Физики подобрали оптимальные режимы варки яиц

Продолжаем узнавать о необычных областях, которые интересуют физиков. Теперь их внимание привлек процесс варки яиц. 

Сварить яйцо — это не самая простая задача, особенно если кулинар хочет использовать какой-нибудь необычный рецепт: например, приготовить яйцо всмятку или методом су-вид. Главная сложность процесса заключается в том, что белок и желток имеют разные температуры застывания: для желтка эта температура составляет примерно 65 градусов, а вот для белка она выше — около 85 градусов.

Ученые из Национального научно-исследовательского совета Италии предложили оптимальный способ приготовления вареных яиц, который позволил сделать белок твердым и одновременно сохранить кремовую текстуру желтка благодаря периодическим изменениям температуры.  Раскрыть секрет варки удалось с помощью моделирования кинетических уравнений, которые используются для описания процесса приготовления яиц вкрутую, всмятку и су-вид.

После исследования и анализа трех разных рецептов ученые предложили свой: каждые две минуты они скачкообразно меняли температуру от 30 до 100 градусов в течение 32 минут. Так получилось достичь более высокой температуры белка — он успевал твердеть, в то время как желток сохранял кремообразную структуру. 

Яйца, приготовленные периодическим методом, не только оказались вкуснее, но и сохранили в процессе гораздо больше полезных веществ, таких как лизин и триптофан. Рецептом исследователи поделились в статье, опубликованной в Communications Engineering.

Квантовый вычислитель научили использовать два кода коррекции ошибок

Физики из Университета Инсбрука в Австрии разработали подход, который позволяет квантовому вычислителю переключаться между несколькими кодами коррекции в процессе вычислений и выбирать оптимальный для каждой конкретной операции. Работу нового метода ученые проверили на ионном квантовом вычислителе с 16 физическими кубитами, который использовали для приготовления двух наборов логических кубитов: из 7 и 10 ионов. Такой подход поможет уменьшить число вспомогательных кубитов, необходимых для работы логических кубитов.

Комментарий Ильи Заливако, ведущего научного сотрудника группы «Прецизионные квантовые измерения» Российского квантового центра:

«На мой взгляд, это очень интересный и важный результат. Несмотря на большие успехи в экспериментальной реализации кодов коррекции ошибок, пока мало кому удавалось реализовать при этом универсальный набор операций. А без универсального набора пользы от квантового компьютера, пусть даже с идеальными гейтами, будет мало.

В этой работе для решения задачи был впервые экспериментально реализован подход с динамической сменой кодировок. Мне эта концепция очень близка, так как коды коррекции обычно очень требовательны к ресурсам компьютера, которые в современных устройствах пока все еще очень ограничены, а данная методика как раз и основывается на наиболее оптимальном их использовании на каждом этапе выполнения алгоритма.

Пусть в этой работе авторам пока не удалось достичь высоких точностей из-за довольно шумных физических кубитов, мне кажется, это важная веха на пути к созданию действительно эффективных алгоритмов коррекции ошибок».

Российские ученые впервые детально изучили распространение разных типов волн внутри пьезоэлектриков

Пьезоэлектрики позволяют деформировать материал при подаче на него напряжения или, наоборот, создавать электрические поля при деформации. При этом в пьезоэлектриках могут возникать сдвиговые волны — когда частицы материала колеблются перпендикулярно распространению волны. Поведение таких волн зависит от структуры пьезоэлектрика и, например, для квази-PT-симметричной структуры (симметричной относительно одновременного обращения координат и времени) раньше исследовалось.

Группа физиков из Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН, МФТИ и лаборатории «Метаматериалы» Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского теоретически исследовали распространение сдвиговых волн в квази-PT-симметричной структуре пьезоэлектриков.

Для моделирования сдвиговых волн ученые подобрали два материала: титанат бария и фресноит. В зависимости от уровня дисбаланса усиления и потерь спектры сдвиговых волн могут демонстрировать пересечение, касание или сближение антисимметричной и симметричной мод в точке их вырождения.

Очень узкий максимум амплитуды наиболее интересен с точки зрения практических приложений, потому что открывает возможность создания сверхчувствительных датчиков.  

Квантовая механика помогла решить парадокс убитого дедушки

Парадокс убитого дедушки — парадокс, относящийся к путешествию во времени. Он представляет собой гипотетическую ситуацию, в которой путешественник во времени отправляется в прошлое и совершает что-то, приводящее к тому, что он никогда не существовал, или к событию, которое делает его путешествие невозможным.  

Можно ли изменить прошлое так, чтобы самому не родиться? Этот знаменитый парадокс долго оставался неразрешенным, но физик Лоренцо Гавассино предложил квантовомеханическое объяснение. Он решил проблему самосогласованности систем на замкнутых времениподобных кривых при помощи квантово-механических принципов. Работа опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.

📔 Замкнутые времениподобные кривые — это гипотетические траектории в пространстве-времени, которые возвращаются в свою исходную точку, создавая теоретическую возможность путешествий во времени. 

В результате ученый пришел к выводу, что при прохождении замкнутой времениподобной кривой вся система возвращается к своему исходному состоянию. Это делает невозможными ситуации, в которых могут возникать логические противоречия. 

В контексте парадокса убитого дедушки это приводит к выводу, что в замкнутой конечной системе с унитарной эволюцией невозможно создать ситуацию, в которой изменения в прошлом приведут к противоречиям, таким как предотвращение собственного рождения. Согласно результатам Гавассино, память и события внутри замкнутой кривой вернутся в начальное состояние, что исключает возможность возникновения ретроактивных парадоксов. 

Российские ученые изучили механизм переноса тепла в неравновесной пылевой плазме

Пылевая плазма — это многокомпонентная среда, состоящая из ионизованного газа и взвешенных в нем пылинок микроскопического размера.

Физики из МФТИ выяснили, на каких условиях системы могут обеспечивать перенос тепла от более холодной области к более горячей, а также образование неравномерного скопления высоких температур на границе системы.

В неравновесной пылевой плазме ученым удалось обнаружить распределение кинетической энергии пылевых частиц, которые наблюдаются даже при постоянной и однородной температуре окружающего газа. Это явление противоречит классическим представлениям о термодинамическом равновесии и теореме о равнораспределении энергии по степеням свободы.

На основе обнаруженного явления физики разработали математическую модель поведения частиц, которую можно применить при исследовании метаматериалов, активной материи, пылевой плазмы, коллоидных систем.

В чем разница между физиком-теоретиком и экспериментатором? Ответ на этот вопрос очень хорошо знал Лев Андреевич Арцимович — советский физик, один из самых выдающихся мировых учёных в области термоядерной физики.

Под руководством Арцимовича впервые в СССР был разработан электромагнитный метод разделения изотопов. Лев Андреевич был непосредственным участником советского атомного проекта и сподвижником Игоря Васильевича Курчатова.

В Китае создали первый высокотемпературный дисковый лазер из кристалла фторида иттрия-лития

Сверхбыстрые лазеры с длиной волны 2 мкм ценятся за безопасность для глаз, высокое водопоглощение и низкое атмосферное затухание. Но такие лазеры для контроля тепловых эффектов требуют криогенного охлаждения, что повышает сложность и стоимость их производства.

Ученые из Института оптики и точной механики при Академии наук Китая разработали лазер на тонком диске на основе кристалла иттрий-литиевого фторида, легированного неодимом. Физики оптимизировали систему оптической накачки: они реализовали конфигурацию с 12 циклами накачки. 

Результаты экспериментальной работы лазера показали, что он может достигать оптической эффективности 38,1%. Качество луча оказалось близко к дифракционному пределу, а относительное стандартное отклонение стабильности мощности составляло всего 0,35%.

Исследование открывает путь к созданию компактных, экономичных и мощных лазеров с длиной волны 2 мкм, которые можно масштабировать до 100 Вт и которые будут способствовать прогрессу в области сверхбыстрых лазеров.

На квантовом симуляторе впервые изучено экзотическое физическое явление

📔Если в жидком гелии присутствуют и сверхтекучая и обычная вязкая фазы, то может проявляться необычное явление — противотоковая сверхтекучесть, когда в системе не происходит физического переноса массы, но есть перенос тепла, импульса и пр. Это явление было теоретически предсказано около 20 лет назад, но до сих пор не наблюдалось в экспериментах.

Китайские учёные из лаборатории в Хэфэе экспериментально реализовали низкоэнергетическое движение противотока на квантовом симуляторе, используя два вида ультрахолодных атомов в оптической решетке. Созданный симулятор впервые предоставил возможность изучения микроскопических свойств такой сложной сильнокоррелированной многочастичной системы.

Алексей Акимов прокомментировал это исследование:

«Квантовые симуляторы — это устройства, позволяющие, в частности, понять физику материалов, не доступную для измерения или расчета другими методами. В данном случае физики из Хэфэя взялись за задачу, в которой расчет был, но в виду хитрости эффекта не было эксперимента.

Ещё в середине 20-го века было предсказано существование так называемых изоляторов Мотта – материалов, которые по своей зонной структуре, казалось бы, должны быть проводниками, но они оказываются изоляторами.

В начале 21-го века эти материалы снова привлекли к себе внимание, и одним из новых предсказаний, показывающим, что если слить воедино два таких изолятора, то каждый из них станет проводником, но таким образом, чтобы токи в каждой из подсистем точно компенсировали друг друга. Т.е. ток вроде бы есть, а вроде бы его и нет.

Как можно такое явление обнаружить? Что наблюдать, если тока с точки зрения внешнего наблюдателя нет? На помощь пришли квантовые симуляторы с атомными микроскопами – устройства, способные не только аккуратно регулировать взаимодействия между частицами, но и наблюдать за поведением каждой.

Китайским ученым удалось пронаблюдать в живую встречные спиновые токи в такой системе и исследовать переход из состояния полного изолятора в состояние «проводящего изолятора», подтвердив необычное теоретическое предсказание.

Возможность индивидуального контроля частиц, практически не доступная в обычной физике материалов, оказалась критической для проведения этого эксперимента. Теперь есть все основания реализовывать подобные уникальные материалы и искать применения этого скрытого тока.

Примечательно, что изучаемый материал оказался ферримагнитным. Таким образом, эти материалы также важны для более глубокого понимания физики магнитов и физики спиновых токов, активно используемой в современных компьютерных технологиях».

Новые задачи требуют новых решений!

Научный сотрудник группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра Алёна Мастюкова рассказала редакции Хайтек, что такое квантовые алгоритмы, как они работают и какие новые возможности перед нами открываются.

Хотим поделиться с вами красивой метафорой для принципа неопределённости Гейзенберга, пришедшей к нам из Японии.

Почему квантовый мир кажется нам непонятным?

Ответит на этот вопрос и расскажет о квантовой вселенной Евгений Киктенко, кандидат физико-математических наук и главный научный сотрудник группы «Квантовые информационные технологии» Российского квантового центра, в видеоподкасте журнала «Фома».

В подкасте вы узнаете о квантовой запутанности, о ее применении в криптографии и создании новых компьютерных устройств и об особенностях поведения квантов «с той стороны».

Физики обосновали, как время может течь обратно в открытой квантовой системе

Представьте, что разлитое молоко вдруг собирается обратно в стакан. В реальности такое невозможно, но на уровне квантовых частиц дело обстоит немного иначе.

Международная команда ученых математически показала, что в некоторых квантовых системах время может двигаться и вперед, и назад — и это не противоречит законам физики. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Физики изучали эволюцию квантовой системы, в которой частицы взаимодействуют с окружающей средой. Такие системы называют открытыми. Ученые исследовали, почему мы воспринимаем время как движущееся в одном направлении и возникает ли это восприятие из открытой квантовой механики.

Оказалось, что в открытых квантовых системах может существовать симметрия времени. Это значит, что в теории его направление не зафиксировано так строго, как мы привыкли думать.

Хотя это исследование пока не делает нас моложе и не возвращает пролитое молоко в стакан, оно предлагает новый взгляд на одну из самых больших загадок физики. Понимание природы времени может иметь глубокие последствия для квантовой механики, космологии и других областей.

Американские физики создали «многоканальную» систему связи для квантовых вычислителей

Одна из главных проблем, которая препятствует развитию квантовых вычислителей, — это возникновение случайных помех при увеличении числа взаимодействующих кубитов. Такие помехи нарушают квантовое состояние кубитов и сокращают время их жизни. Для решения проблемы многие физики предлагают разделить квантовый вычислитель на независимые блоки из нескольких кубитов и соединить их друг с другом при помощи квантового интернета.

Чтобы добиться обмена информацией между квантовыми вычислителями, физики из США создали нанофотонное устройство на базе кристаллов из оксидов иттрия, иттербия и ванадия. Кроме того, характер взаимодействия ионов иттербия позволяет индивидуально манипулировать ими.

В результате запутанные ионы иттербия-171 обеспечивают передачу по одному и тому же каналу связи примерно 20 квантовых состояний.

Точность однокубитных операций во флаксониуме достигла 99,998%

Благодаря высокой когерентности сверхпроводниковые кубиты флаксониумы считаются альтернативой более распространенным трансмонам. Ученые MIT впервые применили два новых метода подавления ошибок, которые помогли увеличить точность однокубитных операций во флаксониуме до рекордных 99,998%. Раньше ученым удавалось достичь такой точности на ионных кубитах, но она никогда не наблюдалась на сверхпроводниковых кубитах.

Комментарий Григория Мажорина, научного сотрудника группы «Сверхпроводниковые кубиты и квантовые схемы» Российского квантового центра:

«Коллеги из MIT продемонстрировали впечатляющие результаты в области быстрых и высокоточных однокубитных операций, используя преимущества флаксониумов.

Второй уровень энергии флаксониумов значительно удален от вычислительных состояний кубита, что позволяет использовать ультракороткие импульсы (около 5 нс) для управления состояниями, не опасаясь утечек из вычислительного подпространства. Однако использование линейно-поляризованных сигналов в таких коротких импульсах приводит к дополнительным ошибкам».

В статье предложен и экспериментально продемонстрирован метод борьбы с этими ошибками, что и позволило достичь таких высокоточных однокубитных операций».

Физики выяснили, что при сильной тряске пузырьки воздуха убегают галопом

Исследование динамики движения пузырьков долгое время оставалось трудной задачей из-за сложности описания их траекторий. Некоторые из них могут вызывать гидравлические удары — как, например, при кавитации.

Недавно физики из США смоделировали с помощью уравнений Навье — Стокса движение пузырьков воздуха внутри вертикально вибрирующей жидкостной камеры, изготовленной ​​из прозрачного акрила толщиной 5 мм. Верхняя крышка камеры толщиной 25 мкм, где скапливались пузырьки, была напечатана на 3D-принтере и сделана в двух вариациях: плоской и с пологим огибающим уклоном.

В результате оказалось, что вне зависимости от типа поверхности крышки пузырьки скапливаются неравномерно и начинают скакать вдоль нее. Регулируя мощность вибрационного воздействия на камеру, скачущие пузырьки могут перенастраиваться под необходимую траекторию, включая прямолинейное, орбитальное и кувыркающееся движения.

Ученые выяснили, что форма пузырьков изменяется периодически, а сами пузырьки как будто плавают вдоль крышки от воздействия инерционных сил, а не от вихреобразования. Тем самым они маневрируют, даже когда вязкое сцепление невозможно.

Сегодня мы хотим поделиться остроумной цитатой академика Льва Андреевича Арцимовича — одного из самых выдающихся мировых специалистов по атомной физике и физике плазмы.

Стартовал приём заявок на Премию «ВЫЗОВ»!

Фонд развития научно-культурных связей «Вызов» сообщил о старте приёма заявок на Национальную премию в области будущих технологий «ВЫЗОВ», которая отмечает выдающиеся научные исследования и технологические разработки, формирующие будущее науки и меняющие жизнь общества.

Премия вручается в пяти номинациях активным научным работникам за достижения, сделанные предпочтительно (но не исключительно) за последние 10 лет:

🔹 «Перспектива» — вручается молодым учёным до 35 лет.
🔹 «Инженерное решение» — за важное изобретение или создание новой технологии.
🔹 «Прорыв» — за исследование, позволившее решить важную научную или технологическую задачу.
🔹 Discovery («Открытие») — номинация для иностранных учёных и россиян, живущих за рубежом.
🔹 «Учёный года» — за суммарный личный вклад в изменение ландшафта науки.

Премиальный фонд Национальной премии в области будущих технологий «ВЫЗОВ» 2025 года составляет 60 млн рублей — по 12 млн рублей в каждой из пяти номинаций.

Фонд «Вызов» предоставляет три способа номинации:

✅ Самовыдвижение;
✅ Выдвижение любым коллегой, который является учёным;
✅ Выдвижение любой научной организацией (университетом, научно-исследовательским институтом и т.д.).

Заявки принимаются до 21 мая.

Подать заявку и узнать подробности можно на сайте премии.

Физики продемонстрировали квантовый код коррекции ошибок с «кошачьими» кубитами на сверхпроводниковой платформе

Для реализации квантового вычислителя используется одно из самых популярных состояний — состояние кота Шредингера. В нем находятся кубиты, несущие информацию.

Недавно компании Amazon удалось реализовать свою предложенную в 2021 году схему и создать квантовый вычислитель на «кошачьих» кубитах, который смог выполнить код коррекции ошибок, снизив вероятность их появления до 1,65%.

Схема вычислителя Amazon задействовала пять кубитов, в которых хранилась информация, четыре вспомогательных кубита для отслеживания и коррекции ошибок и буферные моды, которые стабилизируют основные кубиты от ошибок переворота. Основные кубиты представляли собой волноводы-резонаторы, а вспомогательные — трансмоны.

Применение «кошачьих» кубитов и встроенной системы коррекции ошибок повысило производительность чипа в два раза по сравнению с предыдущими разработками.