Czas życia...atomu

Naukowcom z Chalmers University of Technology udało się doświadczenie, podczas którego spowodowali, że atom przetrwał dziesięć razy dłużej niż normalnie, a dokonali tego umieszczając go przed lustrem.

Jeśli dodaje się energii do atomu, to zwykle trwa trochę czasu, zanim atom traci ją i powraca do pierwotnego stanu. Czas ten jest nazywany czasem życia stanu atomu. Naukowcy z Chalmers University of Technology umieścili imitowany atom w określonej odległości przed zwarciem, który działa jak lustro. Zmieniając odległość do lustra, mogą uzyskać atom, który żyje dłużej nawet do dziesięciu razy.

Sztuczne atom jest w rzeczywistości nadprzewodzącym obwodem elektrycznym. Podobnie jak w przypadku atomu, można go ładować energią wzbudzeniową, którą ten następnie wydziela się w postaci świetlnych cząstek. W tym przypadku, światło ma znacznie niższą częstotliwość niż zwykłe światło, a w rzeczywistości są to mikrofale.

"Pokazaliśmy, w jaki sposób możemy kontrolować czas życia atomu w bardzo prosty sposób," mówi Per Delsing, profesor fizyki i lider zespołu badawczego. "Że można zmieniać trwałość atomu przez zmianę odległości między atomem i lustrem. Jeśli czas życia atomu - w pewnej odległości od zwierciadła -  jest przedłużony o taką długość, że nie jest możliwe w ogóle obserwowanie go, oznacza to, że możemy ukryć atom przed lustrem ", kontynuuje.

Eksperyment przeprowadzany jest w ramach współpracy między doświadczalnymi i teoretycznymi fizykami w Chalmers; ci drudzy opracowali teorię, jak czas istnienia atomu różni się w zależności od odległości do lustra.

Powodem, dla którego atom umiera, czyli wraca do pierwotnego stanu, jest to, że widzi bardzo małe zmiany w polu elektromagnetycznym, które muszą istnieć z powodu teorii kwantowej, znanej jako fluktuacje próżni.

Gdy atom jest umieszczony przed lustrem, współdziała z jego lustrzanym odbiciem, które zmienia wielkość fluktuacji próżni, w stosunku do której atom jest eksponowany. System, który naukowcy Chalmers zastosowali w budynku szczególnie dobrze nadaje się do pomiaru fluktuacji próżni - w przeciwnym razie jest to bardzo trudne do zmierzenia.

Kwantowe koty

Niektórzy uważają koncepcje nauki kwantowej za mylące lub nieintuicyjne. Einstein nazwał efekty kwantowe jako:  "upiorne". Aby pomóc ludziom lepiej zrozumieć niektóre z podstawowych pojęć nauki kwantowej, Instytut Quantum Computing (IQC) na University of Waterloo stworzył grę: „Kwantowe koty”.

Gra wykorzystuje koty zachowujące się w czterech głównych kategoriach - klasycznej, kwantowej superpozycji, tunelingu i niepewności – gracz musi uratować kocięta uwięzione w pudełkach. Gracze mogą uruchomić różne koty i używać ich kwantowych zachowań, aby otworzyć pudełka.

"Kwantowe koty" zostały opracowane we współpracy z Uniwersytetem w Waterloo Games Institute. Studenci i wykładowcy z całego kampusu współpracowali nad ideą i rozbudowaniem tej gry.

Kwantowe technologie wyłaniają się z laboratoriów badawczych na całym świecie coraz szybciej i szybciej. Od bardzo bezpiecznej komunikacji do bardzo czułych urządzeń i potężnych komputerów kwantowych - te technologie obiecują przekształcić nasz sposób życia, pracy i zabawy.

"Ta gra to świetny sposób do zapoznania się z koncepcjami nauki kwantowej", powiedział Tobi Day-Hamilton, zastępca dyrektora, komunikacji i strategicznej inicjatywy na IQC.

Kwantowe koty jest dostępne do pobrania z App Store Google, wkrótce będzie dostępna na iTunes i BlackBerry World.

Źródło: http://www.techpageone.co.uk/en/technology/data-deduplication-and-quantum-cats/#.VhToo_ntmko 

W grze uczestniczą 4 koty:

1. Classy - klasyczny kot. Zachowuje się tak,  jak można się spodziewać - wiesz, dokąd idzie i skąd. Podąża prawami Newtona i Galileusza.

2. Schrö - Nigdy nie wiadomo, czy Schrö jest w pudełku, czy też nie. Ma zdolność do bycia w różnych stanach w tym samym czasie. Mógł być tutaj, mógł być tam i tu!

3. Digger - Nagle pojawia się po drugiej stronie bariery, nawet wtedy, kiedy nie ma na to siły!

4. Fuzzy - Nigdy nie jesteś pewien, gdzie znajduje się ten kot. Istnieje limit, jak wiele informacji można o nim posiadać.

 Instytut Quantum Computing to światowej klasy ośrodek badawczy w dziedzinie kwantowej informatyki i technologii na Uniwersytecie Waterloo. Eksperymentatorzy i teoretycy robią potężne postępy, pogłębiają zrozumienie informacji kwantowej oraz przyspieszają rozwój technologii kwantowej z aplikacjami obliczeń kwantowych do czujników kryptografii kwantowej.

Gotowanie wszechświata

Nowe badania, których nazwę można sparafrazować: "nie za gorąco, nie za zimno, tylko tak jak trzeba", odnoszą się do świata kwantowego i generowania splątania kwantowego - wiązań w obrębie i pomiędzy materią i światłem - i tym samym: sugerują, że wszechświat rozpoczął się "ani zbyt szybko, ani zbyt wolno".

Analizując system, który tworzy pary materii i światła, naukowcy stwierdzili, że kwantowe przekraczanie przejścia fazowego przy prędkości pośrednich generuje najbogatszą, najbardziej złożoną strukturę.

Źródło: http://rebloggy.com/post/photography-art-design-coffee-space-stars-starry-cake-universe-cooking-sweet-sta/88396267672

"Nasze wyniki wskazują, że wszechświat został  ugotowany w odpowiednim tempie" powiedział Neil Johnson, profesor fizyki na Uniwersytecie w Miami College of Arts & Sciences i jeden z autorów badania. "Nasz prosty model, który może być realizowany w laboratorium na chipie, służy do zbadania, jak struktura rozwija się wraz z prędkością zmian gotowania".

Wielka tajemnica dotycząca pochodzenia wszechświata dotyczy tego: jak gromadom gwiazd, układów planetarnych, galaktyk i innych obiektów udało się ewoluować z niczego.

Badanie rzuca nowe światło na sposób generowania, kontrolę i manipulowanie splątaniem kwantowym. Jego wyniki są kluczem do nowej generacji futurystycznych technologii - w szczególności: ultraszybkiej kwantowej kryptografii kwantowej, informatyki, ultra precyzyjnej metrologii kwantowej, a nawet teleportacji informacji kwantowej.

"Kwantowe splątanie jest jak" Bitcoin" powiedział Johnson. "To jest magiczny sos, który łączy ze sobą wszystkie obiekty we wszechświecie, w tym światło i materię".

W codziennym świecie, substancja może ulegać przemianie fazowej w różnych temperaturach; dla przykładu, woda zamieni się w lód lub parę po dostatecznym dostarczeniu zimna lub gorąca. Jednakże w świecie kwantowym system może ulegać przemianie fazowej przy zerowej temperaturze bezwzględnej, po prostu zmieniając ilość interakcji między światłem a materią. Ta przemiana fazowa generuje kwantowe splątanie w procesie.

Johnson lubi porównać powstanie bardzo uwikłanych lekkich konstrukcji materii, jak kwantowe przejście fazowe, do sposobu, w jaki grudki owsianki pojawiają się z "niczego", kiedy podgrzać mleko i płatki owsiane.

"W przypadku przekroczenia przejścia przy odpowiedniej prędkości (gotować w odpowiedniej prędkości), struktury (guzki) wydają się o wiele bardziej skomplikowane – co więcej" smaczne"- niż w przypadku przekraczania za szybko lub powolnie", powiedział Johnson.

Wyniki badania, zatytułowanego „Enhanced dynamic light-matter entanglement from driving neither too fast nor too slow", spełniają warunki dla szerokiej gamy rozmiarów systemowych, a efekt jest do uzyskania przy użyciu istniejących ustawień eksperymentalnych w realistycznych warunkach. 

Ciemna materia

Ciemna materia jest ogromną, ale niewidzialną materią wszechświata, najprawodopodobniej odpowiedzialną za siły grawitacji, która utrzymują galaktykę Drogi Mlecznej razem.

Nasza galaktyka obraca się niewiarygodnie szybko, a gwiazdy, planety i inne obiekty poleciałyby w różnych kierunkach, jeśli nie byłoby przyciągania grawitacyjnego.

Kiedy obliczyć wagę każdej znanej masy, to nigdzie w pobliżu nie ma wystarczająco dużo siły, aby utrzymać galaktykę razem. Ciemna materia stanowi tą różnicę.

                                            Źródło: http://chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter/index5.html

Chociaż nikt nigdy nie wykrył ciemnej materii, to możliwości wykazane przez detektor XENON100 są zachęcające. Wysoka czułość detektora - udowodniona dzięki wynikom doświadczalnym - może uwolnić naukowców z konieczności ograniczania analizy tylko do danych zgromadzonych.

Naukowcy pracujący nad projektem dotyczącym ciemnej materii (Dark Matter Large Sodium Iodide Bulk for Rare Processes – eksperyment DAMA/LIBRA) twierdzą, iż wykryli ciemną materię w roku 1998. Zespół obserwował sygnał zmieniający się wraz z porami roku, czego jednak nie potwierdziły inne zespoły poszukujące ciemnej materii; fakt ten tłumaczony jest następująco: inne grupy nie napotkały na sygnał, ponieważ ciemna materia reagowała tylko z atomami detektora XENON, jako że „chętniej współpracuje” ona z elektronami.

Przez długi czas uznawano za niewykonalne, aby przetestować rozpraszanie cząstek ciemnej materii na elektronach lub emitowanych fotonach, jednak płynne detektory gazu szlachetnego, jak zawiera XENON100 tworzą obecnie nowy standard w tym przedsięwzięciu.

Materiał używany w detektorze XENON100 i materiał użyty w projekcie DAMA / LIBRA są bardzo podobne pod względem konfiguracji elektronowej -  detektor XENON100 jest jednak o wiele bardziej wrażliwy i dzięki temu sygnał będzie o wiele bardziej wyraźny

Chociaż dane XENON100 nie wykazują takiego samego sygnału, jak obserwowany podczas projektu DAMA / LIBRA, to wskazują na zaledwie słabą roczną modulację, która rodzi pytania, ale jest niezwykle ekscytująca.

Eksperyment prowadzony jest w ramach międzynarodowej współpracy naukowców z 120  instytucji na całym świecie i jest prowadzony przez Elenę Aprile, profesor astrofizyki na Uniwersytecie Columbia.

Jesienią tego roku zespół wdroży detektor nowej generacji o nazwie XENON1T, który ma być 100 razy bardziej czuły niż XENON100. Sam detektor będzie 20 razy większy i obejmie szereg ulepszeń technologicznych.

Celem eksperymentów XENON100 i XENON1T jest wychwycenie oznak ciemnej materii, która przepływa przez Ziemię i przestrzeń kosmiczną. Aby chronić czujki detektora przed promieniowaniem kosmicznym, są one zlokalizowane pod górą w Narodowym Laboratorium Gran Sasso we Włoszech, największym na świecie podziemnym laboratorium.

Czujki wykorzystują gaz szlachetny: ksenon, przechowywany w pojemniku ze stali nierdzewnej. Detektor wyposażony jest w elektronikę, która umożliwia wykrycie nawet pojedynczego elektronu i fotonu wygenerowanego w dowolnym miejscu.

Czas płynący do tyłu - czyli możliwość wiedzy o wynikach pomiarów w przyszłości

Prawa mechaniki klasycznej są niezależne od kierunku czasu, ale czy tak samo jest w mechanice kwantowej, jest przedmiotem debaty. Chociaż przyjmuje się, że prawa rządzące wydzielonymi systemami kwantowymi są symetryczne w czasie, pomiar zmienia stan systemu według zasad, które są ważne tylko, kiedy czas płynie do przodu – aczkolwiek są różnice w opiniach na temat interpretacji tego efektu.

Fizycy z Université Libre de Bruxelles opracowali w pełni symetryczną w czasie formułę teorii kwantowej, która ustala dokładny związek między opisaną asymetrią a faktem, że możemy pamiętać przeszłość, ale nie przyszłość - zjawisko, które fizyk Stephen Hawking nazwał "psychologiczną" strzałką czasu.

Studium oferuje nowe spojrzenie na koncepcję wolnego wyboru i przyczynowości, i sugeruje, że związek przyczynowy nie musi być uznany za podstawową zasadę fizyki.

Pomysł, że w chwili obecnej nasze wybory mogą wpływać na wydarzenia w przyszłości, ale nie w przeszłości, znajduje odzwierciedlenie w zasadach standardowej teorii kwantowej jako zasada, którą teoretycy kwantowi nazywają: "przyczynowość- kazualizm”.

Aby zrozumieć tę zasadę, autorzy nowej koncepcji analizowali pojęcie „wyboru” w świetle mechaniki kwantowej – co właściwie oznacza wybór?

Na przykład, myślimy, że eksperymentator może wybrać to, co będzie przedmiotem wykonywania pomiarów w danym systemie, ale nie ma wpływu na wynik  pomiaru. Odpowiednio do tego, zgodnie z zasadą przyczynowości, wybór pomiaru może być skorelowany tylko z wynikami pomiarów w przyszłości, natomiast wynik pomiaru może być skorelowany zarówno z wynikami pomiarów zarówno przeszłych, jak  i przyszłych.

Naukowcy uważają, że decydująca właściwość, wedle której interpretujemy zmienne opisujące pomiar zgodnie z wyborem eksperymentatora, podczas gdy wynik pomiaru już nie, polega na tym, iż wynik może być znany przed odbywającym się pomiarem.

Z tego punktu widzenia zasada przyczynowości może być rozumiana jako ograniczenie dostępnych informacji na temat różnych zmiennych w różnych momentach. To ograniczenie nie jest symetryczne do czasu, odkąd zarówno wybór pomiaru i wynik pomiaru mogą być znane a posteriori. To, według badaczy, jest istotą ukrytej asymetrii w standardowym sformułowaniu teorii kwantowej.

Teoria kwantowa została sformułowana w oparciu o asymetryczne podstawy, które odzwierciedlają fakt, że możemy poznać przeszłość i interesuje nas przewidywanie przyszłości. Ale pojęcie prawdopodobieństwa jest niezależne od czasu i z punktu widzenia fizyki warto spróbować sformułować Teorię w zakresie zasadniczo symetrycznym.

W tym celu autorzy proponują przyjąć nową koncepcję pomiaru, który nie jest określony tylko na podstawie zmiennych w przeszłości, ale może zależeć od zmiennych w przyszłości.

"W podejściu proponujemy, aby pomiary nie były interpretowane tylko w zależności od wolnych wyborów eksperymentatora, ale aby dostarczały informacji o możliwych zdarzeniach w różnych regionach czasoprzestrzeni", mówi Nicolas Cerf, współautor badania i dyrektor Centrum Informacji i Komunikacji Quantum na ULB.

W formułowaniu symetrycznej czasowo kwantowej teorii wynikający z tego podejścia, zasada przyczynowości i psychologiczna strzałka czasu wskazują coś, co fizycy nazywają warunkami brzegowymi.

Tak więc, na przykład, zgodnie z nową formułą, nie jest wykluczone, że w niektórych częściach wszechświata zasada przyczynowości może być naruszona.

Granica pomiędzy światem kwantowym i normalnym-klasycznym

Teoria kwantowa jest jednym z największych osiągnięć nauki 20-tego wieku, jednak fizycy wciąż zmagają się ze znalezieniem wyraźnej granicy między naszym codziennym życiem i tym, co Albert Einstein nazywał upiornym oddziaływaniem na odległość - cechą świata kwantowego; w tym kotów, które mogą być zarówno żywe i martwe, jak i fotonów, które mogą komunikować się ze sobą w przestrzeni natychmiast.

Przez ostatnich 60 lat, najlepszym przewodnikiem na drodze do odnalezienia tej granicy było twierdzenie o nazwie: Nierówność Bella. Jednakże teraz nowe dowody wskazują, iż Nierówności Bella nie jest na tyle dobrym drogowskazem, jak wierzono. Oznacza to, że ​ świat informatyki kwantowej przynosi kwantowe dziwy bliżej do naszego życia codziennego, a my rozumiemy granice tego świata gorzej, niż zakładali naukowcy.

 Klasyczny promień światła, po którym można by oczekiwać posłuszeństwa wedle reguły Nierówności Bella może oblać ten test w laboratorium, jeśli wiązka jest odpowiednio przygotowana, tak aby posiadała specyficzną cechę: splątanie.

Okazuje się, że niektóre cechy świata rzeczywistego muszą dzielić kluczowy składnik domeny kwantowej. Ten kluczowy składnik nazywa się splątaniem – czyli cecha, do której odniósł się Einstein nazywając ją upiorną. W takim razie test Bella może służyć jedynie odróżnianiu systemów, które cechują się splątaniem, od tych, które tej cechy nie posiadają – a więc rozróżnieniu: czy są to "klasyczne" systemy, czy kwantowe.

Generalnie: potrzeba dwóch do…splątania. Na przykład, myśląc o dwóch klaskających regularnie rękach: tego, czego możesz być pewien, to że gdy prawa ręka przesuwa się w prawo, lewa ręka porusza się w lewo i odwrotnie. Ale jeśli zapytano by Ciebie, abyś odgadł  bez słuchania i patrzenia, czy w pewnym momencie prawa ręka porusza się w prawo, a może w lewo… to nie wiadomo. Jednak wciąż wiesz, że cokolwiek robi prawica w tym czasie, lewa ręka będzie robić odwrotnie. Możliwość wiedzy o jakiejś powszechnej cesze czy własności, bez wiedzy o własności indywidualnej jest istotą doskonałego uwikłania.

W przeciwieństwie do splątania kwantowego, klasyczne uwikłanie się dzieje w ramach jednego systemu. Efekt jest jednak tylko lokalny: nie ma działania na odległość, żadnej upiorności.

Określanie stanów kwantowych

Nie jest niemożliwe, aby uzyskać wszystkie informacje na temat dużego układu kwantowego, składającego się z setek lub tysięcy cząsteczek. Istnieje jednak technika pozwalająca na opisanie takich systemów w kategoriach "stan produktu ciągłej matrycy”. Stosując takie przybliżenie, istotne informacje o układzie kwantowym można uzyskać jedynie poprzez wykonanie kilku pomiarów.

Przez długi czas eksperymenty związane z fizyką kwantową  odbywały się z małą liczbą cząstek. Mimo to, i  tak zachowania pojedynczych atomów lub cząsteczek były bardzo trudne do opisania. Obecnie stało się możliwe kontrolowanie kilku tysięcy cząsteczek – eksperymentalnie - ale dla obliczeń teoretycznych stanowi to nadal poważny problem. Stan kwantowy tak dużego systemu jest na tyle skomplikowany, że ​​wszystkie zasoby na ziemi nie wystarczyłyby, aby zapisać go w sposób klasyczny.

    Źródło: http://www.scienceworldreport.com/articles/4827/20130207/quantum-computer-interface-transfers-qubit-atom-photon.htm

Metoda kwantowej tomografii sprawia, że ​​możliwe jest zmierzenie i precyzyjne opisanie stanu dużych układów kwantowych z zaledwie kilku pomiarów. Podstawowa idea tej nowej metody jest prosta: nawet jeśli układ jest w  jednym z niewyobrażalnie wielu stanów kwantowych, to istnieje jego bardzo dobre przybliżenie.

Wynik rzutu monetą to albo orzeł albo reszka. Zachowanie cząsteczki jest znacznie bardziej skomplikowane. Układ kwantowy może być w dwóch różnych stanach, dodatkowo dowolna mieszanina tych stanów jest również fizycznie dozwolonym stanem.

"Im większa liczba cząstek, tym bardziej skomplikowany staje się opis systemów kwantowych", mówi profesor Jörg Schmiedmayer z Wiedeńskiego Centrum Nauki i Technologii Kwantowej (VCQ) w TU Wien. "Pojemność wymagana do opisania stanów kwantowy rośnie wykładniczo do liczby cząstek. W przypadku systemu kilkuset cząstek kwantowych, możliwe jest więcej stanów kwantowych niż jest atomów we wszechświecie; jest absolutnie niemożliwe, aby opisać taki stan lub wykonać dotyczące go obliczenia".

Ale dokładna znajomość stanu kwantowego nie zawsze jest konieczna. Nowy sposób teoretyczny, opracowany w Berlinie przez grupę badawczą profesora Jensa Eiserta wykorzystuje specjalny rodzaj opisu dla stanów kwantowych – tzw.: "continuous matrix product states" (CMPS).

Ta klasa stanów reprezentują niewielką ilość wszystkich możliwych stanów, ale z punktu widzenia fizyki są one niezwykle ważne. Ta klasa zawiera stany z realistycznym splątaniem kwantowym", mówi Jens Eisert. "Egzotyczne, skomplikowane wzory uwikłania między wieloma cząstkami kwantowymi mogą być w zasadzie możliwe, ale w praktyce nie pokazują się w układach fizycznych. Dlatego możemy ograniczyć się do CMPS w naszych obliczeniach". 

"Dla każdego możliwego stanu kwantowego istnieje CMPS bardzo bliski prawdziwego stanu kwantowego. To jest jak frakcja w matematyce" - mówi Eisert. - "Liczby wymierne, które można zapisać w postaci frakcji, stanowią tylko niewielką część wszystkich liczb rzeczywistych. Ale dla każdej liczby rzeczywistej, istnieje liczba frakcyjna, której wartość jest dowolnie bliska”.  Liczba pi nie jest liczbą ułamkową - ale przybliżenie pi wykorzystywane przez kalkulator jest. Dla wszystkich celów praktycznych, jest to wystarczająco dobre.

Dzięki nowej metody, można zrekonstruować stan kwantowy z zaledwie kilku pomiarów. Precyzja jest tak wysokie, że można korzystać z takiego przybliżenia, aby przewidzieć wynik dalszych pomiarów." Ta technika nazywa się "Tomografią kwantową" - podobnie jak tomografia komputerowa w szpitalu, gdzie kilka zdjęć jest wykorzystywane do obliczenia modelu 3D, tomografia kwantowa wykorzystuje kilka pomiarów, aby obliczyć obraz stanu kwantowego.

Nowa metoda nie tylko otwiera nowe możliwości dla fizyki kwantowej wielu ciał. Mógłaby być też drogą do nowych symulatorów kwantowych.  Kiedy dwa różne systemy kwantowe mogą być opisane z tych samych podstawowych wzorów, możemy dowiedzieć się wiele o jednym systemie studiując inny.  Możemy sterować tysiącami atomów w kwantowym układzie.