Физики из университета Йоганнеса Гуттенберга в Майнце разработали квантовый интерфейс, который соединяет фотоны и атомы. Он основан на сверхтонком стеклянном оптоволокне и пригоден для передачи квантовой информации. Это существенная предпосылка для квантовых систем связи, которые будут использоваться для безопасной передачи данных с помощью квантовой криптографии. «Наш квантовый интерфейс может оказаться также полезным и для квантовых компьютеров», - добавляет проф. Арно Раушенбойтел (Arno Rauschenbeutel).

Сегодня телекоммуникации и Интернет используют в основном оптическую передачу данных через оптоволокно. В этом смысле оптоволоконные сети могут рассматриваться как магистрали для передачи данных. Теоретически один фотон может нести бит информации. Поскольку фотон может находиться в суперпозиции состояний, то это открывает новые возможности для телекоммуникаций. К примеру, это свойство может использоваться квантовой криптографией, обеспечивающей абсолютную защиту целостности и конфиденциальности сообщений.

Однако для того чтобы в полной мере использовать потенциал квантовых телекоммуникаций, необходимо сохранять квантовую информацию, которую несет каждый фотон. Сами фотоны не очень хорошо подходят для этой цели. Поэтому лучше передать эту информацию атомам. Для этого необходим квантовый интерфейс между фотонами и атомами, который должен легко интегрироваться с оптоволоконными сетями.

Группа физиков под руководством Арно Раушенбойтела разработала такой квантовый интерфейс. Его основной частью является стеклянное оптоволокно, которое было нагрето и вытянуто до толщины, составляющей одну сотую диаметра человеческого волоса.

Примечательно, что толщина нановолокна меньше, чем длина волны передаваемого света. Как следствие свет не локализуется внутри волокна, а проникает в пространство, окружающее его. Используя это так называемое запредельное поле, ученые захватили атомы цезия после их охлаждения до нескольких миллионных градуса выше абсолютного нуля. После захвата атомы образовывали в регулярную структуру и располагались над поверхностью нановолокна на расстоянии 200 нм. В то же время атомы оставались в запредельном поле и таким образом взаимодействовали с фотонами, распространяющимися по волокну.

Как показали исследователи из Майнца, этот процесс оказался настолько эффективным, что только несколько из тысячи атомов близких к поверхности волокна будет достаточно для передачи квантовой информации между фотонами и атомами без потерь.

Используя лазерный луч, который проходит через конусообразное оптоволокно, атомы цезия захватываются на участке «талии». Диаметр центральной части волокна меньше длины волны света. Как следствие, последний выступает за пределы волокна и взаимодействует с захваченными атомами

Физик Марк Райзен (Mark Raizen) и его группа смогли наблюдать мгновенную скорость частиц при броуновском движении – через сто лет после того, как Альберт Эйнштейн сказал, что это вряд ли удастся когда-нибудь сделать.

«Это первое наблюдение мгновенной скорости броуновских частиц, - говорит Марк Райзен, профессор физики из Университета штата Техас в Остине. – Есть предсказание Эйнштейна, которое оставалось непроверенным 100 лет. Он предложил опыт по наблюдению скорости в 1907 г., но сказал, что такой эксперимент вряд ли может быть осуществлен».

В 1907 г. Эйнштейн, конечно, не смог предвидеть время, когда пылинки стекла могут быть захвачены и подвешены в воздухе двумя лазерными лучами – «оптическим пинцетом». И он не знал, что ультразвуковые колебания от плоского преобразователя будут встряхивать эти стеклянные шарики в воздухе для их выделения и измерения их движения во взвешенном состоянии.

Исследование является первой прямой проверкой закона о равнораспределении для броуновских частиц, одного из базовых принципов статистической механики. Напомним, что этот закон утверждает, что при тепловом равновесии каждой степени свободы отдельной частицы соответствует одинаковая средняя энергия. Из закона о равнораспределении вытекает, что средняя кинетическая энергия частицы определяется только температурой и не зависит ни от размера, ни от массы частицы.

Исследование Райзена теперь доказало, что закон о равнораспределении справедлив для броуновского движения стеклянных шариков диаметром 3 мкм.

Райзен говорит, что он и его коллеги теперь могу приблизиться к изучению квантовых эффектов при броуновском движении, где закон о равнораспределении теряет применимость.

Стеклянные шарики размером 5 мкм подвешивались в воздухе с помощью одного лазерного луча, направленного снизу.

Шаровая молния – феномен достаточно редкий. Ученые уже долго ломают голову над этой загадкой. И вот теперь физики из Инсбрукского университета вычислили, что магнитное поле длинных разрядов молнии может вызвать образы светящихся форм в мозге, известных также как фосфены - зрительные ощущения, возникающие у человека без воздействия света на глаз. Это открытие может предоставить объяснение для многих наблюдений шаровой молнии.

Физики Йозеф Пеер (Josef Peer) и Александер Кендл (Alexander Kendl) из Инсбрукского университета изучили электромагнитные поля различных типов разрядов молний, встречающихся во время грозы. Их вычисления наводят на мысль, что магнитные поля специфического класса долго длящихся повторяющихся разрядов молний обнаруживают такие же свойства, как и транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС), техника, широко используемая в клинической и психиатрической практике для стимуляции нервной активности человеческого мозга. Изменяющиеся во времени и достаточно сильные магнитные поля генерируют электрические поля в мозге, особенно в нервах зрительной зоны коры, что может вызывать фосфены. «В клинических применениях ТМС реальное визуальное восприятие светящихся форм разных цветов у испытываемых пациентов и добровольцев является хорошо документированным фактом», - говорит Александер Кендл. Физики из Инсбрука теперь вычислили, что близкие молниевые разряды долго длящихся гроз могут также генерировать такие иллюзии, которые вероятно и принимают вид шаровой молнии.

Так решена ли теперь загадка шаровой молнии? Большинство исследователей сходятся во мнении, что под общим термином «шаровая молния» суммируются различные явления. О природе этих явлений были выдвинуты различные предположения и теории. Некоторые исследователи получали светящиеся огненные шары в лабораториях, которые казались неотличимыми от шаровой молнии и могли бы объяснить некоторые наблюдения, но они были слишком короткоживущими. Другими правдоподобными объяснениями некоторых наблюдений являются огни св. Эльма, светящиеся пылевые шары или маленькие расплавленные шары металла.

Повторяющиеся разряды молнии, производящие стимулирующие магнитные поля длительностью несколько секунд, очень редки и встречаются один раз на сотню. У наблюдателя, находящегося в пределах нескольких сотен метров от разрядов, могут возникнуть магнитные фосфены в форме светящихся точек. Могут возникнуть и другие ощущения, такие как шумы и запахи. Так как термин «шаровая молния» хорошо известен широкой публике, наблюдатели, вероятно, классифицируют фосфены как шаровые молнии. Александер Кендл выдвинул гипотезу, что большинство наблюдений шаровых молний на самом деле являются фосфенами, аргументируя ее правдоподобность простотой.

Исследователи создают светящиеся шары в лаборатории, которые очень похожи на шаровую молнию и могли бы объяснить некоторые наблюдения, но они живут очень короткое время

Вследствие продолжающейся миниатюризации компонентов компьютерных чипов индустрия находится на пороге фундаментальных ограничений, когда технологии могут использовать законы макроскопического мира. Поэтому повсеместно ведутся исследования в области технологий, базирующихся на квантовых эффектах, которые могут быть использованы для связи и обработки информации.

Одной из наиболее многообещающих разработок в этом направлении являются квантовые сети, в которых единичные фотоны передают данные между различными узлами, например, единичными атомами. В них данные могут быть сохранены и обработаны. Ключевым элементов в таких системах является электромагнитно индуцированная прозрачность (EIT), эффект, который позволяет радикально изменить оптические свойства атома с помощью света. Ранее ученые исследовали этот эффект и его удивительные свойства на атомных ансамблях, состоящих из сотен и тысяч атомов.

Теперь ученые из группы проф. Герхарда Ремпе (Gerhard Rempe), директора Института квантовой оптики им. Макса Планка, научились управлять оптическими свойствами одного атома, используя излучение лазера.

Электромагнитно индуцированная прозрачность описывает эффект, при котором взаимодействие атома со слабым лазерным излучением может быть управляемо с помощью второго сильного лазерного излучения. Практически это достигается облучением среды двумя лазерными лучами: действие сильного управляющего лазера делает среду прозрачной для слабого зондирующего луча. Свойства, полученные с помощью EIT, позволяют хранить и воспроизводить данные между атомами и импульсами света, обеспечивая таким образом мощный интерфейс между фотонами и стационарными атомами.

В эксперименте атом рубидия захватывался внутрь высокодобротного оптического резонатора для того, чтобы усилить взаимодействие между атомом и светом, поскольку атом и резонатор образуют систему с сильной связью. Измерялось прохождение луча зондирующего лазера через резонатор по его оси. При отсутствии внутри резонатора атома лазерный луч проходил сквозь него. Присутствие же атома вызывало отражение луча, и прозрачность исчезала. В присутствие дополнительного управляющего лазерного луча большой интенсивности, направленного перпендикулярно оси резонатора, прозрачность восстанавливалась. Эффективно один атом действовал как квантовый оптический транзистор с двумя состояниями.

В присутствии атома свет зондирующего лазера отражается (логический ноль). При воздействии управляющего луча атом становится прозрачным (логическая единица).

Исследователи из Цюрихского ETH и EPF в Лозанне разработали транзисторы с высокой скоростью переключения и большей выходной мощностью. Эти устройства могут оказаться более эффективными, чем традиционные транзисторы, и уменьшить потребление энергии и выбросы СО₂.

Транзисторы имеют сложную структуру, некоторые элементы которой измеряются несколькими нанометрами: они строятся из полупроводниковых материалов, осаждаемых на подложке, такой как карбид кремния. Коломбо Болоньези (Colombo Bolognesi), профессор электроники миллиметровых волн из ЕТН, и его исследовательская группа специализируется на разработке высокопроизводительных транзисторов, предназначенных для передачи данных наиболее быстрым и эффективным способом. Для того чтобы достичь этого, электроны должны двигаться как можно быстрее. Как раз в прошлом году группа Болоньези улучшила свой собственный рекорд для так называемых транзисторов с высокой электронной подвижностью (High Electron Mobility Transistors – HEMTs), базированных на материалах из нитрида алюминия галлия, осажденных на кремниевую подложку. Перед этим сравнимые технологии показывали предельную частоту 28 ГГц, но устройства, построенные группой, показали предельную частоту 108 ГГц.

Сейчас группа исследует новый материал: вместо нитрида алюминия галлия выбрана комбинация, содержащая нитрид алюминия индия (AlInN/GaN). Его преимущество заключается в том, что он имеет значительно большую запрещенную зону, чем другие часто используемы полупроводники.

На базе полупроводников с широкой запрещенной зоной могут быть построены транзисторы, работающие при более высоких температурах, уровнях напряжения и получать более мощный выход, чем для полупроводников с более узкой запрещенной зоной, таких как кремний.

Электрод затвора в AlInN/GaN HEMT

Вплоть до недавнего времени транзисторы на AlInN/GaN были более медленными, чем на AlGaN/GaN. Теперь исследователи решили эту проблему. Они достигли предельной частоты 102 ГГц, а затем и 144 ГГц.

Одним из возможных коммерческих применений подобных транзисторов могут быть усилители мощности, используемые в антеннах беспроводных передатчиков. По мнению Болоньези, эффективность беспроводных передатчиков может повыситься на 15—20%% уже сегодня и до 60 % в будущем.

Ученые из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA) совместно с итальянскими теоретиками обнаружили существенное подобие между ультрахолодными атомными газами и высокотемпературной сверхпроводимостью, предполагая, что может существовать сравнительно простое общее объяснение эквивалентного поведения этих двух очень разных систем.

Хотя эффект высокотемпературной сверхпроводимости наблюдается для температур существенно ниже комнатных, понимание деталей, как это работает, может однажды привести к практическому использованию, к примеру, к более эффективной передаче электричества.

Группа из JILA совместно с NIST и Короладским университетом изучает, как ведут себя атомы газа Ферми (атомы с полуцелым спином) при «переходе» в конденсат Бозе-Эйнштейна, при котором атомы образуют тесно связанные пары, подобно куперовским парам электронов в сверхпроводниках. В новом исследовании ученые из JILA применили технику, которую они разработали в 2008 г. для изучения тонких энергетических свойств ультрахолодных атомов. Техника была заимствована из фотоэмиссионной спектроскопии, долгое время используемой для определения энергии электронов в материалах. Группа недавно использовала фотоэмиссионную спектроскопию для получения доказательств образования куперовских пар при температуре выше критической, когда сверхпроводники становятся обычными проводниками. Почему встречается такой дуализм, является сегодня темой для дискуссии.

Ученые из JILA провели серию сравнительных экспериментов для ультрахолодного газа атомов калия и выше температуры, при которой сверхтекучесть исчезает. Подобно группе, изучавшей сверхпроводимость, команда из JILA нашла доказательства образования атомных пар выше критической температуры. Это продемонстрировала существование так называемой «псевдозапрещенной зоны», в которой система сохраняет некоторые пары коррелированных фермионов, но не все характеристики сверхтекучести.

«Что делает это действительно интересным, что две системы в действительности очень разные – ведь высокотемпературный сверхпроводник существенно более сложный, чем атомный газ, - говорит научный сотрудник NIST/JILA Дебора Джин (Deborah Jin). – Наблюдение подобного поведения в экспериментах наводит на мысль, что наличие псевдозапрещенной фазы не требует сложных объяснений, таких как эффекты решетки, двумерность или экзотический механизм образования пар».

Дебора Джин в своей лаборатории

Ученые из NIST разработали первый регулирующий переключатель (“dimmer switch”) для сверхпроводящих цепей, связывающий кьюбит и квантовую шину – обещающую технологию для хранения и передачи информации в квантовых компьютерах будущего. Переключатель является новым типом управляющего устройства, которое может регулировать взаимодействие между этими компонентами и потенциально может ускорить разработку практического квантового компьютера.

В отличие от многих конкурирующих систем, которые хранят и передают информацию, используя квантовые свойства индивидуальных атомов, сверхпроводящие кьюбиты используют осциллирующий электрический ток для хранения данных в форме микроволновой энергии. Сверхпроводящие квантовые устройства изготавливаются подобно современным кремниевым процессорам и могут быть легко произведены в масштабах, необходимых для вычислений.

Новый переключатель от NIST может надежно регулировать силу взаимодействия между двумя типами цепей – кьюбитом и шиной – от 100 МГц и почти до нуля. Этот переключатель является первым, обеспечивающим предсказуемое квантовое поведение во времени с управляемым обменом индивидуальными микроволновыми фотонами между кьюбитом и резонатором. Резонатор служит в качестве «шины» - канала для передачи информации от одной секции компьютера к другой.

Все три компонента (кьюбит, переключатель и резонатор) были сделаны из алюминия с перекрывающимся дизайном на сапфировом чипе. Переключатель является устройством SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), датчиком магнитного поля, который действует как настраиваемый преобразователь. Цепь создается импульсом напряжения, который помещает одну порцию энергии – один микроволновый фотон – в кьюбит. Регулируя магнитное поле, прикладываемое к SQUID, ученые могли изменять энергию связи, или пропускную способность канала между кьюбитом и шиной.

Чип содержит кьюбит (розовый) для хранения квантовой информации, квантовую шину (зеленая) для передачи информации и переключатель (пурпурный), который регулирует взаимодействие между двумя другими компонентами.

Исследователи постоянно работают над тем, чтобы уменьшить разрыв между теорией и практикой квантовых вычислений. Один из путей создания квантовых компьютеров заключается в использовании захваченных ионов в качестве кьюбитов. Однако при масштабировании таких устройств встречаются трудности.

В Институте технологических исследований штата Джорджия (Georgia Tech Research Institute, GTRI) разработали, изготовили и протестировали планарные ионные ловушки, которые могут быть объединены в большой массив. Исследования возглавляют старшие научные сотрудники GTRI Дик Слашер (Dick Slusher) и Алекса Хартер (Alexa Harter).

Планарные ионные ловушки используют комбинацию радиочастотных сигналов и постоянного напряжения, приложенного к алюминиевым электродам, которые размещены слоями на кремниевом субстрате. Планарная геометрия ловушек позволяет их масштабировать до больших систем и предоставляет лучший доступ для лазеров по сравнению с существующими ловушками.

Лазеры применяются для того, чтобы перевести ионы в зацепленное состояние. Используя системы захваченных ионов, исследователи измерили зацепление явно и смогли сохранить его на длительный отрезок времени. На сегодня самое большое число зацепленных ионов (кальция) равно восьми. Для выполнения вычислений, которые нельзя осуществить на классическом компьютере, необходимо по крайней мере 30 ионов. Поэтому, основная проблема заключается в увеличении числа захваченных ионов, которые могут взаимодействовать.

Камера ионной ловушки

Команда из GTRI использовала компьютерную симуляцию электромагнитного поля ловушек и захвата ионов, чтобы разработать универсальные ловушки, способные удержать много ионов. Схема была улучшена с помощью генетических алгоритмов, которые обеспечивали обратную связь для построения формы и размещения электродов, чтобы оптимизировать глубину ловушки и минимизировать нагрев, когда ионы передвигаются между зонами захвата.

Был создан и протестирован прототип устройства. Результаты оказались положительными.

К сожалению, о количестве захваченных ионов в данной новости не сообщается.

Самая точная на сегодня проверка справедливости общей теории относительности (ОТО) была выполнена с помощью двух независимых экспериментов. Результаты получены в обсерватории Chandra X-ray аэрокосмического агентства NАСА.

Каждая из двух команд ученых выполнила крупномасштабные наблюдения за скоплениями галактик (кластерами галактик) – наибольшими объектами во Вселенной, связанными гравитацией. Один результат ограничивает конкурирующие модели тяготения, тогда как второй показывает, что теория Эйнштейна работает на огромных временных отрезках и расстояниях.

Первое открытие существенно ослабляет позиции альтернативной теории гравитации, известной как «f(R) gravity».

В последнее время физики переключили свое внимание на конкурирующие теории тяготения как возможное объяснение ускоренного расширения Вселенной. Сегодня ответственность за это явление несет космологическая константа, которая может быть интерпретирована как энергия, существующая в пустом пространстве. Эту энергию называют темной энергией, чтобы подчеркнуть тот факт, что она не может быть прямо обнаружена.

В f(R)-теории причиной ускорения является не экзотическая форма энергии, а модифицированная сила тяготения. Модифицированная сила также определяет скорость, с которой небольшие укрупнения вещества могут через эоны стать массивными галактическими кластерами, что открывает возможность экспериментальной проверки теории.

Фабиан Шмидт (Fabian Schmidt) из Калифорнийского технологического института в Пасадене с коллегами для оценки использовал массы 49 кластеров в ближнем космосе и сравнил их с предсказаниями теоретической модели и изучением сверхновых и с распределением галактик в дальнем космосе.

Группа не обнаружила существенных расхождений с ОТО на расстояниях, более чем 130 млн. световых лет. Этот предел соответствует стократному улучшению границ, даваемых альтернативной теорией.

Метод на базе роста кластеров обещает служить хорошим тестом и для других модифицированных сценариев теории тяготения, таких как модели на базе теории струн и более высоких размерностей пространства-времени.

Второе независимое изучение также укрепило позиции общей теории относительности посредством прямой ее проверки в космологических масштабах пространства и времени. До недавнего времени ОТО проверялась экспериментами в рамках Солнечной системы, оставляя открытым вопрос о ее справедливости для много больших масштабов.

Чтобы исследовать эту проблему группа из Стэнфордского университета сравнила наблюдения обсерватории Chandra, как быстро росли кластеры галактик, с предсказаниями ОТО. Результаты показали хорошее соответствие между теорией и наблюдениями.

«Теория Эйнштейна снова оказалась успешной, на этот раз в вычислении как много массивных кластеров сформировалось под действием притяжения в течение пяти миллиардов лет, - сказал Дэвид Рапетти (David Rapetti) из Института Кавли при Стэнфордском университете. – Волнующим и обнадеживающим является факт, что наши результаты – наиболее надежная и последовательная проверка ОТО, когда-либо выполненная в космологических масштабах».

Это композиционное изображение галактического кластера Abell 3376 представляет рентгеновское изображение («золото»), оптическое изображение (красное, зеленое и синее) и радиоизображение (синее). Пулеобразные включения вызываются поглощением – поток материи течет в галактический кластер с правой стороны. Гигантские радиодуги на левой стороне картинки могут быть вызваны ударными волнами, генерируемыми этим поглощением.

Рапетти с коллегами обосновали свои результаты на выборке из 238 кластеров, обнаруженных рентгеновским телескопом ROSAT. Эти данные были уточнены посредством измерений масс для 71 кластера в дальней вселенной с помощью Chandra и 23 относительно близких кластера с помощью ROSAT и объединены с результатами изучения сверхновых, микроволнового космического фонового излучения, распределением галактик и кластеров.

Кластеры галактик являются важными объектами в поиске понимания устройства Вселенной в целом. Так как массы кластеров галактик определяются прямо свойствами гравитации, они обеспечивают решающую информацию. Другие методы, такие как наблюдения за сверхновыми или распределением галактик, измеряют космические расстояния, которые зависят только от скорости расширения вселенной. В противоположность им кластерная техника, используемая Рапетти с коллегами, измеряет вдобавок скорости роста космических структур в зависимости от гравитации.

Виртуализация и облачные вычисления предоставляют пользователям компьютерные ресурсы и приложения, локализованные на удаленных группах серверов, но вопросы безопасности в отношении конфиденциальности данных ограничивают доверие публики и замедляют признание этой новой технологии.

Теперь исследователи из Университета Северной Каролины (NCSU) разработали новую технику и ПО, которые могут послужить ключом для решения проблемы. «То, что мы сделали, представляет существенное продвижение в области безопасности для облачных вычислений и других виртуализованных приложений, - говорит адъюнкт-профессор computer science Сюйсянь Цзян (Xuxian Jiang). – Любой, интересующийся виртуализацией, заинтересуется также и этой работой».

Одной из основных угроз для виртуализации и облачных вычислений является вредоносное ПО, которое попадает в один компьютер, а затем распространяется на гипервизор и, в конце концов, на системы других пользователей. «Если осуществляется такой сорт атаки, он нарушает конфиденциальность пользовательских данных в облачных вычислениях, и пользователи не станут доверять этой технологии», - продолжает д-р Цзян.

Группа разработала ПО, называемое HyperSafe, которое использует особенности имеющейся аппаратной части, чтобы обезопасить гипервизор от таких атак.

В типичном случае для воздействия на гипервизор вредоносное ПО должно запустить свой собственный код. Для предотвращения этого HyperSafe использует две компоненты. Первая реализует технику, которая называется non-bypassable memory lockdown (что можно перевести как «не обходимая блокировка памяти»), которая явно и надежно запрещает введение нового кода всем, кроме администратора гипервизора. Попутно она также предотвращает попытки модификации существующего кода гипервизора внешними пользователями. Вторая использует технику, называемую restricted pointer indexing (возможно «ограниченная индексация указателя»), которая вначале определяет показатели нормального поведения гипервизора, а затем предотвращает любое отклонения от снятого профиля. Изменять код гипервизора позволяется только администраторам.