Фотон телепортировали с одного чипа на другой
Физики впервые продемонстрировали процесс квантовой телепортации с одного кремниевого чипа на другой. Их система, построенная на принципах интегральной оптики, использует комбинацию нелинейных источников фотонов и линейных квантовых схем. Такая конструкция обеспечивает одну из самых высоких точностей телепортации на сегодняшний день. Работа опубликована в Nature Physics.
Для построения систем обработки и передачи квантовой информации ученые часто используют принципы интегральной оптики. Оптика обладает несколькими весомыми преимуществами: например, позволяет масштабировать систему, увеличивая ее вычислительные способности. Работа с квантовыми данными в интегральной оптике, однако, требует реализации нескольких сложных механизмов. Такая система должна уметь генерировать группы одиночных фотонов, управлять ими, а, затем — регистрировать.
В предыдущих работах физики уже сталкивались с проблемой создания генератора с достаточно яркими и различимыми фотонами. Кроме того, объединение источника фотонов с квантовыми схемами (регистраторами) в пределах одного компактного устройства — довольно трудная задача. Несмотря на это, в 2014 году ученым удалось произвести квантовую телепортацию фотона в пределах одного кремниевого чипа.
Теперь международная группа ученых во главе с Даниэлем Ллевеллином (Daniel Llewellyn) из Бристольского университета построила систему, позволяющую произвести квантовую телепортацию с одного чипа на другой. Она состоит из двух частей — передатчика (5 × 3 миллиметра) и приемника (3,5 × 1,5 миллиметра). Передатчик представляет собой сеть из нелинейных источников фотонов и линейных квантовых схем.
Сначала генерируются две пары фотонов, которые проходят через датчик, определяющий, запутаны ли они. Затем через волноводные каналы они направляются к линейной квантовой схеме (последовательности квантовых опытов). Последний этап — измерение при помощи системы интерферометров Маха — Цендера (это устройство состоит из волновода, который разветвляется на две части; электроды, расположенные по бокам плеч интерферометра снова сводят пучок в единый). Один из запутанных фотонов отправляется в приемник по десятиметровому оптоволоконному кабелю. Приемник производит те же измерения интерферометром, что и передатчик.
Установка может телепортировать фотоны в пределах одного и двух чипов (в случае с двумя чипами они находились на расстоянии 10 метров друг от друга). Степень совпадения квантовых состояний (точность телепортации) в первом режиме равна 0,906, во втором — 0,885. В работе по телепортации 2014 года физики добились показателя около 0,89.
По словам авторов, их работа может пригодиться в более масштабных проектах на интегральной оптике, которые применимы в сфере квантовой связи и вычислений. Речь идет не только о квантовом компьютере, но и о квантовой сети, реализованной на оптических принципах. Повышение точности передачи данных даст физикам возможность создавать более эффективные средства связи, работающие на основе квантовой телепортации.
Не так давно ученые сфотографировали квантовую запутанность, вы можете посмотреть на нее. А о том, как правильно понимать эксперименты с запутанными частицами нам рассказывал профессор Александр Львовский.
Олег Макаров
Это показали эксперименты с газированными напитками
Американские и французские физики разобрались в причинах, по которым всплывающие в газированном напитке пузыри выстраиваются или не выстраиваются в ровные цепочки. Для этого они проводили эксперименты с дегазированными напитками (газировкой, пивом, игристым вином и шампанским) и модельными жидкостями. В результате ученые выяснили, что на этот эффект влияет размер пузырей и характеристики и количество поверхностно-активных веществ в напитке. Исследование опубликовано в Physical Review Fluids. Всплытие пузырей в жидкости — это неотъемлемая часть множества процессов в природе и технологиях, начиная от просачивания газов из-под океанского дна и заканчивая очисткой сточных вод с помощью насыщения ее кислородом в аэротенках. Важную роль пузыри играют и в производстве газированных напитков: мы уже рассказывали об их роли в восприятии вкуса пива и шампанского. В случае с шампанским всплытие пузырьков играет еще и важную эстетическую роль: они поднимаются в виде почти вертикальных цепочек с постоянным интервалом. Вместе с тем, такое поведение встречается не во всех напитках. Теоретики лишь недавно смогли объяснить причину противоположного поведения: всплытия по зигзагообразным или спиральным траекториям. Причины же возникновения ровных цепочек физикам пока до конца не ясны, равно как и условия, при которых разные режимы всплытия сменяют друг друга. Ответить на эти вопросы взялась команда американских и французских физиков под руководством Роберто Зенита (Roberto Zenit) из Университета Брауна. Им удалось экспериментально и теоретически выяснить, что на формирование стабильных пузырьковых цепочек оказывает влияние два фактора: их размер и наличие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). В случае с напитками последний фактор оказывается решающим — он определяет разницу во всплытии пузырьков между газированной водой и шампанским. Физики проводили опыты в плексигласовом прямоугольном бассейне размером 50 × 50 × 400 миллиметров. На дно бассейна ученые устанавливали иглы различного диаметра закругления, через которые подавали воздух и получали пузырьки разного размера. Контроль подачи воздуха, в свою очередь, регулировал частоту их образования и, как следствие, межпузырьковое расстояние. Исследователи наполняли установку жидкостями, предварительно дегазированными в условиях вакуума: газированной водой, светлым пивом, игристым вином и шампанским. Кроме того, в качестве модельной жидкости они использовали смеси дистиллированной воды и глицерина в различных пропорциях. Эксперименты сопровождались численным моделированием с помощью уравнений Навье — Стокса. Главный результат, полученный физиками, заключается в том, что стабильность цепочки устанавливается при размерах пузырей или количестве ПАВ, выраженного через число Ленгмюра, выше некоторых порогов, а до того они расходятся в пределах конуса. Симуляции показали, что пузырьки нужных размеров могут двигаться прямолинейно только в том случае, если на их поверхности создается достаточная завихренность — тогда подъемная сила, действующая на нижний пузырь под влиянием верхнего, меняет знак и вталкивает его следом. На это, в свою очередь, влияет химический состав напитков: если в пиве ПАВ — это тяжелые белки, то в шампанском эту роль играют более легкие жирные кислоты. Полученные результаты, помимо применения в производстве алкоголя, можно использовать для оценки уровня загрязнения ПАВ практически в любой жидкости. Группу Зенита давно интересуют пузырьки в алкоголе. Ранее мы рассказывали, как физики научно обосновали традиционный способ определения концентрации этанола при перегонке мескаля по времени жизни пузырьков.