Крыло бабочки помогло создать охлаждающую цветную пленку
Ее температура на прямом солнце оказалась до двух градусов ниже окружающего воздуха
Китайские ученые разработали многослойные цветные пленки, которые могут охлаждать поверхность до двух градусов Цельсия по сравнению с температурой окружающей среды. Высоко-насыщенный цвет этих пленок — до 100 процентов цветопередачи — виден в широком диапазоне углов (± 60 градусов). На создание такой структуры физиков вдохновили бабочки вида Morpho menelaus. Статья опубликована в журнале Optica.
Большинство искусственно созданных красок работают из-за поглощения части диапазона видимого света, что может приводить к существенному нагреву окрашенных ими предметов. Чтобы предотвратить нежелательный нагрев часто используют белую краску, которая практически полностью отражает солнечную энергию. Создание разноцветных поверхностей, которые при этом не нагреваются — до сих пор сложная задача. Однако в природе встречается и другой способ цветовой передачи. Например у некоторых бабочек цвет крыльев возникает при возникновении интерференции из-за специфического отражения света от периодической структуры их крыльев.
Ван Гопин (Guo Ping Wong) с коллегами из Шеньчжэньского университета предложили свое решение проблемы нагрева окрашенных поверхностей, как раз вдохновившись структурой крыльев бабочек M. menelaus. Благодаря многослойности и наличию неупорядоченных компонентов, крылья бабочек этого вида передают высокую насыщенность синего цвета в широком угле обзора. Ученые воссоздали аналогичную структуру, поместив нескольких слоев из оксидов титана TiO2 и кремния SiO2, на матовое стекло, расположенное на отражающей серебряной поверхности. Ученые оптимизировали толщину верхних слоев и добились полного отражения нежелательного желтого света. При этом синий свет свободно проникал через верхнюю многослойную структуру, испытывал диффузное отражение от неупорядоченного матового стекла, отражался от серебряного зеркала и, возвращаясь через верхнюю многослойную структуру, обеспечивал насыщенный синий цвет образца.
В результате ученым удалось добиться высокой насыщенности синего цвета, до 100 процентов, в угле обзора ±60 градусов, за исключением узкого диапазона — зеркального по отношению к падающему свету — в котором отражался желтый цвет. При этом эта пленка обеспечила охлаждение до двух градусов Цельсия ниже температуры окружающей среды, что сравнимо с эффективностью бесцветной охлаждающей пленки на основе серебра и полидиметилсилоксана (ПДМС). Охлаждение образца происходило за счет высокой эффективности диффузного отражения синей части спектра, малого поглощения нежелательной части видимого спектра и ближнего инфракрасного излучения, а также из-за высокого излучения в среднем инфракрасном диапазоне.
Ученые создали по той же технологии образцы различных цветов и экспериментально измерили их способность охлаждать поверхности, располагая их на крыше здания института и на автомобилях. Обычная синяя краска при температуре воздуха 27 градусов Цельсия и на прямом солнце нагревалась в этих экспериментах до примерно 70 градусов. А образцы новой пленки в тех же условиях продемонстрировали температуру поверхности до 45 градусов ниже.
Авторы статьи подсчитали, что за обычный метеорологический год в Шеньчжене замена обычной синей краски на охлаждающую могла бы привести к сохранению около 1377 мегаджоулей на квадратный метр энергии, требующейся на охлаждение. Ученые полагают, что дальнейшая оптимизация структуры пленок, например замена серебра на многослойный диэлектрик, позволит еще больше увеличить охлаждающий эффект.
Ученых не в первый раз привлекла способность неупорядоченных структур в природных объектах к охлаждению. Они хорошо рассеивают солнечный свет, что можно использовать, например, для предотвращения таяния льдов.
Этот подход может оказаться полезным не только для сверхпроводниковых кубитов
Ученые из Google предложили новый способ создания квантовых схем, адаптированный под сверхпроводниковые кубиты. Он позволяет решить проблему длительных измерений во время процесса вычислений, приготовления состояния или любого протокола передачи информации. Работа опубликована в Nature. Любое измерение в квантовой теории изменяет состояние, или, как говорят физики, заставляет волновую функцию коллапсировать. Несмотря на очевидные проблемы и сложности, к которым приводит такое действие измерения на квантовое состояние, ученые научились этим пользоваться. Например, при создании квантовой запутанности или в схемах с квантовой телепортацией. Важно заметить, что измерения в теории и измерения в эксперименте отличаются по своей природе. Дело в том, что существующие квантовые схемы еще не избавились от шумов, поэтому измерять их можно только статистически — проводить много измерений, собирать их статистику и основываясь на ней делать какие-то выводы. Ученые из Google Quantum AI предложили новый подход к схемам измерения на своих сверхпроводниковых вычислителях. Они предложили поменять местами пространственные и временные координаты квантовой схемы, для того, чтобы проводить измерения только в конце одного прохода схемы. Такой подход позволил им приготавливать многокубитные запутанные состояния и реализовать протокол телепортации на схеме в 70 кубитов. Любая квантовая схема вне зависимости от ее конечного применения обычно состоит из двух видов операций — унитарные операции (именно их математически корректно использовать для описания того как меняется квантовая система) и проективные измерения. Первые обычно изменяют состояние, преобразовывают его, а вторые как раз помогают зарегистрировать результат. Для коррекции ошибок или других применений бывает удобно делать измерения посреди процесса вычисления. Если для платформ на нейтральных атомах это оказывается удобно и быстро, то в случае сверхпроводников длительность измерений не позволяет реализовать большое число операций за один проход. Поэтому авторы предложили альтернативу измерению внутри квантовой схемы, взяв за основу «двойственность пространства и времени». Если представить себе квантовую схему любого процесса в виде цепочек, расположенных друг под другом, где каждая цепочка — кубит, а ее длина — время, то можно говорить, что она изображена в пространственно-временных координатах, где по вертикали — пространственная координата (кубиты), а по горизонтали — временная. Ученые предлагают «повернуть» координатную плоскость на 90 градусов, и все операции измерения, которые были внутри схемы, вынести по времени на самый последний шаг. Понятно, что в таком случае нужно будет адаптировать те унитарные операции, которые изначально формировали схему. Чтобы проверить жизнеспособность предложенного метода, физики использовали преобразованную схему для генерации запутанных состояний и ввели меру запутанности — энтропию Реньи. Их схема сформирована из двухкубитных операций fSim, которые в свою очередь состоят из операции переброса SWAP (меняет кубиты местами) и операции, меняющей фазу. Авторы поэкспериментировали с параметрами этих вентилей (то же самое, что операция) и увидели, что их схема позволяет приготавливать разные по характеру запутанности типы состояний. Возможность измерять состояние только на последнем временном этапе схемы накладывает ограничения на ее длину и число измерений: чем длиннее цепочка с преобразованиями (глубина цепи) и чем больше измерений нужно провести, тем больше времени это займет. Фиксируя один параметр — в данном случае число измеряемых на выходе кубитов — можно следить за тем как будет зависеть степень запутанности от другого — глубины цепи. Для 19-кубитой схемы, в которой 12 кубитов измерялось на выходе, а оставшиеся 7 формировали запутанное состояние, физики обнаружили фазовый переход степени запутанности при глубине порядка 4. Кроме этого, на схеме из 70 кубитов для разного числа измеряемых кубитов ученые протестировали возможность и качество квантовой телепортации. В стандартном протоколе телепортации для восстановления телепортированного состояния применяют корректирующую операцию, которая зависит от результата измерения (чтобы получить такое же состояние, которое задетектировали). В авторском протоколе декодирования тоже есть корректирующие операции, которые ограничены классическим переворотом битов, а точность телепортации описывается величиной, зависящей от энтропии Реньи. Физики говорят, что масштабируемость телепортации для большего числа кубитов остается открытой проблемой. Подробно о том, как создавался квантовый вычислитель, на котором авторы проводили все эксперименты, и как он работает можно узнать из нашего материала «Квантовая коррекция», а посмотреть, что еще тестировали на нем — тут.
