Квантовое перемешивание и его аномалии
Многие квантовые системы, от сетей квантовой связи до чёрных дыр, как считается, демонстрируют явление, известное как перемешивание информации. В этом процессе изначально локализованная квантовая информация рассеивается по системе, и доступ к ней становится затруднительным. Обычно перемешивание происходит быстро и равномерно.
Однако Синьхуэй Лян из Университета Цинхуа в Китае и его коллеги наблюдали медленное, неравномерное перемешивание в атомной системе [1]. Они утверждают, что такое аномальное поведение может помочь понять, как квантовые системы многих тел эволюционируют к тепловому равновесию.
Эксперимент с оптическими пинцетами
Лян и его коллеги использовали оптические пинцеты для создания линейной цепочки из регулярно расположенных атомов рубидия, охлаждённых с помощью лазера. Каждый атом мог находиться в основном состоянии или в сильно возбуждённом состоянии. Когда атом возбуждался, его сильное взаимодействие Ван-дер-Ваальса с соседями предотвращало возбуждение этих атомов.
Команда исследовала две начальные конфигурации:
* поляризованный узор, где каждый атом находился в основном состоянии;
* узор Нееля, где атомы чередовались между основным и возбуждённым состояниями.
В каждой конфигурации исследователи отслеживали, как небольшое изменение квантового состояния центрального атома влияло на остальную часть цепочки, показывая, как изначально локализованная квантовая информация распространялась по системе.
Метрика для количественной оценки перемешивания информации
Полезной метрикой для количественной оценки степени перемешивания информации является так называемый коррелятор вне временного порядка (OTOC). Для поляризованного узора исследователи измерили быстро затухающий OTOC, характерный для обычного перемешивания. Но для узора Нееля OTOC медленно затухал и имел устойчивые колебания, что указывает на аномальный тип перемешивания, который ранее был предсказан, но не наблюдался.
Согласно команде, это открытие означает, что квантовая информация не просто рассеивалась по атомной системе, а периодически возвращалась — как будто система частично помнила своё прошлое.
Поиск тёмной материи с помощью JWST
Наблюдения JWST
С момента запуска в 2021 году JWST наблюдал не только галактики на краю видимой Вселенной, но и нашего ближайшего звёздного соседа, Проксиму Центавра. Теперь Пэйчжи Ду из Университета науки и технологий Китая и его коллеги использовали JWST для поиска объектов, которые находятся ещё ближе.
Анализируя якобы пустые калибровочные изображения, команда искала признаки тёмной материи внутри самого телескопа [1]. Не обнаружив её, исследователи установили ограничения на существование тёмной материи, которая сильно взаимодействует с обычной материей.
Анализ изображений
Ду и его коллеги рассмотрели один из предложенных типов тёмной материи, который взаимодействует с электрически заряженными частицами. Сила этого взаимодействия на порядки слабее, чем у электромагнетизма, но всё же достаточно велика, чтобы препятствовать прохождению частиц через атмосферу Земли. Такую тёмную материю, как ожидается, будет особенно трудно обнаружить с помощью обычных наземных экспериментов. Вместо этого космические инструменты предлагают многообещающую альтернативу.
Команда проанализировала изображения, полученные, когда ближнеинфракрасный спектрограф JWST был закрыт. Эти изображения были получены для того, чтобы исследователи могли охарактеризовать шум прибора. Несмотря на то что датчик был защищён от внешних фотонов, пиксели всё равно могли регистрировать космические лучи и внутренне генерируемое излучение. Ду и его коллеги отфильтровали эти события в надежде найти остаточный сигнал, вызванный сильно взаимодействующей тёмной материей. Отсутствие такого сигнала означает, что эта форма тёмной материи вносит не более 0,4% в общую массу Вселенной.
[1] — здесь подразумевается список ссылок или источников, которые не были предоставлены в исходном тексте.