Применение квантовых сенсоров для биомедицинских приложений

Участники американского индустриального консорциума QED-C подготовили обзор, где рассмотрели перспективы использования в биомедицине квантовых сенсоров, среди которых — магнитометры с оптической накачкой, сенсоры на основе оптических гребенок и на основе примесей в алмазе.

Максим Острась, генеральный директор РКЦ, дал комментарий к этой новости:

«Квантовые сенсоры представляют собой измерительные устройства, которые открывают новые горизонты для решения сложных задач в биомедицинской сфере. Их высокая чувствительность и точность, значительно превышающая возможности традиционных методов, позволяют достигать уникальных результатов в диагностике, мониторинге лечения и изучении биологических процессов. Использование квантовых сенсоров имеет огромный потенциал для улучшения диагностики заболеваний, создания более эффективных методов лечения и повышения общей эффективности здравоохранения.

До недавнего времени квантовые сенсоры были представлены в основном в лабораториях. Однако на сегодняшний день происходит их значительный трансфер из науки в индустрию, в частности в медицину. Так, например, в России есть ряд научных коллективов, разрабатывающих сверхчувствительные магнитометры для магнитоэнцефалографии. Этот метод позволяет с более высокой точностью обнаружить и локализовать эпилептогенные зоны, а также помогает в выявлении на ранней стадии таких комплексных заболеваний, как шизофрения, аутизм, болезнь Альцгеймера и другие».

Физики точно измерили форму ядра свинца-208

Ядра с дважды магическими числами обладают стабильной сферической формой. В природе существует всего пять таких ядер, среди которых есть и свинец-208. Свинец-208 считается самым тяжелым дважды магическим стабильным ядром со значениями магических чисел Z = 82 и N = 126, поэтому его структура представляет особый интерес для ученых.  

Но международной группе физиков удалось доказать, что атомное ядро свинца-208 не имеет стабильной сферической формы. Ученые изучили четыре возбужденных состояния свинца и зафиксировали высокое значение отрицательного квадрупольного момента, из-за которого значения энергий на выходе из ядра стали меньше.

Результаты исследования позволили ученым объяснить, что ядро свинца-208 принимает вытянутую форму, а не сферическую.  

Мы воспринимаем термин «поле» как нечто само собой разумеющееся. А что, если посмотреть на привычный физический термин под другим углом?

Ученые разработали программно-аппаратный комплекс управления устройствами питания систем синхротронной установки «СКИФ» 

«СКИФ» (Сибирский кольцевой источник фотонов) — это синхротрон поколения 4+ с энергией 3 ГэВ и ускорительным кольцом 476 м. Источник синхротронного излучения позволит проводить передовые исследования с яркими и интенсивными пучками рентгеновского излучения.

Главный элемент разработанного программно-аппаратного комплекса синхротрона — это контроллеры, которые предназначены для управления отработки тока источников питания. Контроллеры интегрированы в общую систему управления ускорительного комплекса и обеспечивают постоянный доступ к данным о состоянии управляемых устройств. 

Контроллеры имеют модульную конструкцию и позволяют как применять уже существующее программное обеспечение, так и разрабатывать новое. На данный момент контроллеры прошли стендовые испытания и продемонстрировали базовый функционал, но впереди их ждет проверка и отладка программных характеристик.

❄️Автономный квантовый холодильник для кубитов

Американские и европейские исследователи создали квантовый холодильник, способный охладить сверхпроводниковый кубит до температуры 23,5 мК и, соответственно, вернуть его в основное состояние после выполнения операций. Холодильник состоит из сверхпроводниковых цепей и для работы использует исключительно тепловую энергию из окружающего пространства. Исследователи использовали холодильник для охлаждения трансмонового кубита.

Данный подход позволяет успешно обнулить состояние кубита после проведения вычислений с вероятностью 99,97%, что превосходит вероятности для уже существующих систем (99,8–99,92%).

В Новосибирске разработали фоточувствительную структуру для оптоэлектроники

Ученые Новосибирского государственного университета (НГУ) применили германо-силикатное (GeSixOy) стекло для создания фоточувствительной структуры. Подобные стекла обладают высокой прозрачностью и однородностью, а также определенной преломляющей способностью.

Материал состоит из кремниевой подложки с тонким диэлектрическим слоем оксида кремния и прозрачным проводящим электродом с промежуточным слоем германо-силикатного стекла. Конструкция позволяет регистрировать электрический ток, возникающий в фотоэлементе при воздействии света. 

Разработка НГУ модернизирует техническое зрение в цифровых камерах и фотоаппаратах, а также найдет применение в оптоэлектронике и системах регистрации оптической информации. 

Квантовые точки могут управлять фотохимическими процессами

Квантовые точки способны поддерживать спиновую когерентность (согласованное, синхронное поведение пары частиц, которые могут находиться в двух разных состояниях и периодически переключаться между ними) даже при комнатной температуре. Это свойство вдохновило исследователей Даляньского института химической физики Академии наук КНР на создание гибридных радикальных пар (радикальные пары — это совокупности двух свободных радикалов в структурной ячейке, образуемой молекулами жидкости или твердого тела), где органические молекулы на поверхности квантовых точек вступают во взаимодействие с электронными состояниями самой точки. Такой подход позволяет управлять фотохимическими свойствами гибридной системы с помощью внешнего магнитного поля.

Созданные квантовые материалы могут использоваться в гибридной неорганической/органической оптоэлектронике, а также при создании квантовых сенсоров и новых инструментов для исследований в биологии и химии.

Ученые смоделировали слияние нейтронных звезд

Слияние этих звезд вызывает гамма-всплески такой мощности, что они могут создать магнитное поле, значительно превышающее магнитное поле Земли. Поэтому своевременное обнаружение слияния и исследование нейтронных звезд — актуальная для ученых задача.

Группа физиков из Германии, Великобритании и США предложила модель машинного обучения, которая выполняет полное обнаружение двойной нейтронной звезды всего за 1 секунду. При этом ученые могут получить данные о нахождении звезд до их слияния. Например, такие сведения, как расстояние светимости, наклон и масса звезд.

Модель позволяет направить на объект телескопы еще до того, как до Земли дойдет его излучение, а также определить, какие телескопы подойдут для наблюдения. Алгоритм на 30% точнее других методов анализа, которые при этом требуют больше времени.

Сегодня отмечается Международный день числа «Пи», а еще сегодня день рождения Альберта Эйнштейна. В честь этого мы хотим поделиться с вами забавной цитатой из письма, которое Эйнштейн написал немецкому физику и математику Арнольду Зоммерфельду 14 января 1908 года.

Физики создали новую магнитную квазичастицу — вортион

Один из способов сократить энергозатраты при работе с большими данными — использовать магнитные запоминающие устройства и управлять ими с помощью напряжения, а не тока.

Международная группа ученых нашла решение в управлении магнито-ионными материалами с высокой точностью. Она объединила магнитные вихри в новом магнитном состоянии квазичастицы — вортионе — и отслеживала изменения его магнитных свойств при помощи эффекта Керра.

Вортион — магнитный вихрь, управляемый движением ионов, вызванным электрическим полем. Вортионы включают в себя парамагнитные наноточки соединения FeCoN, которые выращены на пьезоэлектрической подложке. При удалении напряжением ионов азота из материала FeCoN свойства вортионов, такие как зарождение, аннигиляция и остаточная намагниченность, можно регулировать. Получается, что наноточки, которые изначально не обладали магнитными свойствами, можно перевести в несколько состояний — от магнитных вихрей с разными параметрами до состояния с однородной магнитной ориентацией.

Управление магнитным состоянием при помощи напряжения позволяет снижать и предотвращать перегрев устройств, таких как ноутбуки, серверы и центры обработки данных, при этом снижая потери энергии.

Система распределенных квантовых сенсоров позволяет бороться с шумами

Ученые Инсбрукского университета экспериментально подтвердили, что запутанное состояние нескольких удаленных друг от друга квантовых сенсоров значительно меньше подвержено влиянию внешних шумов и позволяет добиваться большей точности и надежности измерений, чем каждый из сенсоров в отдельности. В эксперименте использовалась система из трех ионов кальция в ловушках, помещенная под действие шумовых электромагнитных полей.

Сравнение результатов измерений, полученных на системе запутанных ионов и на каждом из ионов в отдельности, показало уменьшение ошибки измерения полезного сигнала в 2,6 раза при использовании запутанного состояния в случае, если пространственное распределение шума и полезного сигнала различаются.

В Сибири создали сверхмалые наночастицы для борьбы с онкозаболеваниями

Для борьбы со злокачественными опухолями нередко используются магнитоэлектрические наночастицы на основе магнетита. 

Ученые ТПУ синтезировали коллоидные дисперсные магнитоэлектрические наночастицы на основе ядер оксида железа, покрытых перовскитом модифицированного титаната бария, которые продемонстрировали эффективность выше аналогов, содержащих свинец. 

Чтобы проверить, смогут ли частицы продуцировать активные формы кислорода, ученые воздействовали на частицы безопасным магнитным полем. 

Оказалось, что наночастицы смогли разрушить более 80–90% модельного красителя родамина, который использовался в качестве индикатора. 

У необычных людей и споры необычные. Сегодня мы расскажем вам о забавном пари, которое в свое время заключил Лев Давидович Ландау с физиком-теоретиком Рудольфом Пайерлсом.

Cortical Labs создала вычислитель, работающий на выращенных нейронах человека 

Австралийская компания Cortical Labs из Мельбурна представила свой первый вычислитель — CL1, работу которого обеспечивают выращенные в лаборатории нейроны человеческого мозга.

Сотни тысяч искусственно созданных нейронов способны взаимодействовать, обучаться по математическим моделям и работать в дальнейшем как нейросеть. 

Нейронные сети компьютера CL1 выращены на кремниевом чипе, способном самообучаться так же, как известные системы искусственного интеллекта, как, например, ChatGPT.

Компания заявила, что такой вычислитель можно будет купить напрямую или арендовать, получив к нему удаленный доступ через облако. Кроме того, он более динамичен и устойчив, чем любой существующий сегодня искусственный интеллект.

Создан первый в мире полуметаллический квантовый кристалл Вейля

📒 Полуметаллами называют вещества, которые по электрическим свойствам находятся между металлами и полупроводниками. 

Ученым японского Института физико-химических исследований (RIKEN) впервые в мире удалось создать полуметаллический квантовый кристалл Вейля на основе топологического изолятора теллурида висмута. В полуметаллах Вейля электроны находятся в необычных состояниях. Такие структуры ученые считают перспективными для применения в микроэлектронике и создании квантовых компьютеров, проводящих сверхбыстрые вычисления. 

В отличие от обычных полупроводников, из-за отсутствия запрещенной зоны новый квантовый материал способен поглощать и генерировать излучение в терагерцовом диапазоне. 

Неустойчивость Рэлея — Плато разделила квантовую жидкость на капли

Физики уже наблюдали разделение квантовой жидкости на отдельные капли, когда отталкиванию атомов жидкости противостояло дипольное притяжение. Но обычно время жизни капли слишком мало для изучения этого процесса.

Поместив 400 тысяч атомов калия-41 и рубидия-87 в оптическую ловушку из двух лазеров, ученые заметили, что время жизни капель достигает около десятков миллисекунд, чего достаточно для изучения свойств необычной материи.

В результате они увидели, как капля в первые 15 миллисекунд изменения магнитного поля расширилась, а затем распалась на две части, которые отдалились друг от друга. Ученые объяснили это явление эффектом неустойчивости Рэлея — Плато, когда длинная струя жидкости распадается на отдельные несвязанные капли. Поэтому в экспериментальных условиях квантовая жидкость распалась в оптическом волноводе на несколько фрагментов, чтобы минимизировать свою поверхностную энергию.  

Китай установил рекорд по прямой квантовой связи

Китайские ученые добились стабильной передачи данных на расстояние свыше 100 км по обычной линии в течение 168 часов.

Исследование, результаты которого опубликованы в журнале Science Advances, проводилось совместно с Университетом Цинхуа и Северо-Китайским технологическим университетом. В ходе экспериментов данные передавались по стандартному оптоволоконному каналу связи длиной 104,8 км со скоростью 2,38 кбит/с.

В этой работе научная команда успешно решила ряд принципиальных проблем, включая кодирование каналов с большим уровнем шума и потерь данных, увеличение емкости с маскированием, модуляцию и демодуляцию квантовых состояний с высокой скоростью, а самое главное, завершила разработку практического коммуникационного терминала.