„Atomowy oddech” może być jednym z elementów technologii kwantowych
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Po raz pierwszy udało się dwukrotnie wykryć poruszający się pojedynczy foton, nie niszcząc go przy tym. To ważna osiągnięcie, gdyż dotychczas foton ulegał zwykle zniszczeniu podczas jego rejestrowania. Najnowsze osiągnięcie może przyczynić się do powstania szybszych i bardziej odpornych na zakłócenia sieci optycznych i komputerów kwantowych.
Zwykle wykrycie fotonu wiąże się z jego zaabsorbowaniem. Jednak foton może nieść ze sobą cenne informacje, a w takich przypadkach specjaliści woleliby mieć możliwość odczytania tych danych i przepuszczenia fotonu dalej, do miejsca docelowego. Żadna metoda detekcji nie jest w 100% skuteczna, zawsze istnieje ryzyko, że coś się prześliźnie niewykryte, mówi jeden z autorów badań, Stephan Welte, fizyk kwantowy z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w niemieckim Garching. Dlatego też możliwość niedestrukcyjnego wykrywania fotonów jest tak ważna – ustawienie detektorów jeden za drugim zwiększa szanse, że wykryjemy wszystkie interesujące nas fotony.
Dotychczas opracowano różne sposoby wykrywania fotonu bez jego niszczenia. Często polegają one na interakcji fotonu z jonem, nadprzewodzącym kubitem lub innymi systemami kwantowymi. Jednak w ten sposób możemy albo wykonać pojedynczą niedestrukcyjną rejestrację poruszającego się fotonu, albo liczne niedestrukcyjne odczyty stacjonarnego fotonu uwięzionego we wnęce.
Teraz naukowcy z Niemiec dwukrotnie wykryli pojedynczy foton wędrujący światłowodem. Wykorzystali w tym celu skonstruowany przez siebie niedestrukcyjny detektor zbudowany z pojedynczego atomu rubidu uwięzionego w odbijającej wnęce. Foton, wpadając do wnęki, odbija się od jej ścian, zmieniając stan kwantowy atomu, co można wykryć za pomocą lasera. Uczeni umieścili dwa takie detektory w odległości 60 metrów od siebie. Wykryły one ten sam foton, nie absorbując go. Welte mówi, że teoretycznie można w ten sposób wykryć pojedynczy foton nieskończoną liczbę razy, jednak w praktyce istnienie 33-procentowe ryzyko, że użycie detektora spowoduje utratę fotonu.
Nowa technologia może w przyszłości pozwolić na śledzenie trasy fotonów. Pozwoli to na przyspieszenie pracy systemów kwantowych, gdyż będziemy w stanie upewniać się, że zakodowane w fotonach informacje dotrą tam, gdzie powinny.
Powiedzmy, że chcesz wysłać kwantową informację z Monachium do Nowego Jorku. Możesz w międzyczasie wielokrotnie sprawdzać, czy foton nie został po drodze utracony, np. sprawdzając, czy dotarł do Paryża. Jeśli okaże się, że foton zgubił się po drodze, można będzie natychmiast wysłać go ponownie. Nie trzeba będzie czekać na zakończenie całej transmisji, by upewnić się, że wszystko poszło tak, jak powinno, wyjaśnia główny autor badań, Emanuele Distante.
Twórcy nowych detektorów uważają, że nie można ich będzie wykorzystać do podsłuchania kwantowej komunikacji. To jak śledzenie przesyłek. Możesz dowiedzieć się, gdzie jest paczka, ale nic nie wiesz o jej zawartości. Foton zawiera w sobie pewną kwantową informację. Możesz w sposób niedestrukcyjny go wykryć, ale nie odczytać, stwierdza Welte.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcom z polsko-niemieckiego zespołu badawczego Politechniki Wrocławskiej, Uniwersytetów z Augsburga i Münster oraz z Monachium udało się wymieszać nanoskalowe fale dźwiękowe z kwantami światła. W badaniach, których wyniki zostały właśnie opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Optica, wykorzystali sztuczny atom, który przekształca drgania fali dźwiękowej z niespotykaną dotąd precyzją w pojedyncze kwanty światła – fotony.
Fale świetlne i dźwiękowe stanowią podstawę nowoczesnych technologii komunikacyjnych. Światło służy do przesyłania danych w globalnej sieci światłowodowej. Natomiast urządzenia wykorzystujące fale dźwiękowe są używane w bezprzewodowej komunikacji między routerami, tabletami lub smartfonami. Te dwie kluczowe technologie trzeba teraz przystosować do nadchodzącej ery komunikacji kwantowej. Kluczowe są tutaj tak zwane hybrydowe technologie kwantowe.
Hybrydowe technologie kwantowe łączą światło i dźwięk
Łączą one odmienne układy kwantowe, wykorzystując wyjątkowe zalety każdego z nich, a jednocześnie przezwyciężając ich ograniczenia. W tej dziedzinie drgania sieci krystalicznej są szczególnie obiecujące – wyjaśnia prof. Hubert Krenner, który kieruje badaniami na Uniwersytecie w Augsburgu. Dodaje, że fonony, bo tak fizycy nazywają te drgania, rozciągają i ściskają dosłownie każdy obiekt osadzony w krysztale, zmieniając w ten sposób jego właściwości fizyczne.
W swoich badaniach naukowcy stosują powierzchniowe fale akustyczne w skali nanometrowej, wprawiając w drgania pojedynczy sztuczny atom, tak zwaną kropkę kwantową, i zmieniając w ten sposób kolor emitowanego światła.
W naszych symulacjach byliśmy w stanie niemal idealnie odtworzyć widma zmierzone w Augsburgu, włączając do naszego modelu nanoskalowe fale dźwiękowe, tak jakby wiązkę fononowego lasera. Przedstawione wyniki badań są kamieniem milowym w rozwoju hybrydowych technologii kwantowych, ponieważ kropka kwantowa emituje pojedyncze kwanty światła, tak zwane fotony, które są precyzyjnie taktowane przez falę dźwiękową - opowiada podekscytowany dr Daniel Wigger, stypendysta NAWA-ULAM, który bada sprzężenie między kropkami kwantowymi a fononami na Uniwersytecie w Münster i na Politechnice Wrocławskiej.
Z kolei dr Matthias Weiß, który obronił doktorat w Instytucie Fizyki w Augsburgu, dodaje, że to fascynujące, że linie widmowe kropek kwantowych wytworzonych w Monachium są tak niezwykle ostre. To pozwoliło nam zaobserwować, jak niewielka energia pojedynczego fononu przesuwa linię widmową kropki kwantowej - tłumaczy dr Matthias Weiß.
Najmniejsze porcje energii
Zespół badawczy zrobił jeszcze jeden kluczowy krok naprzód. Naukowcy użyli drugiej fali dźwiękowej o innej częstości. W widmie kropki kwantowej pojawiły się nowe linie widmowe, które odpowiadają sumie lub różnicy częstości dwóch fal dźwiękowych. Prof. Hubert Krenner zauważa, że zjawisko to jest od dziesięcioleci dobrze znane w optyce jako mieszanie fal.
Wskaźniki laserowe wykorzystują ten proces do generowania zielonego światła. W naszej pracy lasery to fale dźwiękowe, które mieszamy z kwantami światła – mówi prof. Hubert Krenner, który uważa, że precyzja tego zjawiska zapiera dech w piersiach.
Dr Matthias Weiß dodaje, że gdy naukowcy zmienili częstotliwość jednej z dwóch fal dźwiękowych o jedną bilionową, zaobserwowali, jak widmo oscyluje z okresem około pół dnia, zgodnie z przewidywaniami. Sama kropka kwantowa reprezentuje tak zwany kubit, podstawową jednostkę w informatyce kwantowej.
Dr Daniel Wigger zwraca zaś uwagę, że badacze w modelu rozważali kropkę kwantową jako kubit, który jest modulowany przez falę dźwiękową. Poza tym nie musieli przyjmować żadnych założeń. Naukowcy są przekonani, że wyjątkowa zgodność między obliczeniami a wynikami eksperymentów dowodzi, że ich bardzo ogólny model dokładnie opisuje wszystkie kluczowe właściwości. Dlatego powinien mieć zastosowanie również w wielu innych implementacjach kubitów.
Sukces owocem wspólnych nowatorskich badań
W swoich przełomowych badaniach polsko-niemiecka grupa wykorzystuje wieloletnie doświadczenie. Prof. Paweł Machnikowski z Politechniki Wrocławskiej i prof. Tilmann Kuhn z Uniwersytetu w Münster prowadzili pionierskie prace nad teoretycznym opisem sprzężenia między kropkami kwantowymi i fononami, które prof. Hubert Krenner bada eksperymentalnie.
W tym projekcie skorzystaliśmy z wyjątkowego związku między teorią i eksperymentem. Pomocne było też nasze bogate, wspólne doświadczenie, sięgające realizacji projektu europejskiego, a następnie mojego pobytu w zespole prof. Tilmanna Kuhna w Münster w ramach stażu naukowego. Cieszę się, że teraz z kolei dr Daniel Wigger po doktoracie u prof. Tilmanna Kuhna zdecydował się odbyć 2-letni staż w moim zespole naukowym – tłumaczy prof. Paweł Machnikowski, dziekan Wydziału Podstawowych Problemów Techniki PWr.
Zadowolony jest również prof. Tilmann Kuhn z Münster, który dodaje, że do tej pory fonony były często postrzegane jedynie jako uciążliwość w kontrolowaniu stanów kwantowych i podejmowano próby wyeliminowania ich wpływu, na ile było to możliwe.
W pracy pokazujemy, że fonony mogą być używane w wysoce kontrolowany sposób do sterowania układem kwantowym – mówi prof. Tilmann Kuhn.
Praca opublikowana w Optica to pierwszy krok w kierunku przyszłych fononowych technologii kwantowych. Dr Matthias Weiß przeprowadził już nowe eksperymenty, których wyniki dr Daniel Wigger opracowuje na Politechnice Wrocławskiej od strony teoretycznej.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Żelazne nanodruciki z lekami można doprowadzać do zmian nowotworowych za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego. Później wystarczy aktywować 3-elementowy proces zabijania zmienionych chorobowo komórek.
Nad rozwiązaniem pracowali m.in. naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Techniki Króla Abdullaha (KAUST).
Żelazo jest pierwiastkiem niezbędnym do życia (zarówno dla ludzi, jak i dla zwierząt). Ten pierwiastek śladowy wchodzi w skład białek i enzymów, np. hemoglobiny czy enzymów cyklu Krebsa. Jak zauważa Jürgen Kosel z KAUST, dzięki cechom magnetycznym nanocząstki tlenku żelaza znalazły zastosowanie jako środki kontrastowe w obrazowaniu techniką rezonansu magnetycznego (MRI).
Materiały zawierające żelazo są biokompatybilne. Za pomocą nieszkodliwego pola magnetycznego możemy je transportować i koncentrować w wybranym obszarze, obracać lub wprawiać w drgania, tak postąpiliśmy w naszym studium, a także wykrywać za pomocą MRI - opowiada Aldo Martínez-Banderas.
Przykładając pole magnetyczne o niskiej mocy, zespół wprawiał nanodruciki w drgania; zjawisko to prowadziło do powstawania otworów w błonie komórkowej.
Druciki, w których rdzeń z żelaza jest powleczony tlenkiem żelaza, świetnie absorbują podczerwień i się podgrzewają. Ponieważ światło o tej długości penetruje w głąb tkanek, nanodruciki można podgrzewać laserami skierowanymi w miejsce guza. Wykazano, że wydajność konwersji fototermicznej przekraczała 80%, co przekładało się na dużą wewnątrzkomórkową dawkę ciepła.
Za pomocą wrażliwych na pH łączników do nanodrucików rdzeń/otoczka "mocowano" cytostatyk doksorubicynę. Jako że środowisko guza jest zazwyczaj bardziej kwaśne niż zdrowa tkanka, łącznik wybiórczo rozkłada się w lub w pobliżu komórek nowotworowych, uwalniając lek dokładnie tam, gdzie jest potrzebny. Terapia łączona skutkowała niemal całkowitą ablacją komórek nowotworowych i była skuteczniejsza niż pojedyncze terapie - podkreśla Martínez-Banderas.
[...] Możliwości żelaznych nanomateriałów sprawiają, że wydają się one bardzo obiecujące, jeśli chodzi o tworzenie biomedycznych nanorobotów - podsumowuje Kosel.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W artykule, opublikowanym właśnie na łamach Physical Review Letters, grupa fizyków wysunęła hipotezę, że fale dźwiękowe... posiadają masę. To zaś by oznaczało, że mogą odczuwać bezpośredni wpływ grawitacji. Uczeni sugerują, że fonony w polu grawitacyjnym mogą posiadać masę. Można by się spodziewać, że zagadnienia z zakresu fizyki klasycznej, takie jak to, są od dawna rozstrzygnięte, mówi główny autor artykułu, Angelo Esposito z Columbia University. Wpadliśmy na to przypadkiem, dodaje.
W ubiegłym roku Alberto Nicolis z Columbia University i Riccardo Penco z Carnegie Mellon University zasugerowali, że fonony mogą mieć masę w materii nadciekłej. Esposito i jego zespół twierdzą, że efekt ten można obserwować też w innych ośrodkach, w tym w zwykłych płynach, ciałach stałych oraz w powietrzu.
Mimo, że masa niesiona przez fonon jest niewielka i wynosi około 10-24 grama, może być mierzalna. Jednak, jeśli próbujemy ją zmierzyć, okaże się że jest ona ujemna, zatem fonon będzie „spadał do góry”, czyli oddalał się od źródła grawitacji.
Gdyby ich masa była dodatnia, opadałyby w dół. Jako, że jest ujemna, opadają w górę, mówi Riccardo Penco. Przestrzeń na jakiej „opadają” jest równie niewielka, co ich masa i zależy od medium, przez który fonon się przemieszcza. W wodzie, gdzie dźwięk przenosi się z prędkością 1,5 kilometra na sekundę, ujemna masa fononu powoduje, że odchylenie wynosi 1 stopień na sekundę. Taki odchylenie bardzo trudno zmierzyć.
Nie jest to jednak niemożliwe. Zdaniem Esposito można by tego dokonać w ośrodku, w którym dźwięk przemieszcza się bardzo wolno. Wykonanie pomiaru powinno być możliwe np. w nadciekłym helu, gdzie prędkość dźwięku może spaść do kilkuset metrów na sekundę. Alternatywnym sposobem dla poszukiwania miniaturowych skutków przechodzenia fononu przez egzotyczne ośrodki może być szczegółowe badania bardzo intensywnych fal dźwiękowych.
Z wyliczeń zespołu Esposito wynika, że trzęsienie ziemi o sile 9 stopni powinno uwolnić tyle energii, że zmiana przyspieszenia dźwięku w polu grawitacyjnym powinna być mierzalna za pomocą zegarów atomowych. Co prawda obecnie dostępna technologia nie jest wystarczająco czuła, by wykryć pole grawitacyjne fal sejsmicznych, ale w przyszłości powinno być to możliwe.
Zanim nie przeczytałem tego artykułu, sądziłem, że fale dźwiękowe nie przenoszą masy, mówi Ira Rothstein z Carnegie Mellon University. To ważne badania, gdyż okazuje się, że w fizyce klasycznej, o której sądzimy, że ją rozumiemy, można znaleźć coś nowego. Wystarczy dokładnie się przyjrzeć, by znaleźć niezbadane obszary.
Esposito nie wie, dlaczego dotychczas nikt nie wpadł na ten pomysł, co jego zespół. Może dlatego, że zajmujemy się fizyką wysokich energii, więc grawitacja to nasz chleb powszedni. To nie żadne teoretyczne czary-mary. Można było wpaść na to już przed wielu laty.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
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
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.