Entanglement stabilizzato di massicci oscillatori meccanici

L'elusivo fenomeno della meccanica quantistica chiamato entanglement è ora diventato realtà in oggetti di dimensioni quasi macroscopiche. I risultati pubblicati su Nature mostrano come due teste di tamburi vibranti, la larghezza di un capello umano, possono mostrare l'azione spettrale.

Nel 1935, Einstein osservò che la meccanica quantistica, la teoria fondamentale della natura sviluppata di recente, implica l'esistenza di una "azione spettrale a distanza", che divenne presto nota come "entanglement". Permette agli oggetti di influenzarsi a vicenda su distanze arbitrarie senza alcuna interazione diretta. Il fenomeno sfida la fisica classica e la nostra comprensione del senso comune della realtà.

Oggigiorno, l'entanglement è considerato una pietra angolare della meccanica quantistica ed è stato precedentemente confermato in esperimenti con sistemi microscopici come la luce o gli atomi. L'entanglement è anche la risorsa chiave per una serie di tecnologie quantistiche potenzialmente trasformative, come il calcolo quantistico e la trasmissione di informazioni, nei decenni a venire.

L'entanglement quantico è, tuttavia, estremamente fragile e sparirà se le particelle entangled interagiscono con l'ambiente circostante, ad esempio attraverso disturbi termici. Per lungo tempo è stato considerato insensato che l'intreccio potesse verificarsi tra oggetti più grandi degli atomi o delle molecole.

Un gruppo guidato dal professor Mika Sillanpää presso il dipartimento di fisica applicata dell'Università di Aalto ha ora dimostrato il contrario. I loro risultati sono stati pubblicati su Nature, la rivista scientifica più stimata al mondo.

Nelle loro misurazioni di laboratorio, i ricercatori sono riusciti a portare due oggetti distinti e in movimento, quasi visibili ad occhio nudo, in uno stato quantico aggrovigliato in cui si sentono l'un l'altro attraverso "l'azione spettrale" con la quale Einstein era notoriamente a disagio. Gli oggetti negli esperimenti erano due teste di tamburi vibranti fabbricate da alluminio metallico su un chip di silicio. Le teste di tamburo sono veramente massicce e macroscopiche rispetto alla scala atomica: il loro diametro è simile alla larghezza di un capello umano.

"I corpi vibranti sono fatti per interagire tramite un circuito a microonde superconduttore. I campi elettromagnetici nel circuito portano via qualsiasi disturbo termico, lasciandosi alle spalle solo le vibrazioni meccaniche quantistiche ", afferma il professor Sillanpää, descrivendo l'impostazione sperimentale.

Eliminare tutte le forme di rumore esterno è fondamentale per gli esperimenti, motivo per cui devono essere condotte a temperature estremamente basse vicino allo zero assoluto, a -273 ° C. Sorprendentemente, l'approccio sperimentale consente di mantenere l'insolito stato di entanglement per lunghi periodi di tempo, in questo caso fino a mezz'ora. In confronto, le misurazioni su particelle elementari hanno visto l'entanglement a durare solo piccole frazioni di secondo.

"Queste misurazioni sono impegnative ma estremamente affascinanti. In futuro, tenteremo di teletrasportare le vibrazioni meccaniche. Nel teletrasporto quantico, le proprietà dei corpi fisici possono essere trasmesse attraverso distanze arbitrarie usando il canale di "azione spettrale a distanza". Siamo ancora piuttosto lontani da Star Trek, tuttavia, "afferma il Dr. Caspar Ockeloen-Korppi , l'autore principale del lavoro, che ha anche eseguito le misurazioni.

I risultati dimostrano che è ora possibile avere il controllo sulle proprietà più delicate di oggetti le cui dimensioni si avvicinano alla scala della nostra vita quotidiana. Il risultato apre le porte a nuovi tipi di tecnologie quantistiche, in cui le teste di tamburi aggrovigliate potrebbero essere utilizzate come router o sensori. La scoperta consente anche nuovi studi di fisica fondamentale, ad esempio, l'interazione scarsamente comprensibile della gravità e della meccanica quantistica.

Il team ha inoltre incluso scienziati dell'Università del New South Wales in Australia, dell'Università di Chicago negli Stati Uniti e dell'Università di Jyväskylä in Finlandia, le cui innovazioni teoriche hanno aperto la strada all'esperimento di laboratorio.

La ricerca sperimentale è stata condotta presso l'infrastruttura di ricerca nazionale OtaNano per le micro e nanotecnologie in Finlandia ed è stata finanziata anche dal Consiglio europeo della ricerca, dal programma di ricerca e innovazione di Orizzonte 2020 dell'Unione europea e dall'Accademia di Finlandia.

Articolo di ricerca: CF Ockeloen-Korppi, E. Damskagg, J.-M. Pirkkalainen, AA Clerk, F. Massel, MJ Woolley, MA Sillanpaa: "Entanglement stabilizzato di massicci oscillatori meccanici". Nature 556, 7702 (2018). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0038-x

Articolo: L'azione spettrale di Einstein diventa enorme!

Tornando al futuro, i ricercatori inventano il condensatore del flusso reale

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La macchina del tempo "Ritorno al futuro" gira su un condensatore di flusso immaginario, ma l'invenzione del film potrebbe diventare realtà?

Nel popolare film in uscita Ritorno al futuro , uno scienziato eccentrico crea una macchina del tempo che gira su un condensatore di flusso .

Ora un gruppo di fisici reali provenienti dall'Australia (RMIT University, University of Queensland) e dalla Svizzera (ETH di Zurigo) ha proposto un dispositivo simile che può rompere la simmetria dell'inversione del tempo.

Sebbene il loro condensatore di flusso non consenta il viaggio nel tempo, è un passo fondamentale nelle tecnologie future come il computer quantico e potrebbe portare a una migliore elettronica per telefoni cellulari e wifi.

La ricerca, pubblicata su Physical Review Letters , propone una nuova generazione di circolatori elettronici - dispositivi che controllano la direzione in cui si muovono i segnali delle microonde.

Il professore di RMIT Jared Cole ha detto che il dispositivo proposto nella ricerca è stato costruito da un superconduttore, nel quale l'elettricità può fluire senza resistenza elettrica.

"Proponiamo due diversi circuiti possibili, uno dei quali ricorda l'iconico design a tre punte del condensatore di flusso che vediamo nei film" Ritorno al futuro "," Cole, della School of Science, ha detto.

"In questo circuito, i" tubi "quantici del flusso magnetico possono muoversi attorno a un condensatore centrale mediante un processo noto come tunneling quantico, in cui superano ostacoli classicamente insormontabili".

La combinazione di campi magnetici e cariche elettriche porta a ciò che i fisici chiamano "simmetria inversa del tempo rotto " .

Questo effetto non ci consente di viaggiare indietro nel tempo, ha detto il professor Tom Stace, dell'Università del Queensland.

"Invece, significa che i segnali circolano attorno al circuito in una sola direzione, proprio come le auto di una rotonda", ha detto.

Un tale dispositivo può essere utilizzato per isolare parti di un apparato sperimentale l'una dall'altra, il che è critico quando le singole parti sono sistemi quantistici estremamente sensibili.

L'autore principale, il dott. Clemens Mueller, ETH di Zurigo, ha affermato che il dispositivo è un componente cruciale per le tecnologie di prossima generazione, incluso il tanto ricercato computer quantistico.

"La nostra ricerca fa un passo importante verso il potenziamento di questa tecnologia, in cui i ricercatori devono dirigere con precisione i segnali di controllo e misurazione attorno a un computer quantistico."

Nel breve termine, la ricerca potrebbe trovare applicazioni nello sviluppo di una migliore elettronica per antenne per telefoni cellulari e wifi e per migliorare il radar.

La carta, il circolatore superconduttore passivo on-chip che utilizza un anello di giunzioni a tunnel , è pubblicato in Physical Letters (DOI 10.1103 / PhysRevLett.120.213602).

La ricerca fa parte di una collaborazione tra due centri di eccellenza del Consiglio di ricerca australiano: il Centro ARC per le future tecnologie elettroniche a bassa energia ( FLEET ) e il Centro di eccellenza ARC per i sistemi quantistici ingegnerizzati ( EQUS ).

Storia: Gosia Kaszubska

Come una particella può stare ferma nello spazio-tempo rotante

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Quando un oggetto astrofisico massiccio, come una stella del bosone o un buco nero, ruota, può causare lo spazio-tempo circostante a ruotare insieme a esso a causa dell'effetto del trascinamento del frame. In un nuovo articolo, i fisici hanno dimostrato che una particella con le giuste proprietà può stare perfettamente immobile in uno spazio-tempo rotante se occupa una "orbita statica", un anello di punti situato a una distanza critica dal centro dello spazio-tempo rotante.

I fisici, Lucas G. Collodel, Burkhard Kleihaus e Jutta Kunz, dell'Università di Oldenburg in Germania, hanno pubblicato un articolo in cui propongono l'esistenza di orbite statiche in spazi di rotazione rotanti in un recente numero di Physical Review Letters .

"Il nostro lavoro presenta con estrema semplicità una caratteristica a lungo ignorata di alcuni spazi che è piuttosto controintuitiva", ha detto Collodel a Phys.org . "La relatività generale è in circolazione da poco più di cento anni e non smette mai di stupire, ed esplorare il modo in cui le diverse distribuzioni di energia possono deformare la geometria dello spaziotempo in modo non banale è la chiave per una comprensione più profonda. "

Nel loro articolo, i fisici identificano due criteri per cui una particella deve rimanere a riposo rispetto a un osservatore statico in uno spazio-tempo rotante. Primo, il momento angolare della particella (fondamentalmente la sua stessa rotazione) deve avere il giusto valore in modo che annulli perfettamente la rotazione a causa del trascinamento del frame. Secondo, la particella deve essere localizzata precisamente nell'orbita statica, un anello attorno al centro dello spazio-tempo rotante in cui la particella non viene né tirata verso il centro né spinta via.

Un punto chiave è che non tutti gli oggetti astrofisici con spazi rotanti hanno orbite statiche, che in futuro potrebbero aiutare i ricercatori a distinguere tra diversi tipi di oggetti astrofisici. Come spiegano i fisici, per avere un'orbita statica, una metrica dello spaziotempo rotante (fondamentalmente la funzione che descrive gli spazi in termini di relatività generale) deve avere un minimo locale, che corrisponde alla distanza critica alla quale si trova l'orbita statica. In un certo senso, una particella può quindi essere "intrappolata" a riposo in questo minimo locale.

I fisici identificano diversi oggetti astrofisici che hanno orbite statiche, comprese le stelle del bosone (stelle ipotetiche fatte di materia bosonica che, come i buchi neri , hanno un'immensa gravità ma non emettono luce), wormhole e buchi neri pelosi (buchi neri con proprietà uniche, come ad un costo aggiuntivo). D'altra parte, i buchi neri di Kerr (che si pensa siano il tipo più comune di buco nero) non hanno metriche con minimi locali e quindi non hanno orbite statiche. Quindi la prova di un'orbita statica potrebbe fornire un modo per distinguere tra i buchi neri di Kerr e alcuni degli oggetti meno comuni con orbite statiche.

Mentre i fisici riconoscono che è improbabile aspettarsi che una particella con il giusto momento angolare esista proprio nel posto giusto per rimanere a riposo in uno spazio-tempo rotante, potrebbe essere ancora possibile rilevare l'esistenza di orbite statiche dovute a cosa succede nelle vicinanze. Si prevede che le particelle inizialmente a riposo vicino alle orbite statiche si muovano più lentamente di quelle situate più lontano. Quindi, anche se i ricercatori non osservano mai una particella immobile, possono osservare particelle che si muovono lentamente nelle vicinanze, a indicare l'esistenza di un'orbita statica nelle vicinanze.

"Riconoscere l'esistenza dell'anello statico ci aiuta a capire meglio cosa pianificare e aspettarci dalle osservazioni future", ha detto Collodel. "Ad esempio, possiamo cercare l'anello per identificare possibili oggetti esotici, come la stella del bosone, o anche assicurare con sicurezza (osservando l'anello) che un AGN [nucleo galattico attivo] non è alimentato da un Kerr nero In futuro prevediamo di indagare su come la presenza dell'anello potrebbe influenzare i dischi di accrescimento, che in questa fase sono molto più facili da osservare e se potrebbe proteggere alcuni oggetti dalla materia in caduta. "

 Esplora ulteriormente: buchi neri, spaziotempo curvo e calcolo quantistico

Ulteriori informazioni: Lucas G. Collodel, Burkhard Kleihaus e Jutta Kunz. "Orbite statiche in spazi di rotazione rotanti". Lettere di revisione fisica . DOI: 10.1103 / PhysRevLett.120.201103

Anche su arXiv: 1711.05191 [gr-qc]

Riferimento alla rivista: Physical Review Letters



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Due diverse forme d'acqua isolate per la prima volta

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Gli scienziati hanno isolato per la prima volta le due diverse forme di molecole d'acqua.

Le molecole d'acqua erano conosciute come due distinti "isomeri", o tipi, basati sulle loro proprietà leggermente diverse a livello atomico.

Separando i due isomeri, i ricercatori sono stati in grado di dimostrare che si comportano diversamente nel modo in cui subiscono reazioni chimiche.

Il lavoro appare in Nature Communications.

In termini di base, le molecole d'acqua consistono in un singolo atomo di ossigeno legato ad una coppia di atomi di idrogeno (H₂O).

Tuttavia, possono essere ulteriormente suddivisi in base a una proprietà dei nuclei nei cuori degli atomi di idrogeno - il loro "giro".

Mentre non girano nel senso che capiremmo, questa proprietà dei nuclei di idrogeno influisce sulla rotazione delle molecole d'acqua stesse.

Se gli spin nucleari dei due atomi di idrogeno in acqua sono orientati nella stessa direzione, si chiama orto-acqua. Se sono disposti in direzioni diverse, è noto come para-acqua.

Dato che gli isomeri sono molto simili, è stato particolarmente difficile separarli. Ma il prof. Stefan Willitsch e i suoi colleghi sono riusciti a farlo usando i campi elettrici.

Sono stati quindi in grado di indagare su come le diverse forme di acqua hanno reagito con un'altra sostanza chimica.

Hanno usato ioni diatrolito ultracold (una forma di azoto) per questo test. I ricercatori hanno scoperto che il para-acqua ha reagito circa il 25% più velocemente con il diazillio rispetto all'orto-acqua.

Poiché la rotazione delle molecole di H₂O è influenzata dallo spin nucleare, diverse forze attrattive agiscono tra i partner in questa reazione chimica. I ricercatori hanno supportato questa interpretazione utilizzando la modellazione al computer.

Il professor Willitsch, dell'Università di Basilea in Svizzera, ha affermato che la ricerca potrebbe contribuire a migliorare il controllo su altri tipi di reazioni chimiche.

"Quanto migliore è in grado di controllare gli stati delle molecole coinvolte in una reazione chimica, tanto meglio i meccanismi e le dinamiche sottostanti di una reazione possono essere studiati e compresi", ha affermato.

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Articolo: Rapporto della BBC sull'isolamento di due diverse forme di acqua per la prima volta /