Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Физики скорректировали критерий перехода открытой квантовой системы в режим сильной связи
Группа ученых из МФТИ, ВНИИ автоматики имени Н. Л. Духова, Института теоретической и прикладной электродинамики и Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова построила теоретическую модель, которая описывает динамику открытых квантовых систем вблизи особых точек. Работа помогает лучше понять и описать процессы обмена энергией в квантовых устройствах, таких как квантовые компьютеры и сенсоры.
Результаты опубликованы в Journal of the Optical Society of America B. Как и в классической термодинамике, в реальных квантовых системах, например в кубитах квантового компьютера или лазерах, с течением времени часть энергии переходит в окружающую среду. Подобные системы, из которых «утекает энергия», называются открытыми, а сам процесс «утечки» — диссипацией. Чтобы точно описать диссипацию в квантовых устройствах, нужно решить огромные системы дифференциальных уравнений. Поэтому делаются приближения, позволяющие упростить описание, но воспроизвести поведение открытой квантовой системы в достаточной степени корректно.
Все подобные приближения имеют свои границы применимости. В квантовой динамике есть важный параметр, от которого отталкиваются при выборе приближений, — сила связи между подсистемами открытой квантовой системы. Грубо говоря, сила связи показывает, насколько интенсивно обмениваются энергией между собой части открытой квантовой системы. А ее отношение к скорости диссипации демонстрирует, какой из процессов превалирует: энергия утекает из системы или путешествует между ее частями.
Текущие модели хорошо работают в предельных режимах, когда соотношение силы связи к диссипации велико или очень мало. Однако при переходе между этими двумя режимами модели плохо описывают, как происходит перенос энергии. Но именно в этом диапазоне параметров проявляются так называемые особые точки открытой квантовой системы. Их наличие является отличительной особенностью систем с диссипацией. Сами особые точки представляют промышленный интерес, так как позволяют конструировать чувствительные сенсоры.
С другой стороны, переход через особую точку при увеличении силы связи между подсистемами означает переход открытой квантовой системы в режим сильной связи. Именно в этом режиме можно долго поддерживать кубиты квантового компьютера запутанными. Поэтому важно понимать, находится система в режиме сильной или слабой связи. Однако определение перехода системы в режим сильной связи по ее переходу через особую точку затруднительно.
Так получается из-за того, что само определение особой точки, строго сформулированное на языке линейной алгебры, подразумевает, например, что два кубита с одинаковыми скоростями диссипации будут находиться в режиме сильной связи при любом ненулевом значении связи между ними. Это не соответствует физическому представлению о том, что следует называть сильной связью. Также не во всех подходах к описанию диссипации квантовых систем особая точка существует в принципе, хотя режим сильной связи имеет место.
Физики из МФТИ нашли способ иначе определить переход в режим сильной связи. Они построили физическую модель, которая описывает динамику диссипации в системе из двух двухуровневых квантовых систем во всех диапазонах соотношений сил связей между подсистемами и скоростями диссипации. Всю работу можно разделить на три части: построение модели для описания динамики открытых квантовых систем, которая была бы применима вне зависимости от соотношения сил связей и скоростей диссипации, квантовую термодинамику таких систем и приложение к квантовой оптике.
Первый автор статьи Иван Вовченко, младший научный сотрудник кафедры теоретической физики МФТИ, объясняет: «Наша работа относится к трем основным направлениям: динамике открытых квантовых систем, квантовой термодинамике и квантовой оптике. Мы хотели построить более релевантные модели для описания динамики открытых квантовых систем, а также исследовать поведение энергетических потоков на квантовых масштабах. Кроме того, применить построенную модель для приложений в квантовой оптике, сформулировав энергетический критерий для перехода системы в режим сильной связи».
Ученые рассматривали общую задачу, но можно объяснить ее на частном примере кубитов — битов в квантовом компьютере. Они, как и обычные биты, принимают два значения: 0 и 1, но их роль выполняют реальные квантовые объекты: фотоны, атомы и т. п., чьи энергетические уровни отвечают значениям 0 и 1. Один кубит можно считать одной подсистемой, второй кубит — второй подсистемой. Оба помещены в резервуары, изолированные от внешнего мира. Если кубиты обмениваются между собой энергией больше, чем со своим окружением (резервуарами), значит, система находится в состоянии сильной связи, и их нужно рассматривать как некую общую систему. Если же они связаны между собой слабее, чем с окружением (резервуаром), то связь слабая, то есть, грубо говоря, энергия утекает из системы быстрее, чем циркулирует внутри нее.
В первой «сугубо теоретической» части работы физики построили подход, который соединял области сильной и слабой связи, а также описывал поведение данной системы вблизи ее особой точки. Затем изучалась термодинамика этой системы. Были исследованы зависимости потоков энергии от параметров системы и проведен сравнительный анализ с более классическими подходами к описанию диссипации.
Далее ученые показали, что при переходе в режим сильной связи происходит насыщение потока энергии — он выходит на свое максимальное значение и при дальнейшем увеличении связи между кубитами практически не меняется. Таким образом физики получили энергетический критерий для определения перехода в режим сильной связи.
Иван Вовченко добавляет: «Режим сильной связи имеет большое практическое значение в плане конструирования искусственных квантовых систем. Так, например, кубиты намного проще поддерживать запутанными в режиме сильной связи. Мы сформулировали некоторый критерий, который на языке стационарных потоков энергии позволяет сказать, когда система переходит через свою особую точку в режим сильной связи».
Также ученые с помощью разработанного теоретического аппарата показали, что сенсоры на особой точке имеют фундаментальные ограничения на детектирование частиц по спектру матрицы рассеяния: существует некоторая минимальная энергия, с которой частица должна провзаимодействовать с сенсором, чтобы быть задетектированной.
Новая теоретическая база практически применима, например, для тех же кубитов. В режиме сильной связи можно строить долгоживущие и более устойчивые к помехам запутанные кубиты, что позволит надежно хранить информацию и проводить более качественные квантовые вычисления. Более того, с помощью нового подхода можно описывать динамику диссипации энергии в любой открытой квантовой системе.
Иван Вовченко рассказывает: «Мы начали лучше понимать, как устроена необратимая динамика на квантовых масштабах. Все это придумывалось для того, чтобы потом использовать в приложении к каким-то реальным устройствам. Поэтому нужно правильно понимать, как происходят процессы диссипации, потому что применение не той модели не в том диапазоне параметров может привести к серьезным физическим несостыковкам. Мы научились более грамотно описывать динамику системы и с помощью частично-секулярного подхода сняли ограничение на соотношение между константами связи между подсистемами и скоростями диссипации».
Также Иван делится планами и рассказывает о работе теорфизиков: «В ходе работы появляется больше вопросов, чем ответов. Мы обозначили то, что поняли из этой работы, но точно так же можно обозначить еще и то, что осталось неясным, и этого окажется больше. Отсюда берутся вопросы и идеи для новых исследований. Для ответа на вопрос сначала строится некоторая качественная модель, затем эта модель проверяется численно. Если все сходится, про это пишется работа, в ходе которой появляются новые вопросы. И так по кругу. Сейчас мы работаем над формулировкой точных критериев применимости частично-секулярного подхода и планируем построить модель для описания лазера из квантовых первопринципов».
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и Фонда развития теоретической физики и математики «БАЗИС». Исследование провели ученые из МФТИ, Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН, ВНИИ автоматики имени Н. Л. Духова, а также Института теоретической и прикладной электродинамики РАН.
В поиске сигналов от внеземных цивилизаций ученые решили сосредоточиться не на целенаправленных посланиях человечеству, а на случайных «утечках информации» из межпланетного пространства гипотетической обитаемой системы. По расчетам, в определенные моменты до нас могут доходить сигналы внеземной космической связи. Кстати, благодаря «общению» Земли с марсианскими и другими зондами мы тоже постоянно невольно сообщаем о себе в глубокий космос.
Модель, представленная учеными из коллаборации DESI и Мичиганского университета (США), может перевернуть представления о происхождении темной энергии. Авторы нового исследования полагают, что черные дыры, поглощая вещество, постепенно преобразовывают его в энергию, гипотетически ответственную за расширение Вселенной.
Устройство Вселенной обычно описывают с помощью уравнений общей теории относительности Эйнштейна. Но чтобы понять, как гравитация ведет себя в экстремальных условиях — например, при рождении черных дыр или в момент гипотетической инфляции — классического подхода недостаточно. Сделать это можно, как показали авторы нового исследования, обратившись к методу численной относительности.
К 2025 году около 30 стран приняли программы по развитию водородной энергетики, а совокупный объем инвестиций в эту область превысил 150 миллиардов долларов. Эксперты полагают, что замена дизельных авто на водородные снизит выбросы на 80-90%, а водородные самолеты способны уменьшить углеродный след на 50-75%. Но при использовании водорода в двигателях внутреннего или внешнего сгорания, происходит взаимодействие с металлом, что наиболее опасно при высоких температурах. Это может вызвать их разрушение, в результате чего возникает риск пожара или взрыва с тяжелыми последствиями для пассажиров. Ученые Пермского Политеха впервые выяснили, как водород влияет на металлы в условиях экстремальных температур (800 градусов и выше), в которых работают двигатели самолетов и машин. Это продвинет авиационную, машиностроительную и нефтегазовую отрасли в безопасном использовании водорода в качестве источника энергии.
Ученые обнаружили косвенные доказательства существования мира размером с Землю за орбитой Нептуна. Эта гипотетическая планета отличается от предполагаемой Девятой планеты не только размером, но и гравитационным влиянием на другие объекты.
Большие кошки (Pantherinae) обычно охотятся на животных своего или меньшего размера. У снежных барсов, как выяснилось, другие предпочтения. Новое исследование показало, что ирбисы чаще нападают на взрослых горных козлов, которые как минимум вдвое превосходят хищников в весе. Ученые объяснили, с чем может быть связан такой выбор добычи.
Примерно 12 800 лет назад в Северном полушарии началось резкое изменение климата, которое сопровождалось вымиранием мегафауны и угасанием культуры Кловис. Такое могло произойти, например, из-за прорыва пресных вод в Атлантику или мощного вулканического извержения. Несколько лет назад ученые обнаружили места на суше с повышенным содержанием элементов платиновой группы, прослоями угля, микрочастицами расплава. По их мнению, это может быть признаком пребывания Земли в потоке обломков кометы или астероида. В новой работе впервые представлены доказательства кометного события в позднем дриасе из морских осадочных толщ.
Возраст находок — около 5500 лет, они лежат во множестве круглых ям, чьи стены укреплены кирпичом. Среди обнаруженных орудий из кремня есть и сотни неиспользованных, которые могут быть ритуальным подношением богам.
Гостингом (от английского «призрак») называют ситуацию, когда человек прекращает общение или отношения, «пропадая с радаров» без объяснения причин. Исследователи из США сымитировали такое поведение, а затем проанализировали реакцию людей на него.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
ПонятноИз-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
ПонятноНаши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
ПонятноМы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно
Комментарии