Фотоны помогли запутать два узла квантовой памяти на расстоянии 50 километров
Физикам из Китая впервые удалось запутать два узла квантовой памяти через оптоволокно длиной 50 километров. Для создания квантовых корреляций между узлами, каждый из которых содержал 100 миллионов охлажденных атомов, ученые использовали фотоны на телекоммуникационных частотах. Этот эксперимент в будущем позволит создавать крупномасштабные квантовые сети, что может помочь развитию квантового интернета. Статья опубликована в Nature.
Квантовая коммуникация требует передачи запутанных состояний на большие расстояния. В последние десятилетия был достигнут заметный прогресс в создании масштабной запутанности, при которой фотоны передаются между узлами по оптоволокну или через спутник. Однако серьезные потери при передаче состояний, которые возникают из-за неидеальной среды, не дают ученым правильным образом распределить фотоны между узлами. Кроме того, последние эксперименты по созданию запутанности между квантовыми системами, способными хранить информацию достаточно долго (квантовая память), показали, что при существующих подходах невозможно распределить запутанные фотоны между узлами памяти на расстоянии больше 1,3 километра.
Цзянь-Вэй Пан (Jian-Wei Pan) и Сяо-Хуэй Бао (Xiao-Hui Bao) из Научно-технического университета Китая и их коллеги создали запутанное состояние двух узлов из ансамблей охлажденных атомов, помещенных в резонатор. Узлы были связаны оптоволокном, а запутанность строилась через фотоны, частоты которых были сдвинуты таким образом, чтобы потери в оптоволокне были минимальными. Этот трюк позволил физикам создать рекордно большое запутанное состояние.
Каждый узел содержал в себе 100 миллионов охлажденных атомов рубидия, помещенных в оптическую ловушку и охлажденных лазером. Физики установили ловушки в резонатор для улучшения считывания квантового состояния и уменьшения шума. В качестве исследуемого долгоживущего состояния использовалось коллективное возбуждение атомов — такая система формирует квантовую память.
Запутанность создавалась в несколько этапов. Сначала необходимо создать локальную запутанность между ансамблем атомов и фотонами-переносчиками. Затем частота фотона-переносчика, который знает о состоянии первого ансамбля, изменяется с целью сокращения дальнейших потерь в оптоволкне. То же самое происходит со вторым ансамблем и его фотонами: фотоны отправляются по оптоволокну на станцию для измерения корреляций между фотонами-переносчиками от первого и от второго узла с помощью белловских измерений.
В результате ученым удалось подтвердить запутанность на расстоянии 50 километров с вероятностью 83,2 процента. Для этого они разместили оба узла в лаборатории Научно-технического университета Китая, а станцию для измерения запутанности в научном парке Хэфэя. Локации были соединены двумя каналами оптоволокна длиной 25 километров, а по каждому каналу отправлялись фотоны-переносчики.
Результаты эксперимента показывают, что, по сравнению со запутанностью фотон-фотон, которую часто используют в квантовых сетях, запутанность атом-фотон лучше подходит для передачи квантовой информации на большие расстояния.
В сентябре 2017 года эта же группа ученых установила рекорд дальности квантовой связи: с помощью спутника ученые телепортировали квантовое состояние на расстояние более 7500 километров.
Михаил Перельштейн
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.