mój rynek

mój rynek

Menu

Get your dropdown menu: profilki

wtorek, 21 czerwca 2016

Praktyczne próby wykorzystania kwantowej informatyki

Zespół naukowców z Google, Uniwersytetu Kraju Basków, University of California i Ikerbasque - Baskijskiej Fundacji Nauki, opracował sposób na połączenie dwóch wiodących pomysłów na stworzenie komputera kwantowego w jednej maszynie.

Naukowcy naprawdę chcieliby dowiedzieć się, jak zbudować prawdziwy komputer kwantowy, który pozwoli na rozwiązywanie problemów nierozwiązywalnych dla maszyn konwencjonalnych. Ale niestety, idea takiego komputera funkcjonuje głównie na gruncie teoretycznym.



Aby przenieść niektóre z pomysłów z teorii do rzeczywistości, naukowcy zbudowali rzeczywistą maszynę – jej stworzenie oparte jest na dwóch najważniejszych podejściach do budowy komputera kwantowego.

Pierwsze podejście opiera się na modelu bram, w którym qubity są połączone ze sobą w celu utworzenia prymitywnego obwodu symulującego logiczną bramkę kwantową; każda bramka logiczna jest w stanie wykonać jeden konkretny rodzaj działania. Każda z bramek logicznych musi być zaprogramowana z wyprzedzeniem do wykonywania owych zadań.

Przy drugim podejściu qubity nie oddziałują ze sobą, lecz są utrzymywane w stanie podstawowym, gdzie następnie mogą ewoluować do systemu zdolnego do rozwiązywania danego problemu. Rezultatem jest tak zwana: maszyna adiabatyczna. Niestety, w tym podejściu nie ma możliwości, iż kiedykolwiek będzie możliwe korzystanie z pełnej mocy obliczeniowej oferowanej przez informatykę kwantową.

Stosując nowe podejście: naukowcy próbowali wykorzystać pozytywne cechy obu podejść tworząc maszynę,  będącą standardowym komputerem kwantowym, a następnie użyli jej do symulacji adiabatycznej maszyny. Wykorzystując 9 qubitów i ponad 1000 bramek logicznych, uzyskali efekt pozwalający na komunikację qubitów, które mogą być włączane i wyłączane w razie potrzeby.

Mechanika kwantowa może przyczynić się do rozwiązywania złożonych problemów w fizyce i chemii, o ile jest możliwe zaprogramowanie jej w urządzeniu fizycznym. W adiabatycznej informatyce kwantowej system powoli ewoluuje od stanu prostej funkcji Hamiltona do końcowego Hamiltonianu kodującego problem. Atrakcyjność tego podejścia polega na połączeniu prostoty i ogólności; w zasadzie każdy problem może być kodowany. W praktyce wnioski są ograniczone przez ograniczoną łączność, dostępność interakcji i zakłócenia.

poniedziałek, 13 czerwca 2016

Bramka Fredkina

Naukowcy z Uniwersytetu Griffith i University of Queensland rozwiązali jedno z kluczowych wyzwań dotyczących komputerów kwantowych poprzez uproszczenie skomplikowanej kwantowej operacji logicznej..

Urokiem komputerów kwantowych jest niezrównana moc obliczeniowa.
Podobnie jak w naszym codziennym komputerze: mózgu, komputer kwantowy składa się z łańcuchów bramek logicznych, a bramki te wykorzystują zjawiska kwantowe.
Główną przeszkodą w rzeczywistym stworzeniu komputera kwantowego jest  minimalizacja ilości zasobów potrzebnych do skutecznego wdrożenia układów przetwarzania.
Podobnie do budowy ogromnej ściany, składającej się wielu małych cegieł, duże układy kwantowe wymagają bardzo wielu bramek logicznych, aby funkcjonować. Jednakże, jeśli są stosowane większe cegły na tej samej ścianie, to może być ona zbudowana z mniejszej ilości cegieł.


Obecnie nawet małe i średnie kwantowe układy komputerowe nie mogą być wytwarzane ze względu na wymóg integracji wielu bramek.
W eksperymencie wykorzystano tak zwaną bramkę Fredkina – jest to bramka, w której dwa qubity są zamieniane w zależności od wartości trzeciego.
Zazwyczaj bramka Fredkina wymaga wdrożenia obwodu pięciu operacji logicznych. Zespół badawczy wykorzystał kwantowe splątanie fotonów cząstek światła do wykonania  bezpośrednio kontrolowanej operacji zamiany.
Istnieją kwantowe algorytmy obliczeniowe, takie jak algorytm Shor, odpowiedzialne za znalezienie liczb pierwszych, które wymagają operacji kontrolowanej zamiany.
Bramka kwantowa Fredkina może być również stosowana do przeprowadzenia bezpośredniego porównania z dwoma zestawami qubitów (bitów kwantowych) w celu określenia, czy są one takie same czy nie. Jest to nie tylko przydatne w informatyce, ale jest istotną cechą niektórych bezpiecznych protokołów komunikacji kwantowej, gdzie celem jest sprawdzenie, czy dwa ciągi lub podpisy cyfrowe są takie same.
Profesor Geoff Pryde stwierdził:

"To, co jest ekscytujące w naszym systemie to to, że nie ogranicza się tylko do kontrolowania, czy qubity są zamienione, ale mogą być stosowany do wielu różnych operacji związanych ze sposobem kontrolowania większych obwodów. To może wyzwolić aplikacje, które do tej pory były poza zasięgiem”.

wtorek, 29 marca 2016

Szkło Bosego


Wykorzystując jedne z najpotężniejszych superkomputerów, naukowcy z University of Illinois dokonali symulacji, aby pomóc w wyjaśnieniu jednego z najbardziej beznadziejnych problemów fizyki.

Jedną z największych tajemnic fizyki jest problem interakcji wielu cząstek kwantowych - nie rozumiemy, co się dzieje, gdy cząstki kwantowe spotykają się i współdziałają ze sobą. Problem ten obejmuje zarówno kwestie energii jądrowej w gwiazdach neutronowych, jak i takie jak transport elektronów w fotosyntezie oraz kwarków i gluonów wewnątrz protonu.
Eksperyment polega na schłodzeniu atomów gazu do zaledwie miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego, w celu symulowania doświadczalnie modeli materiałów, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe.
W tych doświadczeniach, atomy odgrywają rolę elektronów w materiale, a zaburzenia są w pełni kontrolowane i znane i mogą być zmieniane w 90-sekundowym cyklu eksperymentalnym.


Szkło Bosego jest dziwnym i trudnym do zrozumienia izolatorem, który może wystąpić, gdy do nadprzewodnika dodawane jest zaburzenie.

Symulacje komputerowe są w stanie obrazować stosunkowo dużą liczbę cząstek, na przykład 30.000 cząstek węgla, i pokazać coś zaskakującego – ta sama wielkość zaburzenia przekształca powtarzalnie nadprzewodnik w szkło Bosego.


Wynik ten jest niezwykle ważne dla zrozumienia nieuporządkowanych materiałów kwantowych, które są wszechobecne, ponieważ zaburzenie jest trudne do uniknięcia.

piątek, 11 marca 2016

Jak powstał wszechświat

Jak powstał Wszechświat? A co było przed Wielkim Wybuchem? Kosmolodzy zadają te pytania odkąd odkryli, że Wszechświat się rozszerza. Odpowiedzi nie są łatwe. Początek kosmosu jest zamaskowany i ukryty przed wzrokiem naszych najpotężniejszych teleskopów. Jednak pewne obserwacje mogą dać wskazówki co do pochodzenia wszechświata.

Najbardziej powszechnie akceptowany scenariusz teoretyczny jest następujący: na początku wszechświata była inflacja: w pierwszym ułamku sekundy wszechświat rozszerzał się w postępie geometrycznym. Jednak istnieje kilka alternatywnych scenariuszy; przykładowo taki, że przed Wielkim Wybuchem nastąpiło Wielkie Chrupnięcie.

Jednym z obiecujących źródeł informacji o początku wszechświata jest promieniowanie reliktowe (CMB) - resztka blasku po Wielkim Wybuchu, które przenika całą przestrzeń. Na początku ten blask jest gładki i jednolity, ale po bliższym przyjrzeniu się zmienia się w niewielkim stopniu. Zmiany te pochodzą z fluktuacji kwantowych obecnych przy narodzinach wszechświata, które zostały rozciągnięte, kiedy wszechświat się rozszerzał.

Konwencjonalne podejście do odróżnienia różnych scenariuszy opiera się na ewentualnych śladach fal grawitacyjnych, generowanych w pierwotnym wszechświecie, w CMB. "Tu proponujemy nowe podejście, które pozwoliłyby nam bezpośrednio ujawnić historię ewolucyjną pierwotnego wszechświata z sygnałów astrofizycznych. Ta historia jest unikalna dla każdego scenariusza", mówi  Xingang Chen z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CFA) oraz University of Texas w Dallas.

O ile wcześniejsze badania eksperymentalne i teoretyczne dawały wskazówki co do zmian przestrzennych w pierwotnym wszechświecie, brakuje im kluczowego elementu: czasu. Bez tykającego zegara do pomiaru upływu czasu, ewolucyjna historia pierwotnego wszechświata nie może być ustalona w sposób jednoznaczny.

Nowe badania wskazują, że istnieje taki "zegar", i może być używany do pomiaru upływu czasu po narodzinach wszechświata. Zegary te przyjmują postać ciężkich cząstek, które stanowią podstawę do "teorii wszystkiego", która zjednoczy mechanikę kwantową i ogólną teorię względności. Są one nazwane "pierwotnymi standardowymi zegarami".

Subatomowe ciężkie cząstki będą zachowywać się jak wahadło, oscylujące w tę i z powrotem w standardowy sposób. Mogą nawet robić to w sposób kwantowo-mechaniczny bez popychania na początku.


"Tykania tych pierwotnych standardowych zegarów stworzyłoby odpowiedniki wahań dla mikrofalowego tła kosmicznego, którego wzór jest unikalny dla każdego scenariusza",  mówi współautor Yi Wang Hong Kong University of Science and Technology. Jednakże obecne dane nie są wystarczająco dokładne, by dostrzec takie małe wahania.

Prowadzone eksperymenty powinny znacznie poprawić sytuację. Projekty takie jak BICEP3, Keck Array CFA i wiele innych  eksperymentów na całym świecie, zbierają dokładne dane dotyczące CMB w tym samym czasie – podczas poszukiwania fal grawitacyjnych. Jeżeli wahania w pierwotnych standardowych zegarach są wystarczająco silne, eksperymenty powinny znaleźć je w następnym dziesięcioleciu.


Pierwotne standardowe zegary byłyby składnikiem "teorii wszystkiego" i dostarczyłyby dowodów na istnienie fizyki poza Modelem Standardowym i na skalę energii niedostępnych dla zderzaczy na ziemi. 

poniedziałek, 29 lutego 2016

Symulowana czarna dziura

Badacze wykazali, jak specyficznie ukształtowana czarna dziura może być przyczyną załamania ogólnej teorii względności Einsteina - fundamentu współczesnej fizyki. Jednakże taki obiekt może istnieć tylko we wszechświecie z pięcioma lub więcej wymiarami.
Naukowcy z University of Cambridge i Queen Mary University of London, z powodzeniem symulowali czarną dziurę w kształcie bardzo cienkiego pierścienia, który daje początek do serii "wybrzuszeń" połączonych strunami które stają się coraz cieńsze z upływem czasu. Te struny w końcu stają się tak cienkie (rysunek "c" - czerwony), że odrywają się, tworząc szereg miniaturowych czarnych dziur, podobnie jak cienki strumień wody z kranu, rozpada się na krople.
Pierścieniowe czarne dziury zostały odkryte przez fizyków teoretycznych w 2002 roku, ale jest to pierwszy raz, kiedy ich dynamika została skutecznie symulowana za pomocą superkomputerów. Gdyby ten typ postaci czarnej dziury prowadził do pojawienia się "nagiej osobliwości", unieważniłby równania ogólnej teorii względności.
Ogólna teoria względności stanowi podstawę naszej obecnej wiedzy o grawitacji: począwszy od oszacowania wieku gwiazd we wszechświecie, do sygnałów GPS, wiedza dająca podstawy do nawigacji jest oparta na równaniach Einsteina. Teoria ta mówi nam, że materia zakrzywia czasoprzestrzeń i jej otoczenie, a to, co my nazywamy grawitacją, jest efektem tej osnowy. W ciągu 100 lat, od momentu jej publikacji, ogólna teoria względności przeszła wszystkie testy, które zostały jej narzucone – jednakże jej ograniczeniem jest istnienie „osobliwości”.
Osobliwość jest to punkt, w którym grawitacja jest tak intensywna, że przestrzeń, czas i prawa fizyki załamują się. Ogólna teoria względności przewiduje, że osobliwości występują w centrum czarnych dziur, i że są one otoczone przez horyzont zdarzeń - "punkt bez powrotu", gdzie grawitacja staje się tak silna, że ​​ucieczka jest niemożliwa, co oznacza, że ​​nie mogą być obserwowane z zewnątrz.
                                       Źródło: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.071102

"Dopóki osobliwości pozostają ukryte za horyzontem zdarzeń, nie sprawiają kłopotów i ogólna teoria względności jest aktualna.
Ale co, jeśli osobliwości istnieją poza horyzontem zdarzeń?
Gdyby tak było, nie tylko byłyby widoczne z zewnątrz, ale reprezentowałyby obiekty, które posiadają nieskończoną gęstość – byłyby to tak zwane ”nagie osobliwości”.  
Jeśli istnieją nagie osobliwości, to ogólna teoria względności załamuje się - nie ma już żadnej mocy predykcyjnej i nie może być traktowana jako samodzielna teoria, wyjaśniająca wszechświat.
Myślimy o wszechświecie jako istniejącym w trzech wymiarach, ewentualnie w czwartym wymiarze czasu, które łącznie są określane jako czasoprzestrzeń. Ale w działach fizyki teoretycznej, takich jak teoria strun, wszechświat może się składać z aż 11 wymiarów. Dodatkowe wymiary mogą być duże i wyraziste, lub mogą być zwinięte, małe i trudne do wykrycia. Ponieważ ludzie mogą tylko bezpośrednio postrzegać trzy wymiary, istnienie dodatkowych wymiarów można wywnioskować jedynie poprzez eksperymenty na bardzo wysokich energiach.

Korzystając z superkomputera COSMOS, naukowcy byli w stanie przeprowadzić pełną symulację kompletnej teorii Einsteina w wyższych wymiarach, co pozwala im nie tylko potwierdzić, że owe "czarne pierścienie” są niestabilne, ale także wykryć ich ewentualny los. Przeważnie czarny pierścień zapada się z powrotem w kulę, tak że osobliwość zatrzymuje zawarty wewnątrz horyzont zdarzeń. Tylko bardzo cienki czarny pierścień staje się na tyle niestabilny, że ​​tworzy wybrzuszenie połączone coraz cieńszymi strunami, aż w końcu zerwanie i utworzenie nagiej osobliwości
                      Źródło: http://www.cam.ac.uk/research/news/five-dimensional-black-hole-could-break-general-relativity

wtorek, 23 lutego 2016

Metal jak woda

Od momentu jego odkrycia - dekadę temu - naukowcy i tech guru okrzyknęli grafen super materiałem, który może zastąpić krzem w elektronice, zwiększać wydajności baterii, wytrzymałość i przewodność ekranów dotykowych i utorować drogę do taniej cieplnej energii elektrycznej.

Szeroki na jeden atom grafen jest mocniejszy niż stal, twardszy niż diament i jest jednym z najbardziej przewodzących materiałów na ziemi.

Jednakże istnieje kilka wyzwań, które należy pokonać, zanim produkty oparte na grafenie będą wprowadzane na rynek. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć podstawową fizykę tego unikalnego materiału -  co jest to bardzo trudne do wykonania.

Okazuje się, iż w przypadku grafenu, po raz pierwszy odkryto elektrony w metalu zachowujące się jak ciecz.

W celu dokonania tej obserwacji ulepszono metody tworzenia ultra czystego grafenu i opracowano nowy sposób pomiaru przewodności cieplnej. Badania te mogą doprowadzić do powstania nowych urządzeń termoelektrycznych, jak również dostarczenia modelu układu do odkrywania egzotycznych zjawisk, takich jak czarne dziury i plazmy o wysokiej energii.


W zwykłych metalach trójwymiarowe elektrony trudno oddziałują ze sobą. Ale dwuwymiarowa struktura grafenu  działa jak autostrada elektronowa, na której wszystkie cząstki mają podróżować w tym samym pasie ruchu. Elektrony w grafenu zachowują się jak bezmasowe relatywistyczne obiekty, niektóre z ładunkiem dodatnim, a niektóre z ładunkiem ujemnym. Poruszają się z niesamowitą prędkością - 1/300 prędkości światła - i  przewiduje się, że zderzają się ze sobą dziesięć bilionów razy na sekundę w temperaturze pokojowej. Te intensywne oddziaływania pomiędzy cząstkami nigdy nie były wcześniej obserwowane w zwykłym metalu.

Zespół stworzył ultra-czystą próbkę przez wciśnięcie jednego atomu grafenu między dziesiątki warstw elektrycznie izolującego doskonale przeźroczystego kryształu o podobnej strukturze atomowej co grafen.

Istotne jest, aby stworzyć grafen bez ingerencji z  otoczenia – jeśli grafen otacza coś, co jest szorstkie i nieuporządkowane, to będzie przeszkadzać w ruchu elektronów.


Następnie utworzono rodzaj zupy cieplnej z naładowanych dodatnio i ujemnie cząstek na powierzchni grafenu i obserwowano jak te cząstki płynęły, traktując je jako prądy termiczne i elektryczne.


Większość naszego świata – czy to płynie jak woda (Hydrodynamika) czy to porusza się po krzywej - jest opisana przez fizykę klasyczną. Bardzo małe rzeczy, takie jak elektrony, są opisane przez mechanikę kwantową, bardzo duże i bardzo szybkie rzeczy, takie jak galaktyki, są opisane przez fizykę relatywistyczną, zapoczątkowaną przez Alberta Einsteina.

Połączenie tych praw fizyki jest bardzo trudne, ale istnieją skrajne przykłady, gdzie zachodzą na siebie systemy o wysokiej energii, takie jak supernowe i czarne dziury i które mogą być opisane poprzez połączenie klasycznej teorii hydrodynamiki z teorią względności Einsteina.


Wracając do grafenu: gdy silnie oddziałujące cząstki grafenu były napędzane przez pole elektryczne, nie zachowywały się jak pojedyncze cząstki, ale jak płyn, który może być opisany przez hydrodynamikę.

Zamiast oglądać jak jedna cząstka została dotknięta przez siłę elektryczną lub cieplną, można zobaczyć energię, ponieważ płynie ona z wielu cząstek, jak fala przez wodę.


Fizykę odkrytą dzięki analizie czarnych dziur i teorii strun, można zaobserwować w grafenie. Jest to pierwszy model relatywistycznej hydrodynamiki w metalu.

środa, 17 lutego 2016

Demon

Demon Maxwella - hipotetyczna istota, która wydaje się naruszać drugą zasadę termodynamiki, została szeroko zbadana, odkąd w 1867 roku zaproponował ją James Clerk Maxwell. Większość z tych badań miała charakter teoretyczny, a tylko garstka eksperymentów miała za cel faktyczne udowodnienie istnienia demona.

Obecnie mamy do czynienia z pierwszą fotonową implementacją demona Maxwella – drogą ku temu są pomiary dwóch wiązek światła; pomiędzy tymi wiązkami zaburzana jest równowaga, a uzyskana energia może być przeznaczona do ładowania baterii.

W oryginalnym eksperymencie myślowym, demon stoi pomiędzy dwoma polami cząsteczek gazu. Początkowo średnia energia (lub prędkości) cząsteczek gazowych w każdym polu jest taka sama. Ale demon może otworzyć małe drzwi w ścianie pomiędzy polami, aby zmierzyć energię każdej cząstki gazu, która zdąża w kierunku drzwi, i pozwala jedynie cząstkom wysoko-energetycznym przejść z jednej na drugą stronę i nisko-energetycznym cząstkom w kierunku odwrotnym.


Z biegiem czasu, jedno pole zyskuje wyższą średnią energię niż drugie, co tworzy różnicę ciśnień. Powstająca siła pchania może być następnie wykorzystana do pracy.




Z biegiem lat, fizycy rozwiązali ten pozorny paradoks, wyjaśniając, że choć demon może nie działać bezpośrednio na układ, jednak musi zdobywać informacje do swoich pomiarów. Usuwanie informacji z pamięci demona wymaga pracy, dzięki czemu sumarycznie nie może być zysku netto w postaci pracy.

W wersji fotonowej, fizycy zastąpili pola cząsteczek gazu dwoma impulsami światła. Demon, przy użyciu fotodetektora, może mierzyć liczbę fotonów z każdego impulsu, a dodatkowo ma do dyspozycji urządzenie, które otwiera drzwi dla jaśniejszej wiązki – z większa ilością fotonów w jedną stronę, a w drugą stronę przepuszcza ciemniejszą wiązkę.


Poszczególne wiązki odprowadzane są do fotodiod, a imbalans energii ładuje podłączony kondensator.


Choć naukowcy nie zmierzają do osiągnięcia optymalnej ekstrakcji pracy, jest możliwe, że jakiś rodzaj demona Maxwella może kiedyś mieć praktyczne zastosowanie.

Naukowcy mają nadzieję, że nowy model będzie prowadzić do lepszego zrozumienia związku między informacjami i termodynamiką, który jest niezbędny dla zrozumienia termodynamiki w mikroskali i poniżej. Najnowsze osiągnięcia technologii układów składających się z tylko jednej lub kilku cząstek wymagają lepszego zrozumienia mikroskali termodynamiki, podobnie jak silnik parowy pomógł naukowcom lepiej zrozumieć makroskopową termodynamikę w 19 wieku.

Teoria w mikroskali termodynamiki może mieć wiele zastosowań, w tym w technologii koncentrowania zasobów energetycznych. Może również pomóc naukowcom zbadać rolę koherencji kwantowej w termodynamice, z aplikacjami w kwantowych technologiach informatycznych.