В 2024 году мир науки вновь оказался на передовой прогресса, подарив нам множество впечатляющих достижений в физике и математике. Наш журнал подготовил обзор ключевых открытий и исследований, которые обозначили новые горизонты в этих фундаментальных науках.
Лазерное охлаждение позитрония
Коллаборация AEgIS в CERN совместно с учеными из Токийского университета добились значимого успеха, независимо продемонстрировав лазерное охлаждение позитрония. Позитроний – это уникальное связанное состояние электрона и позитрона. Снижение температуры этого состояния посредством лазерного охлаждения усиливает точность спектроскопии и способствует увеличению производства антиводорода. Эти достижения играют ключевую роль в изучении антиматерии и проверке положений Стандартной модели физики частиц.
Новый тип магнетизма
На протяжении последнего столетия было известно о существовании двух основных типов магнитных материалов. Это знание связано с тем, что в твердых телах атомы окружены электронами со спином, который формирует крошечные магнитные поля вокруг каждого атома. В ферромагнитных материалах все спины могут быть упорядочены в одном направлении, что придает таким материалам намагниченность, превращая их в постоянные магниты. В антиферромагнитных материалах спины соседних атомов направлены в противоположные стороны, что приводит к обнулению суммарной намагниченности. Из-за этого антиферромагнетики очень устойчивы и практически не поддаются намагничиванию. Когда французский физик Луи Неель получил Нобелевскую премию в 1970 году за открытия в этой сфере, он назвал антиферромагнетизм интересным, но бесполезным. Однако в последние годы ученые начали разрабатывать технологии для создания спинтронных устройств из антиферромагнетиков. Эти устройства могут работать быстрее, так как спины в антиферромагнетиках могут переворачиваться в 1000 раз быстрее, чем в ферромагнетиках, что значительно ускоряет обработку информации.
Альтермагнетики – это новый тип магнитных материалов, где спины атомов вращаются независимо, сочетая свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Они обладают нулевой суммарной намагниченностью и высокой стабильностью, как антиферромагнетики, но легко намагничиваются, как ферромагнетики, что делает их перспективными для создания устройств памяти.
Теоретически более 200 материалов могут проявлять свойства альтермагнетиков, но их идентификация остается сложной задачей. Для этого ученые используют лазерное освещение, чтобы обнаружить характерное расщепление энергии электронов. В январе 2024 года южнокорейские физики наблюдали такое расщепление в теллуриде марганца. Теперь задача – научиться синтезировать и применять эти материалы.
Ядерные часы
В 2003 году немецкие физики Эккехард Пейк и Кристиан Тамм предложили сделать часы на основе тория-229, уникального изотопа с низкоэнергетическим ядерным переходом, возбуждаемым ультрафиолетом. Спустя 20 лет, в 2024 году, международная группа ученых из JILA и NIST добилась значительных успехов, измерив частоту с высокой точностью и собрав основные элементы ядерных часов.
Эти часы более надежны и точны, чем атомные, поскольку их ядро защищено от внешних помех, а высокая частота лазера обеспечивает больше «тиков» в секунду. Ядерные часы помогут изучать фундаментальные силы природы и могут быть использованы для поиска темной материи и проверки теорий, таких как теория струн.
Для пользователей это означает более точные навигационные системы, быстрый Интернет и надежную цифровую связь.
Коррекция квантовых ошибок
Две независимые команды, одна из Гарвардского университета, другая из Google Quantum AI, достигли значительных успехов в области коррекции квантовых ошибок. Гарвардская команда продемонстрировала успешную коррекцию ошибок на атомном процессоре с 48 логическими кубитами. В то же время команда Google реализовала коррекцию ошибок ниже порога поверхностного кода на сверхпроводящем чипе. Эти достижения существенно приближают человечество к созданию практических квантовых компьютеров, которые смогут решать сложные задачи.
Новая квантовая система вычислений
Физики из ЮАР разработали новую систему квантовых вычислений, которая использует простые дисплеи и лазерные лучи.
Команда Structured Light Lab создала простую и доступную технологию, которая способна существенно улучшить мощность квантовых вычислений. Исследователи использовали лазеры, цифровые экраны и обычные линзы для создания системы, которая оперирует светом, что выполнить математические задачи.
Для показа метода ученые сделали квантовый алгоритм Дойча-Йожи, способный быстрее стандартных компьютеров определять, является ли операция предсказуемой или случайной. Новая система уже может работать с 16 уровнями данных вместо 2, как в классических компьютерах.
Этот способ очень удобен для стран с ограниченными ресурсами, потому как он использует доступные компоненты и не требует дорогостоящей техники.
Квантовая телепортация через интернет
Исследователи из Северо-Западного университета США совершили прорыв в квантовой связи, успешно телепортировав квантовое состояние света на 30 километров через волоконно-оптический кабель, работающий при интенсивном интернет-трафике. Это открывает новые горизонты для создания сетей квантовой связи с улучшенным шифрованием.
Квантовая телепортация предполагает передачу квантовых свойств объекта между двумя точками, что особенно сложно в условиях интернет-трафика. Команда разработала методы минимизации рассеяния света и предотвращения смешивания фотонов, что позволило осуществить квантовую связь без помех.
Американские ученые стали первыми, кто успешно телепортировал квантовое состояние в реальном интернет-потоке, подтверждая возможность интеграции квантовых технологий в существующую инфраструктуру. Это достижение открывает путь к созданию квантового интернета для надежной связи между удаленными точками.
Пучок достиг цели
Новосибирскими исследователями был успешно запущен линейный ускоритель, который служит стартовой ступенью для ускорительного комплекса Центра коллективного пользования «Сибирского кольцевого источника фотонов» (ЦКП «СКИФ»). Электронный пучок, созданный в электронном источнике ЦКП «СКИФ», прошел через всю 25-метровую структуру линейного ускорителя. Его параметры, включая положение, размер, энергию и суммарный заряд, были зафиксированы с помощью люминофорных датчиков, спектрометра и цилиндра Фарадея и соответствуют проектным данным.
Синхротрон СКИФ относится к 4+ поколению и обладает яркостью, еще не достигнутой даже лучшими мировыми источниками синхротронного излучения. Эти уникальные характеристики позволят проводить передовые исследования с использованием интенсивных рентгеновских пучков в таких областях, как химия, физика, материаловедение, биология, геология и даже гуманитарные науки.
«Сухой лед» сжат
Российские ученые впервые в мире изучили свойства твердого углекислого газа при экстремально высоком давлении, сравнимом с давлением в ядре Земли. В рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ) и при поддержке Госкорпорации «Росатом» они смогли сжать молекулу «сухого льда» более чем в четыре раза. Это исследование важно, так как «сухой лед» играет ключевую роль в физико-химических процессах земной коры, которые связаны с такими явлениями, как землетрясения, извержения вулканов и внезапные выбросы пород и газа. Понимание свойств газов при экстремальных условиях поможет лучше изучить процессы, происходящие в недрах Земли и других планет.
Квантовый компьютер
Научная группа из Российского квантового центра (РКЦ) и Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) первой в стране создала 50-кубитный квантовый компьютер. Это достижение стало результатом работы в рамках дорожной карты по развитию квантовых вычислений, координатором которой является Госкорпорация «Росатом», а экспертную поддержку оказывает Российская академия наук. Новый универсальный квантовый вычислитель на ионной платформе с 50 кубитами стал самым мощным в России, и доступ к нему осуществляется через облачную платформу для запуска базовых квантовых алгоритмов.
Сооснователь РКЦ Руслан Юнусов отметил, что всего четыре года назад в России было всего два кубита, а сегодня 50-кубитный результат является лучшим в стране. Это только начало пути к масштабному внедрению квантовых вычислений, и в рамках дорожной карты до 2030 года планируется разработка промышленных квантовых компьютеров. В мире аналогичные исследования занимают в среднем 15 лет, что делает темпы развития российского квантового проекта одними из самых высоких.
Кроме того, исследователи из Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и РКЦ представили прототип 50-кубитного квантового вычислителя на основе одиночных нейтральных атомов рубидия. Эта разработка также реализована в рамках дорожной карты «Квантовые вычисления». Прототип создан на базе одиночных нейтральных атомов рубидия, удерживаемых оптическими пинцетами. Кубиты кодируются внутренними степенями свободы этих атомов. Работоспособность системы и удалённый доступ через облачную платформу были успешно продемонстрированы в эксперименте 19 декабря 2024 года, подтвердив выполнение заявленных целей.
Новая формула числа Пи
Индийские ученые нашли более эффективный способ вычисления числа Пи (π) в процессе исследования теории струн. Работая над задачей расчета амплитуд колебаний струн, они наткнулись на более точный метод приближения числа Пи, который вместо 5 миллиардов членов для достижения точности в 10 знаков использует всего 30 членов для получения до 100 знаков после запятой.
Первоначально ученые не стремились найти новый способ представления Пи. Их целью было изучение взаимодействий частиц высокой энергии в квантовой теории с использованием меньшего количества параметров. Однако открытие привело к значительному увеличению точности вычислений Пи, что может помочь в дальнейшем развитии теории струн.
Несмотря на то, что открытие остается теоретическим, оно вызвало широкий резонанс в научном сообществе. После критики, высказанной Питером Войтом, многие уважаемые издания пересмотрели свои публикации о новом методе вычисления числа Пи, предложенном индийскими математиками. Войт подчеркнул, что открытие представляет собой не новый способ вычисления Пи, а более удобный подход для расчетов параметров рассеяния частиц высокой энергии. После его замечаний пресс-релизы были исправлены, чтобы отразить истинную природу открытия.
Еще больше инновационных открытий и изобретений на нашем сайте в разделе «Новости» и в наших соцсетях: https://vk.com/nauktech и https://t.me/naukaitehnologi Подписывайтесь!
