Исследователи из Университета Британской Колумбии (UBC) предложили решение ключевой проблемы в квантовых сетях: устройство, которое может «переводить» микроволновые сигналы в оптические и наоборот.
Технология может служить универсальным переводчиком для квантовых компьютеров, позволяя им взаимодействовать друг с другом на больших расстояниях и преобразовывая до 95% сигнала практически без шума. Всё это помещается на кремниевом чипе — том же материале, который используется в обычных компьютерах.
«Это как найти переводчика, который почти правильно передаёт каждое слово, сохраняет смысл сообщения и не добавляет фонового шума», — говорит автор исследования Мохаммад Халифа, который проводил исследование во время своей докторской работы на факультете прикладных наук UBC и в Институте квантовой материи Стюарта Блуссона (SBQMI).
«Самое главное, что это устройство сохраняет квантовые связи между удалёнными частицами и работает в обоих направлениях. Без этого у вас были бы просто дорогие отдельные компьютеры. С ним вы получаете настоящую квантовую сеть», — добавляет он.
Впервые в эксперименте в газовой фазе обнаружены высокозаряженные мюонные ионы
Международная группа исследователей, включая членов Института физики и математики Вселенной им. Кавли (Kavli IPMU, WPI), впервые в эксперименте в газовой фазе напрямую наблюдала «высокозаряженные мюонные ионы» — совершенно новый класс экзотических атомных систем. Исследование было опубликовано онлайн 16 июня в журнале Physical Review Letters.
Наблюдение подчёркивает возможности передовых сверхпроводящих микрокалориметров с переходным краевым датчиком (TES) в выявлении ранее недоступных атомных явлений.
Нормальные атомы состоят из ядра и связанных электронов и электрически нейтральны. Однако, когда многие электроны удаляются, атом становится высокозаряженным. Эти заряженные атомы, известные как высокозаряженные ионы, являются ценными инструментами для исследований в различных областях, включая фундаментальную физику, ядерный синтез, науку о поверхности и астрономию.
Исследователи особенно заинтересованы в плазме — ионизированном газе, состоящем из положительных ионов и электронов, — который встречается в средах с высокой энергией, таких как Солнце и звёзды. Изучение высокозаряженных ионов в плазме помогает углубить наше понимание материи в экстремальных условиях.
Хотя прямой доступ к этим средам невозможен, анализ характеристического рентгеновского излучения, испускаемого высокозаряженными ионами, позволяет получить представление об их структуре и поведении.
Команда сосредоточилась на высокозаряженных мюонных ионах, которые содержат отрицательно заряженные элементарные частицы, называемые мюонами (см. рис. 1). Изучение этих ионов может открыть новые направления исследований.
Исследование проводилось под руководством доцента Такумы Окумуры из Токийского столичного университета и главного научного сотрудника Тосиёки Адзумы из RIKEN и Международного центра квантово-полевых измерительных систем для изучения Вселенной и частиц (QUP) при Исследовательской организации ускорителей высоких энергий (KEK).
В команду также входили сотрудники из различных учреждений: Тадаши Хашимото (RIKEN), Коичиро Шиномору (KEK), Дайджи Като (Национальный институт по изучению термоядерного синтеза), Ясуси Кино и Хирофуми Нода (Университет Тохоку), Синья Ямада (Университет Риккио), Синдзи Окада и Юичи Тояма (Университет Чубу), Тадаёси Такахаси (Kavli IPMU) и Сяо-Мин Тонг (Университет Цукубы).
Высокозаряженные мюонные ионы образуются, когда отрицательный мюон — более тяжёлый родственник электрона — захватывается атомом. Во время мюонного каскада большинство связанных электронов выбрасываются, оставляя в атоме только один или несколько.
Хотя теоретические модели предсказывали существование высокозаряженных мюонных ионов, таких как H-подобные, He-подобные и Li-подобные конфигурации, они никогда не наблюдались экспериментально из-за их короткого времени жизни и отсутствия достаточно чувствительных спектроскопических методов.
Эксперименты проводились на линии D2 экспериментальной установки Muon Science (MUSE) на базе Центра экспериментальной физики материалов и наук о жизни (MLF) в Японском комплексе по исследованию протонов (J-PARC) в Токаи-мура, Ибараки. MUSE способна производить самые интенсивные в мире низкоэнергетические мюонные пучки, что позволяет генерировать высокозаряженные мюонные ионы.
Для обнаружения этих ионов команда усовершенствовала свою экспериментальную установку. Они использовали сверхпроводящий микрокалориметр с переходным краевым датчиком (TES), детектор рентгеновского излучения, разработанный для высокоточной спектроскопии, включая космические рентгеновские наблюдения.
Используя атомы аргона (Ar) в качестве мишеней, измеренные рентгеновские спектры соответствовали теоретическим предсказаниям (см. рис. 2). Пик, наблюдаемый со стороны высоких энергий, был испущен «H-подобным» высокозаряженным мюонным ионом аргона (μAr¹⁶⁺) с одним связанным электроном, в то время как три пика со стороны низких энергий соответствовали характеристическому рентгеновскому излучению, испускаемому «He-подобными» μAr¹⁵⁺ и «Li-подобными» μAr¹⁴⁺ ионами с двумя или тремя связанными электронами соответственно.
Успешное наблюдение высокозаряженных мюонных ионов демонстрирует эффективность методов команды и открывает путь для расширенных исследований мюонных атомных систем.