażowany w badania. Z kolei Simon Gröblacher z Uniwersytetu Technologicznego w Delft zwraca uwagę na kolejne zastrzeżenie. Otóż energię bakterii i fotonu zmierzono wspólnie, nie osobno. To pewne ograniczenie, ale wydaje się, że miały tam miejsce zjawiska kwantowe. Zwykle jednak gdy chcemy dowieść splątania, musimy osobno zbadać oba systemy. Wiele zespołów naukowych próbuje dokonać splątania z udziałem organizmów żywych. Sam Gröblacher zaprojektował eksperyment, w którym chce umieścić niesporczaki w superpozycji. Chodzi o to, by zrozumieć nature rzeczy i sprawdzić czy efekty kwantowe są wykorzystywane przez życie. W końcu u swoich podstaw wszystko jest kwantem, wyjaśnia współpracownik Marletto, Tristan Farrow. « powrót do artykułu

Fizycy z Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii poinformowali o splątaniu 18 kubitów. To największa jak dotychczas liczba splątanych kubitów z zachowaniem kontroli nad pojedynczym kubitem. Jako, że każdy z kubitów może reprezentować 2 stany, możemy w tym przypadku uzyskać 262 144 kombinacje ich stanów (218). Artykuł opisujący osiągnięcie Xi-Lin Wanga i jego kolegów został opublikowany na łamach Physical Review Letters. W artykule informujemy o splątaniu 18 kubitów, co rozszerza efektywną przestrzeń Hilberta do 262 144 wymiarów z pełną kontrolą o trzech stopniach swobody dla sześciu fotonów, w tym z kontrolą ich polaryzacji, orbitalnego momentu pędu oraz drogi, stwierdził współautor badań Chao-Yang Lu. To największa jak dotąd liczba splątanych kubitów. Splątywanie coraz większej liczby kubitów interesuje nie tylko specjalistów zajmujących się badaniami podstawowymi. Stanowi to jedno z głównych wyzwań informatyki kwantowej. Istnieją dwa sposoby na splątanie większej liczby kubitów. Można albo dodawać kolejne cząstki do już splątanych, albo wykorzystywać dodatkowe stopnie swobody splątanych cząstek. Gdy korzystamy z dodatkowych stopni swobody mówimy o hipersplątaniu. Jak dotychczas największymi osiągnięciami na tym polu było splątanie 14 jonów z jednym stopniem swobody oraz pięciu fotonów z dwoma stopniami swobody, co odpowiada 10 kubitom. Mimo, że przejście od dwóch do trzech stopni swobody stanowi poważne wyzwanie, chińskim naukowcom udało się uzyskać nie tylko trzy stopnie swobody, ale i zwiększyć liczbę fotonów do sześciu, przez co uzyskali 18 splątanych kubitów. Użycie dodatkowych stopni swobody niesie ze sobą liczne korzyści. Na przykład zwiększenie z dwóch do trzech stopni swobody oznacza, że każdy foton może znajdować się nie w czterech, a w ośmiu różnych stanach. Ponadto hipersplątany 18-kkubitowy stan z trzema stopniami swobody jest o 13 rzędów wielkości bardziej efektywny niż  18-kubitowy stan składający się z 18 fotonów o pojedynczym stopniu swobody. Dzięki naszej pracy uzyskaliśmy nową platformę do optycznego przetwarzania informacji kwantowej. Możliwość kontrolowania 18 kubitów pozwala nam na przeprowadzenie niedostępnych dotychczas badań, takich jak na przykład wykorzystanie kodu Raussendorfa-Harringtona-Goyala do korekcji błędów czy teleportacji trzech stopni swobody pojedynczego fotonu, mówi Lu. « powrót do artykułu