Квантовый барьер: ученые доказали, что универсальная очистка от шумов в запутанных состояниях невозможна

 

В царстве квантовых технологий, где такие странные и тонкие явления, как запутывание, составляют основу футуристических вычислений и безопасных коммуникаций, существует одна досадная проблема: шум. В новом исследовании ученые из Чикагского университета и компании Microsoft выявили фундаментальные ограничения на то, насколько эффективно можно «очистить» квантовые системы от шума окружающей среды. Это открытие может помочь определить будущее практических квантовых сетей. Исследование, недавно опубликованное в журнале Physical Review Letters, решает давнюю проблему: возможно ли разработать единый протокол, способный очистить запутанные квантовые состояния, независимо от конкретных несовершенств или шумов, которые эти состояния могли подхватить. Результаты исследования показали, что на фундаментальном уровне ни один универсальный протокол не может устранить шум из запутанных состояний. Вместо этого стратегии уменьшения шума должны быть адаптированы к конкретным характеристикам каждой квантовой системы. «В квантовой информации мы часто надеемся на протокол, который работает во всех сценариях — своего рода панацею», — сказал в пресс-релизе соавтор исследования и профессор молекулярной инженерии Чикагского университета доктор Тянь Чжун. «Этот результат показывает, что когда речь идет об очистке запутанности, это просто слишком хорошо, чтобы быть правдой». Квантовая запутанность, которую Эйнштейн назвал «жутким действием на расстоянии», лежит в основе многого из того, чего ученые надеются достичь с помощью квантовых компьютеров, квантовой связи и квантового интернета. Однако поддержание высокого качества запутанных состояний, как известно, дело непростое. Помехи окружающей среды и несовершенство устройств ухудшают точность запутывания, ставя под угрозу производительность квантовых устройств. Хотя существуют такие методы, как квантовое исправление ошибок, в настоящее время они слишком ресурсоемки для технологий ближайшего будущего. Именно здесь на помощь приходит очистка запутанности. Протоколы очистки пытаются взять несколько несовершенных (зашумленных) запутанных состояний и выделить из них меньшее количество более чистых состояний с более сильными корреляциями. Заметно менее требовательные, чем полная коррекция ошибок, эти методы рассматриваются как практический путь к созданию высокоточных запутанных связей в крупномасштабных квантовых сетях. Однако до сих пор исследователи не были уверены, что универсальный метод очистки — тот, который работает в каждом случае, независимо от конкретных ошибок — вообще теоретически возможен. По мнению исследователей из Чикагского университета и компании Microsoft, ответ на этот вопрос отрицательный. Команда доказала «теорему о невозможности», используя сложные математические инструменты для так называемых универсальных монотонных протоколов очистки, не зависящих от входных данных. Проще говоря, они показали, что ни один протокол с локальной операцией и классической связью (LOCC) не может одновременно гарантировать улучшение для всех возможных двухкубитных запутанных состояний. Это открытие закрывает важный открытый вопрос в квантовой теории информации. Тем не менее, выводы не были полностью пессимистичными. Команда обнаружила, что если расширить набор инструментов очистки за пределы LOCC, включив в него операции, сохраняющие положительную частичную транспонированность (PPT), универсальная очистка становится возможной — но только для состояний с точностью запутанности выше 50%. Эти операции выходят за рамки того, что физически возможно реализовать с помощью нынешних технологий, но дают теоретический план того, что может быть создано в будущем. Исследование также предостерегает от того, чтобы полагаться на существующие методы. Широко используемый протокол очистки DEJMPS хорошо работает для определенных структурированных зашумленных состояний, но, как показано в данной работе, даже сложные схемы билокальной очистки запутанности Клиффорда (biCEP) не могут достичь универсальности. Ученые доказали, что даже когда входные состояния предварительно упорядочены по точности или даже когда для помощи предоставляются дополнительные идеальные состояния Белла, билинейные клиффордовские схемы не превосходят простейшего решения — отбрасывания более зашумленных состояний и сохранения только лучшей пары. Эта работа дает важные указания для следующего этапа разработки квантовых сетей. Поскольку будущие технологии приближаются к глобальному квантовому интернету — идее, которую активно продвигали такие пионеры квантовой физики, как Х. Дж. Кимбл, — практические методы работы с неидентичными, зашумленными, запутанными состояниями станут критически важными. Полученные результаты означают, что любая архитектура, нацеленная на реализацию квантовых ретрансляторов первого поколения или распределенных квантовых компьютеров, должна планировать значительные затраты ресурсов, особенно в случае непредсказуемого изменения характера ошибок. Авторы предлагают несколько различных направлений для дальнейшей работы. Могут ли аналогичные ограничения быть установлены для более сложных многочастичных состояний запутанности или более высокоразмерных кубитных систем? Может быть, до сих пор неизвестны универсальные методы очистки за пределами билокальных схем Клиффорда, которые позволяют обойти найденные здесь ограничения? Также остается неясным, могут ли определенные подходы, основанные на симметрии, помочь преодолеть операционный разрыв между достижимыми схемами PPT и тем, что позволяет LOCC. Команда также отметила, что высокоструктурированные или смещенные модели шума (характерные для некоторых аппаратных платформ, таких как нейтральные атомы или «кошачьи» кубиты) по-прежнему лучше поддаются существующим методам очистки. Хотя универсальность может быть недостижима, остается надежда, что целенаправленная очистка, адаптированная к конкретным шумовым ландшафтам, все же сможет обеспечить почти оптимальную производительность, не требуя полной характеристики состояния. «Важно подчеркнуть, что мы не утверждаем, будто протоколы очистки не работают», — отметил соавтор работы, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники д-р Эрик Читамбар. «Но ни один метод не работает во всех случаях».

Ученые сократили верхний предел массы нейтрино в два раза

 

Международная группа ученых в рамках проекта KATRIN объявила новый верхний предел массы нейтрино — загадочных «частиц-призраков», которые могут помочь раскрыть тайны Вселенной. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Science, масса нейтрино не превышает 0,45 электронвольт — это вдвое меньше предыдущей оценки, полученной в 2022 году. Почему это важно? Нейтрино — самые распространенные частицы во Вселенной, появившиеся после Большого взрыва 13,8 миллиарда лет назад. Они не имеют заряда и почти не взаимодействуют с веществом: триллионы нейтрино ежесекундно проходят сквозь наши тела, не оставляя следа. «Масса нейтрино влияет на формирование крупномасштабных структур космоса, связывая микро- и макромир», — пояснил Тьерри Ласерр, физик из Французской комиссии по альтернативной энергии и атомной энергии. Как измерили невидимое? Эксперимент KATRIN проводится в Карлсруэском технологическом институте (Германия) с участием более 100 ученых из шести стран. Установка весом 200 тонн использует спектрометр для анализа распада трития — радиоактивного изотопа водорода, который испускает электроны и нейтрино. Поскольку энергия между электроном и нейтрино распределяется, ученые измеряют энергию электронов, чтобы вычислить массу нейтрино. Для новых результатов потребовалось проанализировать 36 миллионов электронов — в шесть раз больше, чем в 2022 году. Связь с темной материей и энергией Нейтрино, несмотря на их крошечную массу, могут играть роль в объяснении темной энергии — загадочной силы, ускоряющей расширение Вселенной. Кроме того, проект KATRIN готовится к поиску стерильных нейтрино — гипотетических тяжелых частиц, которые некоторые ученые считают кандидатами на роль темной материи. «Если стерильные нейтрино существуют, они могут полностью изменить наше понимание Вселенной», — отметил Ласерр. Пока нейтрино остаются одними из самых неуловимых частиц, но каждый новый эксперимент приближает науку к разгадке их природы.

Космический сбой: ученые обнаружили аномалию гравитации

Наконец, в космосе замечено некоторое несоответствие Общей теории относительности Эйнштейна. Ошибка в расчетах или разгадка одной из величайших тайн физики?

Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что гравитацию создает искривление пространства-времени. Но если увеличить масштаб до скоплений галактик, охватывающих миллиарды световых лет в поперечнике, расчеты теории гравитации Эйнштейна, похоже, слегка пошатнутся.

«Это похоже на то, как будто сама гравитация перестает идеально соответствовать теории Эйнштейна. Мы просто пытались увидеть, есть ли какие-либо отклонения в максимально возможных масштабах», — сказал Робин Вен из Университета Ватерлоо (Канада), первый автор исследования, вышедшего в Journal of Cosmology and Astroarticle Physics.Выяснилось, что гравитация становится примерно на 1% слабее в очень больших масштабах. Если бы гравитация вела себя согласно теории Эйнштейна, то этой разницы в 1% не существовало бы. Космологи, конечно, не собираются отказываться от Общей теории относительности, она по-прежнему очень точна, но если этот сбой найдет подтверждение, он поможет космологам объяснить некоторые из величайших загадок Вселенной.

Авторы просматривали данные о космическом микроволновом фоне, когда обнаружили очевидную аномалию. Космический микроволновый фон — остаток излучения после Большого взрыва. Ученые используют его, чтобы понять самые ранние стадии развития Вселенной. Вэн и его коллеги сравнили теоретические предсказания с данными наблюдений и нашли расхождение. Однако, когда они подправили теорию Эйнштейна, чтобы учесть недостаток гравитации в 1%, их модель стала более точно соответствовать данным наблюдений. Поправка на 1% может показаться не такой уж большой проблемой, но ее достаточно, чтобы предположить, что теория Эйнштейна, возможно, нуждается в уточнении.

Это не первый раз, когда измерения одного и того же явления не согласуются друг с другом. Один из примеров — «напряжение Хаббла». Согласно Стандартной модели физики, скорость расширения Вселенной должна быть везде одинаковой. Однако наблюдения показывают, что в ближней Вселенной она выше, чем в дальней. Это все еще одна из загадок современной физики.

Открытый недавно гравитационный сбой может предложить объяснение. Снижение гравитации на 1% в больших масштабах могло бы уменьшить и «хаббловское напряжение», приблизив скорость расширения Вселенной к измерениям местных наблюдений. Тот факт, что космический сбой может помочь разрешить противоречие — признак того, что он, может быть, действительно существует. Но есть вероятность, что это просто статистическая ошибка — нужно больше исследований, говорят авторы.

Астрофизики изучат новые данные спектроскопического прибора темной энергии (DESI). DESI измеряет влияние темной энергии на скорость расширения Вселенной, он создал самую большую на сегодняшний день трехмерную карту космоса. Более того, DESI обнаружил, что темная энергия в больших космологических масштабах ведет себя не так, как предсказывают расчеты. Вэн хочет выяснить, связано ли это с «космическим сбоем», это дало бы еще больше доказательств необходимости корректировки Общей теории относительности.

Первое измерение ширины W-бозона на БАКе

 

    В новом исследовании, проведенном на БАКе, физикам удалось определить точную ширину W-бозона, фундаментальной частицы, участвующей в слабых взаимодействиях в природе. Фундаментальные частицы, такие как W-бозон Открытие бозона Хиггса в 2012 году ознаменовало значительный прогресс в нашем понимании фундаментальной физики, заполнив важнейший пробел в Стандартной модели. Однако этот прорыв оставил после себя постоянные вопросы: что лежит за пределами этой устоявшейся структуры? Где находятся новые явления, способные раскрыть оставшиеся тайны Вселенной, такие как природа темной материи и происхождение асимметрии материи и антиматерии? Для изучения этих вопросов исследователи обращаются к другим фундаментальным частицам, таким как W-бозон, участвующий в слабых ядерных взаимодействиях, которые представляют собой одну из четырех фундаментальных сил природы. Эти взаимодействия отвечают за такие процессы, как бета-распад атомных ядер. Более конкретно, роль этого бозона заключается в переносе слабых сил, что позволяет ему влиять на распады частиц.

    Важность массы Изучение ширины W-бозона имеет особое значение. Это измерение — важнейший параметр, который может дать подсказки о новых физических явлениях, выходящих за рамки Стандартной модели. В рамках исследования коллаборация ATLAS провела новое измерение ширины W-бозона на БАКе, используя данные протон-протонных столкновений. Отметим, что ширина частицы напрямую связана с ее временем жизни и предсказывает способ ее распада на другие частицы. Поэтому любое значительное отклонение от оценок может указывать на наличие необъяснимых явлений. Поясним, когда W-бозон распадается, он превращается в другие частицы, в частности в электроны или мюоны, а также в нейтрино. Все они обладают определенным импульсом или энергией, которые могут быть измерены и проанализированы детекторами. Внимательно изучая эти кинематические свойства, исследователи могут реконструировать характеристики распада W-бозона, что позволяет определить естественную ширину этого распада, то есть диапазон возможных импульсов испускаемых частиц. Сравнив экспериментальное измерение ширины W-бозона с теоретическими предсказаниями, основанными на Стандартной модели, ученые смогут оценить, есть ли между ними существенные расхождения. Если это так, то в конечном итоге это может свидетельствовать о наличии новых частиц или новых взаимодействий.

Начинается новый сезон в физике — Большой адронный коллайдер готов к работе на максимальной энергии.

 

Спустя десять лет после открытия бозона Хиггса Большой адронный коллайдер готов начать сталкивать протоны на беспрецедентных уровнях энергии в своем стремлении раскрыть больше секретов о том, как устроена Вселенная. Крупнейший и самый мощный в мире коллайдер частиц снова заработал в апреле после трехлетнего перерыва на модернизацию в рамках подготовки к третьему запуску.Со вторника он будет работать круглосуточно в течение почти четырех лет с рекордной энергией в 13,6 трлн электронвольт, сообщила Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Коллайдер направит два луча протонов — частиц в ядре атома — в противоположных направлениях почти со скоростью света по 27-километровому кольцу, расположенного на глубине 100 метров под швейцарско-французской границей. Результирующие столкновения будут зарегистрированы и проанализированы тысячами ученых в рамках множества экспериментов, включая ATLAS, CMS, ALICE и LHCb, которые будут использовать повышенную мощность для исследования темной материи, темной энергии и других фундаментальных тайн вселенной.  «Мы стремимся обеспечить 1,6 миллиарда протон-протонных столкновений в секунду», сказал глава ЦЕРН по ускорителям и технологиям Майк Ламонт. На этот раз протонные пучки будут сужены до менее чем 10 микрон (толщина человеческого волоса составляет около 70 микрон), чтобы увеличить частоту столкновений. Новый уровень энергии позволит продолжить изучение бозона Хиггса, который впервые наблюдался Большим адронным коллайдером 4 июля 2012 года. Это открытие произвело революцию в физике отчасти потому, что бозон соответствовал Стандартной модели — основной теории всех фундаментальных частиц, составляющих материю, и сил, которые ими управляют. Однако несколько недавних открытий вызвали вопросы о Стандартной модели, и недавно модернизированный коллайдер позволит более подробно изучить бозон Хиггса. Прошлые эксперименты определили массу бозона Хиггса, а также более 60 составных частиц, предсказанных Стандартной моделью, таких как тетракварк.  Джан Джудиче, глава отдела теоретической физики ЦЕРНа, сказал, что наблюдение за частицами — это только часть работы. «Физика элементарных частиц не просто хочет понять, как — наша цель — понять, почему», — сказал он. Среди девяти экспериментов Большого адронного коллайдера — ALICE, который исследует материю, существовавшую в первые 10 микросекунд после Большого взрыва, и LHCf, который использует столкновения для имитации космических лучей . После этого запуска коллайдер вернется в 2029 году как БАК высокой светимости, увеличив количество обнаруживаемых событий в 10 раз. Кроме того, ученые планируют построить новый круговой коллайдер (Future Circular Collider) — 100-километровое кольцо, цель которого — достичь энергии в колоссальные 100 триллионов электронвольт. Но пока физики с нетерпением ждут результатов третьего запуска Большого адронного коллайдера.

Физики в три раза уменьшили давление, необходимое для сверхпроводимости при комнатной температуре.

 Менее чем через два года после открытием материала, способного к сверхпроводимости при комнатной температуре при очень высоком давлении, группа физиков UNLV снова подняла планку, воспроизведя сверхпроводимость при самом низком давлении из когда-либо зарегистрированных.

Другими словами, сейчас ученые ближе, чем когда-либо, к пригодному для использования воспроизводимому материалу, который однажды может произвести революцию в способах транспортировки энергии.

Физик UNLV Ашкан Саламат и его коллега Ранга Диас, в 2020 году попали в заголовки газет, впервые сообщив о сверхпроводимости при комнатной температуре.

Чтобы достичь этого, ученые химически синтезировали смесь углерода, серы и водорода сначала в металлическое состояние, а затем еще дальше в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре с использованием экстремального давления — 267 гигапаскалей — условия, которые можно найти в природе только вблизи центра Земли.

Менее чем через два года ученые повторили подвиг, но при давлении уже 91 ГПа, что составляет примерно одну треть давления, о котором сообщалось изначально.

Важное открытие

Благодаря детальной настройке состава углерода, серы и водорода, использованных в первоначальном исследовании, ученые сейчас могут производить материал при более низком давлении, который сохраняет свое состояние сверхпроводимости при температуре около 15 градусов.

«Это давление на уровне, который трудно понять и оценить за пределами лаборатории, но наша текущая траектория показывает, что можно достичь относительно высоких температур сверхпроводимости при постоянно более низких давлениях — что является нашей конечной целью», — сказал ведущий автор исследования Грегори Смит из Лаборатории экстремальных условий UNLV (NEXCL).

«В конце концов, если мы хотим, чтобы устройства приносили пользу обществу, мы должны уменьшить давление, необходимое для их создания».

Хотя давление по-прежнему высокое — примерно в тысячу раз выше, чем на дне Марианской впадины Тихого океана — оно продолжает стремиться к цели, близкой к нулю. Эта гонка экспоненциально набирает обороты в UNLV, поскольку ученые все лучше понимают химические отношения между углеродом, серой и водородом, из которых состоит материал.

Святой Грааль энергоэффективности

Сверхпроводимость — замечательное явление, впервые наблюдавшееся более века назад, но только при удивительно низких температурах, которые препятствовали любой мысли о практическом применении.

Только в 1960-х годах ученые предположили, что такой подвиг возможен при более высоких температурах.

Открытие в 2020 году сверхпроводника при комнатной температуре взбудоражило научный мир отчасти потому, что технология поддерживает электрический поток с нулевым сопротивлением, а это означает, что энергия, проходящая через цепь, может передаваться бесконечно и без потери мощности.

Это может иметь серьезные последствия для хранения и передачи энергии, поддерживая все, от более качественных аккумуляторов для мобильных телефонов до более эффективной энергосистемы.

Квантовые батареи могут заряжать электромобиль за 3 минуты.

 

Квантовые батареи, в настоящее время являющиеся теоретическими устройствами, могли бы, помимо прочего, значительно ускорить время зарядки. Но до сих пор было неясно, на сколько именно. Группа исследователей из Института фундаментальной науки (IBS) в Корее недавно продемонстрировала, что квантовые батареи могут увеличить скорость зарядки в 200 раз. Хотя на дорогах появляется все больше и больше электромобилей, по-прежнему существует множество проблем с их производством и использованием. Некоторые из этих проблем связаны с используемыми батареями и их емкостью/скоростью зарядки. В последнее время, как отмечается в пресс-релизе Института фундаментальных наук, в котором говорится об открытии, емкость батарей значительно улучшилась. С другой стороны, скорость зарядки все еще остается низкой: в среднем на зарядку в домашних условиях уходит от восьми до десяти часов, а на станциях быстрой зарядки - около 30 минут. Согласно последним расчетам команды, использование квантовых батарей может сократить это время зарядки до трех минут в домашних условиях и даже до нескольких секунд при использовании станций быстрой зарядки. Результаты были опубликованы на сервере arXiv, ожидая подтверждения со стороны научного сообщества.

Многие исследования обратились к квантовой физике для разработки более эффективных батарей. Действительно, эта ветвь физики включает в себя очень специфические механизмы, которые могут изменить игру в этой области. Квантовая физика занимается изучением поведения материи и света на микроскопическом, или атомном, уровне. Ученые обнаружили, что в таких масштабах она ведет себя так, что это противоречит классической физике. При изучении этого поведения возникли новые физические принципы, которые изучаются и сегодня. Одним из ключевых принципов, которые были изучены, является принцип квантовой запутанности. Вкратце, этот принцип относится к тому факту, что две удаленные друг от друга частицы могут образовать связанную систему. Когда происходит квантовая запутанность, можно наблюдать определенные идентичные характеристики запутанных частиц или групп частиц. На самом деле, когда измеряется состояние одной из них, другие запутанные частицы принимают то же значение. Эта связь сохраняется независимо от расстояния, которое может их разделять. Именно этот принцип работает в квантовых батареях, о которых теоретизируют многие ученые. Именно в 2012 году была опубликована работа Алики и Фаннеса, на которой основывались исследователи IBS. В нем они продемонстрировали, что квантовая запутанность может быть использована для значительного ускорения процесса зарядки аккумулятора путем одновременной коллективной зарядки всех его элементов. "Источник этого квантового ускорения заключается в использовании операций запутывания, при которых клетки заряжаются коллективно, как единое целое. В отличие от этого, обычные батареи заряжаются параллельно, что означает, что каждый элемент заряжается независимо от других", — объясняют исследователи IBS в своей публикации. Эта возможность была названа "преимуществом квантового заряда". Как говорится в пресс-релизе института, в котором переосмысливаются расчеты, впоследствии было проведено множество исследований этого знаменитого преимущества квантового заряда. В итоге было установлено, что за ним могут стоять два возможных режима работы. Существует "глобальная работа", при которой все элементы (аккумуляторы в батарее) соединены вместе одновременно, и работа "все ко всем", при которой происходит последовательное соединение два к одному. Это как если бы все элементы в батарее могли вести множество "дискуссий", но в каждой дискуссии было бы только два участника. До сих пор было неясно, какой из этих двух механизмов работает в ускорении зарядки, связанном с квантовыми батареями. Именно в этом заключается открытие, сделанное в результате расчетов, представленных в новом исследовании. По мнению исследователей, операция "все ко всем" не действует, и только "глобальная операция" показывает действительность для преимущества квантового заряда. Они также, как уже упоминалось выше, смогли конкретно рассчитать это квантовое преимущество. Таким образом, они смогли вывести увеличение скорости перезарядки в 200 раз по сравнению с обычной батареей с 200 электрическими элементами. Результатом, как говорится в пресс-релизе, является сокращение времени зарядки автомобиля с десяти часов до трех минут дома и всего до нескольких секунд на зарядной станции. Однако это лишь один из примеров. Ученые видят гораздо больше пользы в том, что их расчеты показывают о будущих квантовых батареях. Они надеются, что они могут быть полезны, например, в будущих электростанциях ядерного синтеза, которые требуют способности накапливать и высвобождать большое количество энергии очень быстро.

Магнит без изоляции создает возможность для устойчивых реакций ядерного синтеза

 

Один из многих способов, с помощью которых ученые работают над реализацией потенциала термоядерного синтеза как практически неиссякаемого и чистого источника энергии, заключается в использовании новых и улучшенных магнитов, которые удерживают поля плазмы для протекания критических реакций. Новый пример, представляющий «революционное изменение» в том, как изготавливаются эти компоненты, может стать ключевой частью головоломки, облегчая создание сверхгорячих и устойчивых потоков плазмы, необходимых для того, чтобы термоядерная энергия стала реальностью.

Магнит был разработан учеными Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) с прицелом на улучшение характеристик так называемых термоядерных реакторов токамак. Эти устройства в форме пончика предназначены для удержания круговых потоков плазмы, которые сплавляют атомы вместе под экстремальным давлением и высокой температурой, постоянно высвобождая огромное количество энергии.

Но одной из многих трудностей в получении этих устойчивых потоков плазмы является угроза, которую они представляют для состояния центрального электромагнита, соленоида, генерирующего электрические токи и магнитное поле.

Энергетические субатомные частицы, называемые нейтронами, исходят из плазмы и могут разрушить изоляцию, покрывающую катушки проводов магнита, что снижает их производительность и долговечность.

«Если мы проектируем электростанцию, которая будет работать непрерывно в течение нескольких часов или дней, то мы не можем использовать существующие магниты», — сказал Юху Чжай, главный инженер PPPL и ведущий автор статьи, описывающей исследование.

«Эти установки будут производить больше высокоэнергетических частиц, чем нынешние экспериментальные установки. Магниты, производимые сегодня, не прослужат достаточно долго для будущих объектов, таких как коммерческие термоядерные электростанции».

Чтобы разработать свой новый тип магнита, ученые создали провода из ниобия и олова, которые были нагреты особым образом, чтобы сформировать новый тип сверхпроводника.

Этот новый материал проводки позволяет пропускать электрические токи при чрезвычайно низких температурах и с небольшим сопротивлением, что снижает потребность в изоляции. В результате проводка менее подвержена деградации и, по словам исследователей, предлагает другие улучшения с точки зрения производительности.

«Во время наших испытаний наш магнит производил около 83 процентов от максимального количества электрического тока, которое могут нести провода, — очень хороший показатель», — сказал Юху Чжай.

«Ученые обычно используют только 70 процентов пропускной способности сверхпроводящего провода по электрическому току при проектировании и создании мощных магнитов. А крупные магниты, подобные тем, которые используются в ИТЭР, международной термоядерной установке, строящейся во Франции, часто используют только 50 процентов».

Новый сагнит также считается более простым и дешевым в изготовлении, чем современные решения. А поскольку он может работать при более высоких плотностях тока, он может занимать меньше места внутри токамака, позволяя при этом генерировать более сильные магнитные поля.

«Это революционное изменение в том, как вы делаете электромагниты», — сказал Майкл Зарнсторфф, главный научный сотрудник PPPL.

«Создавая магнит только из металла и избавляясь от необходимости использовать изоляцию, вы избавляетесь от множества дорогостоящих шагов и уменьшаете количество возможностей неисправности катушки. Это действительно важная вещь».

Пионеры в климате

В 2021 году Нобелевский комитет поделил премию по физике на две части. Первая половина досталась Сюкуро Манабэ и Клаусу Хассельману «за физическое моделирование климата Земли, количественной оценки изменчивости и надежного прогнозирования глобального потепления». Любопытно, что премию дали за работы, которые были выполнены полвека назад. Родившийся в Японии в 1931 году Сюкуро Манабэ — японско-американский климатолог, он стал пионером компьютерного моделирования климатических изменений, в частности, глобального изменения климата. Сюкуро Манабэ был во главе команды, которая продемонстрировала, как повышенный уровень углекислого газа в атмосфере приводит к повышению температуры на поверхности Земли. В 1960-х годах он руководил разработкой физических моделей климата Земли и был первым человеком, исследовавшим глобальные модели климата, — например, взаимодействия атмосферы и океана. Он предсказал возможность повышения температуры на 2 градуса в случае увеличения содержания парниковых газов вдвое. Примерно 10 лет спустя Клаус Хассельман, родившийся в 1931 году в Германии, создал модель, которая связывает воедино погоду и климат. Так он доказал, что климатические модели могут быть надежными, хотя погода изменчива.Ученый смог отделить быстрые изменения погоды, которые идут на уровне дней, от медленных, таких как трансформация климата. Таким образом, стало возможно дать надежное предсказание вероятностей изменения климата, а также доказать определяющее влияние антропогенного фактора.— С работами первых двух лауреатов связаны пионерские результаты в области климатического моделирования, — отметил научный руководитель Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН и заведующий кафедрой физики атмосферы МГУ Игорь Мохов. — Они работали в разных областях. Клаус Хассельман — в области исследования стохастических процессов в земной климатической системе с более быстрыми процессами в атмосфере и более инерционными — в океане. Он впервые применил методы, связанные с теорией броуновского движения, для моделирования климатической изменчивости. С Сюкуро Манабе связаны разработка радиационно-конвективных моделей климата и развитие глобальных климатических моделей общей циркуляции атмосферы и океана с оценкой влияния антропогенных воздействий.Как отметил ведущий научный сотрудник лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров, изменения различных физических величин или параметров климатической системы могут кардинально изменить ее динамическое поведение — например, перебросить климат от теплого к холодному.

— Поэтому анализ нелинейной динамики с учетом таких «шумов», которым занимался Клаус, важен для понимания эволюции любой нелинейной динамической системы, в том числе и климатической, — пояснил эксперт. Если рассматривать, например, замерзание и таяние льдов в Арктике и Антарктике, с помощью подобных моделей возможно спрогнозировать то, как будет изменяться ледяной покров в дальнейшем, отметила научный сотрудник НТЦ «Нейропрогнозирование материалов и технологий электронной промышленности» 

Физики будут искать квантовое замедление времени внутри ядерного реактора.

 

Мы все хорошо знакомы с неумолимым течением времени, но почему оно течет в одном направлении, остается загадкой для физики. Несколько лет назад австралийский физик Джоан Ваккаро предложила новую квантовую теорию времени, а теперь группа ученых планирует проверить эту гипотезу, исследуя замедление времени в ядерном реакторе.

«Стрела времени» указывает из прошлого в будущее, но физикам сложно объяснить, почему она предпочитает одно направление другому. Наиболее широко распространенное объяснение этой асимметрии содержится во втором законе термодинамики, который говорит нам, что время имеет тенденцию течь в направлении увеличения энтропии, которая по сути является мерой беспорядка в системе.

Но согласно квантовой теории времени Ваккаро, энтропия – это скорее симптом течения времени, а не основная причина. Она использует аналогию дерева, развевающегося на ветру: в то время как листья (энтропия) может казаться трясущимися деревом, они не несут ответственности за движение сами по себе, но являются результатом другой силы (ветра). В этой новой теории «ветер» создается нарушениями симметрии обращения времени (T-нарушения).

Ваккаро указывает, что физика рассматривает пространство и время как взаимосвязанные сущности, как пространство-время. Но природа, кажется, относится к ним по-разному.

Например, по опыту мы знаем, что объекты локализованы в пространстве – определенную книгу, дерево или человека можно найти только в одном определенном месте. Однако это не относится ко времени – одну и ту же книгу, дерево или человека можно найти в разное время. Поскольку пространство-время – это одна сущность, теоретически объекты, локализованные в пространстве, также должны быть локализованы во времени, появляясь и исчезая.

Однако, это идет вразрез нашему опыту и противоречит законам движения и сохранения массы. Но, как полагает Ваккаро, T-нарушения не позволяют материи оставаться локализованной во времени. Из-за T-нарушений объекты не появляются и не исчезают случайно, они существуют непрерывно. То, что мы знаем как законы движения и сохранения массы, вместо этого являются симптомами этих Т-нарушений.

Джоан Ваккаро предполагает, что что-то в квантовом масштабе создает локальные T-нарушения, и если их будет достаточно, это может начать оказывать более широкое влияние на макроуровне – по сути, создавая динамику, которую мы видим как движение времени вперед.

 

Что такое квантовая гравитация и почему она считается самой сложной проблемой в физике?

 

Когда слово «гравитация» приходит нам в голову, мы думаем о планетах, вращающихся вокруг своих звезд, о гравитационном взаимодействии между массивными галактиками, гигантской гравитационной силе, которой обладают нейтронные звезды, черные дыры и т.д. Но как насчет крошечных мелких частиц, существующих в нашей Вселенной? А как насчет микроскопического квантового мира? Знают ли они и испытывают гравитацию так же, как мы? Или у них все по-другому? Что ж, чтобы найти ответы на все эти вопросы, возникла теория "квантовой гравитации". Так что же такое квантовая гравитация? Зачем она нужна? Давайте углубимся, чтобы ответить на эти вопросы! Проще говоря, квантовая гравитация - это теоретическая основа, целью которой является описание того, как сила гравитации действует на мельчайшие частицы Вселенной. Являясь квантовой теорией гравитации, она стремится описать гравитацию в соответствии с принципами квантовой механики, а также в ситуациях, когда квантовые эффекты нельзя игнорировать, в так называемом масштабе Планка.

Молекулы впервые охладили до рекордно низкой температуры.

Нобелевский лауреат Вольфанг Кеттерле и его коллеги охладили молекулы, которые состоят из атомов щелочных металлов, до сверхнизкой температуры в 220 нанокельвин. Это в 20 раз ниже предыдущего рекорда. За последние полвека физики создали множество различных приборов, которые могут охлаждать одиночные атомы и элементарные частицы до температур, очень близких к абсолютному нулю. Как правило, они использовали в своей работе лазеры, импульсы которых настроены таким образом, что взаимодействующие с ними атомы теряют энергию и начинают медленнее двигаться.

Мощные лазеры помогли ученым смоделировать условия в центральных областях массивных планет

Ученые-физики из Ливерморской национальной лаборатории провели эксперименты, наведя лучи множества мощных лазеров на небольшую железную частичку. Условия, которые возникли при этом на очень короткое время, были максимально приближены к условиям, присутствующим в центральных областях массивных планет, масса которых в несколько раз превышает массу Земли. Проведенные во время эксперимента измерения дали ученым в руки множество данных, содержащих ответы на вопрос о том, как ведет себя железо в подобных условиях.