Квантовое электромагнитное поле — студенческий портал

ВИДЕО Одной из захватывающих проблем современной фундаментальной физики является проблема того, что представляет собой окружающий нас вакуум. Долгое время люди (нас так учат в школе) считали, что вакуум — это пустота, вакуум — это отсутствие чего-либо. Однако в XX веке возникла теория, которая получила название квантовой электродинамики. Из нее стало понятно, что на самом деле вакуум не является абсолютной пустотой, у него есть определенная структура, в нем есть жизнь, постоянно кипящая и никогда не останавливающаяся.

Образно можно себе представлять, что вакуум наполнен небольшими флуктуациями. В каждое мгновение в каждой точке вакуума рождаются и тут же умирают, так и не став ничем реальным, пары частиц — электрона и позитрона, его античастицы. Они родились и тут же умерли, аннигилировав. Это называется виртуальными парами. И несмотря на то, что они довольно слабые и их воздействие на нашу жизнь невелико, из квантовой электродинамики следовало, что они все-таки оказывают небольшое воздействие на окружающие атомы. Это небольшое воздействие довольно быстро было обнаружено методами спектроскопии. Но до сих пор это остается лишь косвенным свидетельством того, что такие флуктуации существуют. Фактически нет никакого прямого метода исследования того, что они собой представляют.

Хотелось бы иметь возможность исследовать вакуум и флуктуации в нем, чтобы, в частности, проверить основы квантовой электродинамики и, может быть, найти признаки какой-то новой физики, которые нам пока неизвестны. К сожалению, до сих пор такого инструмента у нас нет.

Вблизи этих звезд тоже существуют флуктуации и условия, когда они усиливаются за счет условий, существующих на этих нейтронных звездах.

Это довольно сложная логическая цепочка. Надо иметь представление о том, что такое нейтронная звезда, какие у нее магнитные поля, как устроено излучение.

А на самом деле никто эти нейтронные звезды никогда не посещал и не видел. Хотелось бы все это делать в лаборатории.

И вот оказывается, что сейчас мы стоим на пороге того, чтобы такой инструмент получить — речь идет о лазерах сверхвысокой пиковой мощности.

Современные лазерные технологии достигли того уровня, что современные лазерные системы могут получать излучение мощностью один петаватт, 1015 ватт, один квадриллион ватт. Это огромные величины.

И если мы сфокусируем такое излучение в маленькое пятнышко, то электромагнитные поля, которые существуют в этой электромагнитной волне, в лазерном излучении, начинают приближаться к величине, когда на них начинают оказывать воздействие эти флуктуации.

Наши теоретические расчеты показывают, что если мы еще немного увеличим мощность лазерных систем (мы можем ожидать, что такая мощность появится в ближайшие 5–10 лет), то излучение начнет воздействовать на флуктуации в вакууме. Что происходит? Флуктуации представляют собой просто электрон-позитронную виртуальную пару.

Когда такая пара попадает в сильное электрическое поле, в поле сфокусированного лазерного излучения, то это поле начинает ее немного растягивать. Поскольку электрон заряжен отрицательно, позитрон — положительно, они двигаются в разные стороны. Получается, что флуктуация начинает немного меняться.

Начинают меняться свойства самого вакуума. Это может проявляться в разных эффектах. Например, излучение, проходя сквозь вакуум, сквозь этот фокус, за счет взаимодействия с этими флуктуациями из линейно-поляризованного может стать эллиптически-поляризованным — поменять свою поляризацию.

А это можно померить, для этого есть хорошие, надежные методы.

Но есть еще более интересный эффект.

Что происходит, если в этом вакууме кроме лазерного излучения еще есть какая-то частица, например электрон, который туда может попасть совершенно случайным образом? То есть рядом находился атом, пришло излучение, взяло электрон из этого атома. Этот электрон в этой электромагнитной волне лазерного излучения ускоряется до огромных энергий и излучает квант света — фотон большой энергии.

А дальше происходит следующее. Фотон в этом же поле, в этой же электромагнитной волне рождает самопроизвольно уже реальную электрон-позитронную пару.

Развивается лавина. Из одного электрона развивается огромное количество — на каждом шаге у нас происходит удвоение.

Вы, наверное, знаете известную притчу о торговце, пришедшем к шаху, который велел выдать ему вознаграждение в зернышках так, что зернышки выкладывались на клеточки шахматной доски, на каждой следующей клеточке было в два раза больше зернышек, чем на предыдущей. В общем, там оказалось, что уже буквально через 10–20 клеточек зерна надо было больше, чем во всей стране. Здесь получается такая же ситуация. Фактически очень быстро развивается лавина, и рождается огромное количество электрон-позитронных пар.

Как это выглядит внешне? Из абсолютно пустого пространства, из вакуума, где нет ничего, кроме богом забытого атома, который туда случайно занесло, когда мы фокусируем туда свет, из этого фокуса вдруг рождается огромное количество материи, столь плотной, что ее плотность в тысячи раз превышает плотность любого известного нам металла.

И во-первых, сам по себе эффект очень красивый и яркий. Но кроме того, он очень интересен как объект исследования с точки зрения как фундаментальной науки, так и возможных приложений.

Дело в том, что плазма, образующаяся в фокусе, является чрезвычайно ярким, не имеющим никаких аналогов из тех технологий, которые нам доступны, источником гамма-излучения.

Для чего можно использовать гамма-излучение? Прежде всего, его можно использовать как рентген для получения снимков в медицине. То есть мы гамма-источником можем облучать объекты, смотреть, изучать их внутреннюю структуру, узнавать то, что скрыто от нас. Другое направление.

Дело в том, что гамма-излучение — это то излучение, которое может эффективно взаимодействовать с ядрами. Если оптическое излучение взаимодействует с электронами, рентген взаимодействует с электронами, которые лежат более глубоко в атомах, то гамма-излучение взаимодействует уже с самими ядрами.

Это можно использовать, для того чтобы превращать ядра одного материала в ядра другого материала. Мы можем создавать с помощью гамма-излучения изотопы, которые не встречаются в природе.

Фемтосекундные лазеры и нанохирургия

Это важно как просто для задач ядерной физики, так и для задач ядерной медицины. Такие изотопы можно использовать как источники позитронов и использовать в позитронно-эмиссионной томографии.

Можно использовать их там в лечебных целях.

Я думаю, что человечество так устроено, оно это доказало, что любой уникальный по своим свойствам объект — а этот объект, безусловно, уникален — рано или поздно начинаем использовать себе во благо.

Источник: https://postnauka.ru/video/79123

Мозг — квантовое поле

?

Category: Хотя наш выбор и убеждения нередко имеют смысл или соответствуют шаблону на макроуровне, на «квантовом» уровне их можно предсказать с удивительной точностью. В квантовой физике изучение состояния частицы изменяет состояние частицы — так и «эффект наблюдения» влияет на то, как мы думаем об идее, которую мы рассматриваем.Мы не можем одновременно иметь в нашем сознании несовместимые идеи. Другими словами, принятие решений и формирование мнений очень похожи на кошку Шредингера. Теория квантового познания открывает области психологии и неврологии для понимания ума не как линейного компьютера, а скорее изящной вселенной.

Идея квантовых вычислений в нашем мозгу не нова.

В 1989 году Роджер Пенроуз предложил, чтобы таинственные белковые структуры, называемые «микротрубочками» играют важную роль в сознании человека, используя квантовые эффекты.Поведение бесконечно малых систем атомов и ионов, которые могут проявлять «кубиты» (например, «спины»), которые проявляют квантовую перепутывание.

Несколько кубитов могут создавать сети, которые кодируют, хранят и передают информацию, аналогичную цифровым битам на обычном компьютере. Но гипотеза сталкивается с устрашающим препятствием, преследующим микротрубочки — квантовой декогеренцией.

Чтобы построить операционный квантовый компьютер, вам необходимо подключить кубиты — квантовые биты информации — в процессе называемом квантовой запутанностью. Но запутанные кубиты существуют в хрупком состоянии. Они должны быть тщательно защищены от любого «шума» от окружающей среды.

Только одного фотона, натыкающегося на ваш кубит достаточно, чтобы вся система «decohere», разрушив запутывание и уничтожив квантовые свойства системы. Это достаточно сложно выполнить в тщательно контролируемой лабораторной среде, не говоря уже о теплой, влажной и сложной неразберихе, которой является человеческий мозг.

Секрет может заключаться в ядерном вращении, которое является квантовым свойством и влияет на то, как долго каждый атом может оставаться связным, то есть изолирован от окружающей среды. Чем меньше спин, тем меньше ядро ​​взаимодействует с электрическим и магнитным полями, и тем меньше он исчезает.Однако ядерные спины (в основе атома, а не окружающие электроны) являются исключением из правила. Чрезвычайно хорошо изолированные они могут хранить и возможно, обрабатывать квантовую информацию. Атомы фосфора — один из самых распространенных элементов в организме — имеют необходимый ядерный спин, который может служить биохимическим кубитом. Ядерный спин молекул Познера — сферически сформированные нанокластеры фосфата кальция — могут защитить ядерные спины атомных кубитов фосфора, что может способствовать хранению квантовой информации. Обработка нелокальной квантовой информации может может ее активировать путем пареобмена и диссоциации молекул Познера.

Молекулы Познера могут служить естественным кубитом в мозге.

Процесс начинается в клетке с помощью химического соединения, называемого пирофосфатом. Он состоит из двух фосфатов, связанных между собой, каждый из которых состоит из атома фосфора окруженного несколькими атомами кислорода с нулевым спином. Взаимодействие между спинами фосфатов заставляет их запутаться.

Они могут соединяться четырьмя различными способами: три конфигурации дополняют полный спин одного («триплетное» состояние, которое только слабо запутано), но четвертая возможность дает нулевой спин или «синглетное» состояние максимума запутанности, которое имеет решающее значение для квантовых вычислений.

Затем ферменты разрывают запутанные фосфаты на два свободных фосфатных иона. Реально они остаются запутанными, даже когда они раздвигаются. Эти ионы могут объединиться в свою очередь с ионами кальция и атомами кислорода, чтобы стать молекулами Познера.

Ни кальций, ни атомы кислорода не имеют ядерного спина, сохраняя половину полного спина, решающего для удлинения времени когерентности. Таким образом, эти кластеры защищают запутанные пары от внешних помех, чтобы они могли поддерживать согласованность в течение гораздо более длительных периодов времени. Он может длиться несколько часов, дней или даже недель.

Таким образом, запутывание может распространяться на довольно большие расстояния в мозге.

Последующая диссоциация молекул Познера может вызвать высвобождение кальция, коррелировать через митохондриальную сеть и активировать высвобождение нейротрансмиттера с последующей синаптической «стрельбой», что по существу является квантово связанной сетью нейронов

Разум, согласно квантовому познанию, «играет в азартные игры» с нашей «неопределенной» причиной, чувствами и предубеждениями для создания конкурирующих мыслей, идей и мнений. Затем мы синтезируем эти конкурирующие варианты, чтобы соотноситься к нашим относительно «определенным» реальностям.

Изучая наши умы на квантовом уровне, мы меняем их и изменяя их, мы меняем реальность, которая их формирует.

/Источник №1//Источник №2//Источник №3/

Картинка кликабельна

Источник: https://evan-gcrm.livejournal.com/1230313.html

Электромагнитные потенциалы в квантовом поле

Рис. 1Д. Все потенциальные события существуют в квантовом поле в виде бесчисленных возможностей. Когда мы настроим свое электромагнитное излучение на волну, уже присутствующую в квантовом поле, наше тело будет притянуто к желаемому событию, мы передвинемся на новую линию времени, или же искомое событие само найдет нас в новой реальности.

Чтобы что-то изменить, думайте новыми мыслями о новых результатах

Схема проста: привычные, давно знакомые мысли и чувства удерживают нас в неизменном состоянии бытия, которое, в свою очередь, вновь и вновь провоцирует одни и те же модели поведения и создает одну и ту же реальность.

Поэтому, если мы хотим что-то изменить в своей реальности, нам придется думать, чувствовать и действовать по-новому и фактически «быть» другими, т. е. отказаться от привычных реакций на события. Нам нужно будет «стать» кем-то другим.

Нам понадобится новое состояние ума, способность думать новыми мыслями о новых результатах.

С позиций квантовой теории нам, как наблюдателям, надо перейти в новое состояние бытия и изменить свое электромагнитное излучение.

После этого мы попадем на волну одной из вероятных реальностей, которая пока существует в квантовом поле только в виде электромагнитного потенциала.

А когда наша сущность и наше излучение совпадут с электромагнитным потенциалом поля, нас притянет к этой вероятной реальности, или же она сама найдет нас.

Я знаю, как это грустно: ощущать, что жизнь представляет собой бесконечную череду незначительных вариаций одного и того же негативного сценария. Но пока вы не изменитесь как личность, пока не перенастроите исходящее от вас электромагнитное излучение, нечего и надеяться на иное.

Изменение жизни есть изменение энергии, т. е. фундаментальная перестройка мыслей и эмоций.

Чтобы добиться новых результатов, вам придется отвыкнуть от себя и создать новое Я.

Секрет изменений — в согласованности мыслей и чувств

Что общего между состоянием бытия и лазером? Эта параллель поможет проиллюстрировать еще одно правило, необходимое для изменения жизни.

Волны, из которых состоит сигнал, либо совпадают, либо не совпадают, т. е. либо когерентны, либо некогерентны. То же относится к мыслям и чувствам.

У вас наверняка бывали случаи, когда, пытаясь создать что-либо силой мысли, вы сознательно убеждали себя в успехе, но в глубине душе все же не верили в него. И что вы получали, отправив миру этот некогерентный противофазный сигнал? Ничего.

Вспомните результат, полученный центром «Математика сердца»: квантовое созидание действует только при условии согласованности мыслей и чувств.

Типы волн

Рис. 1Е. Мощность ритмичных синфазных волн гораздо выше, чем у волн, находящихся в противофазе.

Когерентность значительно усиливает мощность волн сигнала, и точно так же согласованность повышает эффективность мыслей и чувств. Когда четкие, сфокусированные мысли о цели сопровождаются глубокой эмоциональной вовлеченностью, вы посылаете более мощный электромагнитный сигнал, который притягивает вас к той из потенциальных реальностей, что соответствует вашим желаниям.

Я часто рассказываю участникам моих мастер-классов о своей горячо любимой бабушке.

Она была итальянкой старой закваски, и католические представления о первородном грехе были у нее в крови наравне с традицией приготовления томатного соуса для пасты.

Она постоянно молилась и осознанно думала о новой жизни, однако ощущение вины, впитанное с молоком матери, создавало помехи ее сигналу. Единственное, что появлялось в ее жизни, — это новые поводы чувствовать себя виноватой.

Если ваши намерения и желания не приводят к стабильным улучшениям, вероятно, вы посылаете в поле некогерентный, смешанный сигнал.

Вы можете желать богатства и думать «денежные» мысли, но, если вы ощущаете себя бедным, вам никогда не привлечь в свою жизнь финансовое изобилие. Почему? Потому, что мысли — это язык мозга, а чувства и ощущения — язык тела.

Вы думаете одно, а чувствуете другое. А если мозг и тело посылают противоречивые сообщения, квантовое поле не даст внятного ответа.

Когда же мозг и тело действуют сообща, когда мысли соответствуют чувствам, мы переходим в новое состояние бытия, и сигнал, который мы посылаем по невидимым каналам, является когерентным.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Источник: https://megalektsii.ru/s150529t5.html

Идеальный квантовый портал

Ученые-физики получили самое прямое на сегодняшний день доказательство квантового эффекта, который позволяет частицам проходить через барьер, как будто его там нет. Результат, представленный на обложке журнала Nature от 20 июня 2019 года, может позволить инженерам разработать унифицированные компоненты для будущих квантовых компьютеров, квантовых датчиков и других устройств.

Новый эксперимент представляет собой наблюдение туннелирования Клейна, частного случая более обычного квантового явления. В квантовом мире туннелирование позволяет частицам, таким как электроны, проходить через барьер, даже если у них недостаточно энергии, чтобы фактически преодолеть его. Более высокий барьер обычно делает этот процесс сложнее и пропускает меньше частиц.

Туннелирование Клейна происходит, когда барьер становится полностью прозрачным, открывая портал, по которому частицы могут проходить независимо от высоты барьера. Ученые и инженеры из Центра нанофизики и современных материалов (CNAM), Объединенного квантового института (JQI) и Центра теории конденсированного состояния (CMTC) показали самые убедительные измерения эффекта.

«Туннелирование Клейна изначально было релятивистским эффектом, впервые предсказанным почти сто лет назад», – говорит Ичиро Такеучи, профессор материаловедения и инженерии (MSE) в UMD и старший автор нового исследования. «До недавнего времени, однако, мы не могли наблюдать это».

Но в последние несколько десятилетий ученые обнаружили, что некоторые из правил, регулирующих быстродвижущиеся квантовые частицы, также применимы к сравнительно спокойным частицам, путешествующим вблизи поверхности некоторых необычных материалов.

Одним из таких материалов, который ученые использовали в новом исследовании, является гексаборид самария (SmB6), вещество, которое становится топологическим изолятором при низких температурах.

В обычном изоляторе, таком как дерево, резина или воздух, электроны улавливаются и не могут двигаться даже при приложении напряжения.

Таким образом, в отличие от своих свободно перемещающихся товарищей по металлической проволоке, электроны в изоляторе не могут проводить ток.

Топологические изоляторы, такие как SmB6, ведут себя как гибридные материалы. При достаточно низких температурах внутренняя часть SmB6 является изолятором, но поверхность его металлическая и дает электронам некоторую свободу перемещения.

Кроме того, направление движения электронов становится привязанным к внутреннему квантовому свойству, называемому спином, которое может быть ориентировано вверх или вниз.

Например, у электронов, движущихся вправо, вращение всегда будет направлено вверх, а у электронов, движущихся влево, вращение направлено вниз.

Чтобы превратить SmB6 в сверхпроводник, его тонкую пленку положили поверх слоя гексаборида иттрия (YB6). Когда вся сборка была охлаждена до нескольких градусов выше абсолютного нуля, YB6 стал сверхпроводником, а благодаря своей близости металлическая поверхность SmB6 также стала сверхпроводником.

Комбинация оказалась правильной смесью, чтобы наблюдать туннелирование Клейна. Приведя крошечный металлический наконечник в контакт с SmB6, физики измерили перенос электронов от наконечника в сверхпроводник. Они наблюдали совершенно удвоенную проводимость – меру того, как ток через материал изменяется при изменении напряжения на нем.

Когда Такеучи и его коллеги убедились, что измерения были точными, они изначально не поняли источник удвоенной проводимости. Поэтому они начали искать объяснение.

«Сначала это была догадка, – говорит Виктор Галицкий из UMD. «Но со временем мы стали более убежденными в том, что сценарий Клейна действительно может быть основной причиной наблюдений».

Теория предполагает, что туннелирование Клейна проявляется в этой системе как совершенная форма андреевского отражения, эффект, присутствующий на каждой границе между металлом и сверхпроводником.

Андреевское отражение может происходить всякий раз, когда электрон из металла прыгает на сверхпроводник.

Внутри сверхпроводника электроны вынуждены жить в парах, поэтому, когда электрон прыгает, он подхватывает своего “приятеля”.

Чтобы сбалансировать электрический заряд до и после прыжка, частица с противоположным зарядом – которую ученые называют дыркой – должна отражаться обратно в металл. Это отличительная черта андреевского отражения: электрон входит, дыра возвращается.

И поскольку дыра, движущаяся в одном направлении, несет тот же ток, что и электрон, движущийся в противоположном направлении, весь этот процесс удваивает общую проводимость – сигнатуру туннелирования Кляйна через соединение металла и топологического сверхпроводника.

Но поскольку у электронов на поверхности SmB6 направление движения привязано к их спину, электроны вблизи границы не могут отскочить назад – это означает, что они всегда будут проходить прямо в сверхпроводник.

«Туннелирование Клейна наблюдалось и в графене», – говорит Такеучи. «Но здесь, потому что это сверхпроводник, я бы сказал, что эффект более впечатляющий. Вы получаете точное удвоение и полное подавление рассеяния, и этому нет аналога в эксперименте с графеном».

Соединения между сверхпроводниками и другими материалами являются компонентами в некоторых предлагаемых архитектурах квантового компьютера, а также в устройствах точного зондирования.

По словам Такеучи, проклятие этих компонентов всегда заключалось в том, что каждый узел немного отличается, что требует бесконечной настройки и калибровки для достижения наилучшей производительности.

Но благодаря туннелированию Клейна в SmB6 у исследователей может появиться противоядие от этой нерегулярности.

Perfect Andreev reflection due to the Klein paradox in a topological superconducting state, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1305-1 , https://www.nature.com/articles/s41586-019-1305-1

Источник: https://ab-news.ru/2019/06/20/idealnyiy-kvantovyiy-portal/

Квантовая теория поля на пальцах

Колебания в квантовом поле

Физика с греческого переводится — природа, все потому что физика описывает всевозможные природные процессы. Например: течение воды, горение и свечение огня, полет птицы, почему вода превращается в лед и так далее. Но это не значит, что объяснения всегда должны быть понятны.

Особенно трудны в понимании две теории:

• E=mc2, потому что сложно понять как это, когда движущиеся часы идут медленней статичных или когда движущиеся объекты сжимаются;
• Квантовая теория, потому что она говорит о том, что никакое измерение не может быть определенным и что в субатомном мире нет причинно следственной связи и там правит вероятность.

Интересно заметить то, что этим теориям уже больше ста лет, а современные теории гораздо странней. Но нам сейчас интересна квантовая теория поля и чтобы понять, что это такое, нам нужно для начала понять основные аспекты квантовой механики.

Основные аспекты квантовой механики и квантовой теории поля

Квантовая механика начинается с уравнения Шреденгера, которое было составлено в 1920 году:

В первую очередь это уравнение объясняет то, почему электроны вращаются по тем или иным орбиталям и почему они имеют соответствующие энергии.

Другими словами уравнение говорит о том, что электрон можно обнаружить одновременно везде в белом участке и не обнаружить в черном, в данный момент времени.

Однако через несколько лет, другой математик Пол Дирак смог объединить квантовую механику и специальную теорию относительности. Он стремился создать полную квантовую теорию.

Впоследствии ему удалось, при помощи квантовой теории, описать электрическое поле вокруг протона. Позднее подобным методом были описаны все квантовые виды взаимодействий (сильные, слабые и электромагнитные).

Все эти три силы имеют точное описание, но все они примерны того, что мы называем теорией квантового поля.

Хоть и эти силы четко разграничены друг от друга, все они подчиняются квантовым правилам, одно из которого говорит, что все субатомные частицы можно рассматривать, как порождаемые полем.

А частицы, которые мы наблюдаем — это локальные колебания поля. Поэтому, согласно квантовой теории поля, субатомный мир — это мир, где повсюду существует несчетное количество полей, а частицы — это локальное колебание этого поля, постоянно перемещающегося со временем.

Предположим, что есть электрон, двигающийся по прямой. Электрон — это локальные колебания электронного поля. Согласно квантовой теории электронное поле создает колебания фотонного поля, тем самым порождая фотонное поле, которое затем удаляется.

Вот каковы основные аспекты квантовой теории поля.

Квантовая физика предсказывает, что в обычном пространстве присутствует множество полей для всех известных субатомных частиц и что локальные колебания могут быть обнаружены где угодно.

Telegram: https://t.me/different_angle

Яндекс.Дзен: https://zen.yandex.ru/media/id/5a7df370e86a9e6bc2c0c713

Канал не позиционирует себя как источник стопроцентно правдивой информации, а лишь претендует быть таковым.

Предложить свою статью, замечание или просто написать автору: @different_angle_bot

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5a7df370e86a9e6bc2c0c713/5b2cd38176c30300a8a10d01

FAQ для студентов

Что такое квантовая электроника?

Во-первых, квантовая электроника — это область физики, объединяющая в себе оптику, квантовую механику и теорию твердого тела.

Отнесение того или иного эффекта к области квантовой электроники обычно означает, что для этого эффекта принципиально взаимодействие электромагнитного излучения (не обязательно светового диапазона) с конденсированным состоянием вещества, причем для описания этого взаимодействия необходимо учесть квантовую природу вещества и/или излучения.

Во-вторых, кафедра квантовой электроники названа именно так потому, что большая часть лабораторий кафедры специализируется на изучении как минимум одного из эффектов, относящихся к квантовой электронике согласно первому пункту. Ранее кафедра носила название квантовой радиофизики (что означает примерно то же самое, но имеет более технический смысл на английском языке), и была переименована в 2001 году.

Что такое квантовая телепортация, квантовый компьютер и квантовая криптография?

Термин «телепортация» был использован для того, чтобы красиво назвать красивое явление квантовой оптики. «Квантовая телепортация» представляет собой эффект мгновенного переноса квантового состояния одной элементарной частицы на другую.

Состояние первой частицы при этом необратимо портится. Экспериментальная реализация подобного эффекта требует сложной схемы эксперимента, и к настоящему моменту реализовано только на основе фотонов. Впервые эффект наблюдался в работе А.

 Цайлингера с сотрудниками в 1997 году (Nature, v. 390, p. 575 — 579, 1997).

Идеология квантового компьютера основана на построении вычислительных алгоритмов на основе так называемых «кубитов» — квантовых аналогов обычных битов, представляющих в каком-то смысле суперпозицию нуля и единицы.

Математически доказывается, что для некоторых задач, имеющих экспоненциальную сложность в стандартной двоичной логике, возможно построение более быстро выполняемых алгоритмов на основе логики кубитов.

Возможности квантовой криптографии основаны на существовании принципа Гейзенберга: невозможно измерить что-либо, не внеся возмущения в измеряемый объект.

Благодаря этому возможно построение каналов передачи данных, защищенных от подслушивания: получатель всегда сможет определить, не пытался ли перехватить информацию кто-либо по дороге.

Подробно о квантовой телепортации, квантовых вычислениях и квантовй криптографии можно узнать из книги «Физика квантовой информации» под редакцией Д. Боумейстера, А. Экерта и А. Цайлингера.

Источник: http://www.quantum.phys.msu.ru/ru/faq

Openedu.ru

• 5 недель
• около 7 часов в неделю
• 3 зачётных единицы

Курс посвящен физическим основам квантовой электроники, освоению основных понятий теории взаимодействия поля и вещества (вынужденное излучение и поглощение, инверсия населенностей и отрицательная температура, сечение взаимодействия, диэлектрическая восприимчивость, релаксация, спонтанные переходы, когерентное взаимодействие).
Основные разделы программы: вероятность перехода в случае когерентного и некогерентного поля, коэффициент поглощения и усиления, линейная поляризация среды, эффект насыщения, нестационарные эффекты (самоиндуцированная прозрачность, оптическое  эхо, сверхизлучение).

Цель освоения дисциплины — получить основные представления об основных эффектах взаимодействия излучения с веществом в полуклассическом приближении.
Задачи дисциплины:
1.    Изучение коэффициентов поглощения и усиления;
2.    Изучение взаимодействия вещества с некогерентным полем;
3.    Изучение основ линейной теории дисперсии;

4.    Изучение основных моделей описания двухуровневой системы и нестационарных эффектов взаимодействия излучения с веществом.

Формат

Форма обучения заочная (дистанционная).
Еженедельные занятия будут включать просмотр тематических видеолекций и выполнение тестовых заданий с автоматизированной проверкой результатов.

Важным элементом изучения дисциплины является самостоятельное решение физических задач. Решение должно будет содержать строгие и логически верные рассуждения, приводящие к верному ответу.

Требования

Курс ориентирован на бакалавров, магистров, специалистов и аспирантов физико-математических специальностей. Курс является основой для чтения дисциплин кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ. Для успешного освоения курса необходимо знание математического анализа, общей физики и квантовой теории.
 

Программа курса

Курс состоит из 5 разделов:

• Введение
• Коэффициенты поглощения и усиления
• Взаимодействие с некогерентным полем
• Линейная поляризация среды
• Двухуровневая модель

Результаты обучения

В результате освоения дисциплины студенты должны:

• знать основные модели, используемые для описания взаимодействия излучения с веществом в полуклассическом приближении;
• уметь применять эти модели для описания основных эффектов квантовой электроники;
• иметь опыт решения задач по основным разделам курса.

Источник: https://openedu.ru/course/msu/KVANTELECTRONIC/

Лекции по квантовой физике Морозова А.И

КУРС ЛЕКЦИЙ 

ПО КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ:

• Лекция №1 «Гипотеза Планка» от 2 сентября 2019 г.
• Содержание лекции: Энергия теплового излучения; подсчет числа состояний поля в заданном объеме; формула Рэлея—Джинса (спектральная плотность излучения); ультрафиолетовая катастрофа; формула Вина; гипотеза Планка, постоянная Планка; распределение Планка; равновесное излучение; абсолютно черное тело; закон Ламберта; закон Стефана-Больцмана; закон смещения Вина; закон Кирхгофа; испускательная способность, коэффициент поглощения
• Лекция №2 «Фотоэффект, эффект Комптона, волновая функция» от 14 сентября 2018 г.
• Содержание лекции: излучение, фотоэффект и его экспериментальная фактура, красная граница, гипотеза Эйнштейна о квантах, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, взаимодействие фотона и свободной частицы, эффект Комптона, формула для изменения длины волны квантов при рассеянии на свободных электронах, комптоновская длина волны, опыт Тейлора с одиночными фотонами, понятие волновой функции, вероятностный характер квантовой физики, корпускулярно-волновой дуализм, гипотеза де Бройля, гипотеза о скрытых параметрах, неравенства Белла

Лекция №3 «Принцип неопределенности Гейзенберга. Понятие об операторах физических величин» от 21 сентября 2018 г.

Содержание лекции: корпускулярно-волновой дуализм, гипотеза де Бройля, длинна волны де Бройля. Принцип неопределенности Гейзенберга. Опыты Девиссона–Джермера и Томсона по дифракции электронов. Виртуальные частицы. Понятие об операторах физических величин. Операторы координаты, импульса, потенциальной и кинетической энергии системы, гамильтониан. Собственные функции и собственные значения.

Лекция №4 «Уравнение Шредингера» от 28 сентября 2018 г.

Содержание лекции: Свойства собственных функций. Процедура измерения в квантовой физике. Интерпретация собственных значений волновых функций. Операторная алгебра. Временное и стационарное уравнение Шредингера.

Свойства волновой функции стационарных задач: непрерывность, конечность, однозначность, непрерывность производной. Принцип суперпозиции квантовых состояний. Формула для среднего значения физической величины в заданном состоянии. Закон сохранения вероятности, вектор плотности потока вероятности.

Решение уравнения Шредингера в одномерном случае. Задача: рассеяние частиц на потенциальной ступеньке конечной высоты.

Лекция №5 «Одномерные задачи: барьеры и ямы» от 05 октября 2018 г.

Содержание лекции: Еще раз про измерения: прибор с погрешностью. Рассеяние на потенциальном барьере конечной ширины. Рассеяние на потенциальной яме конечной ширины. Бесконечно глубокая потенциальная яма. Состояния частицы в одномерной симметричной потенциальной яме конечной глубины. Связанные состояния в такой яме.

Лекция №6 «Уровни энергии в молекулах. Колебательные и вращательные уровни энергии» от 12 октября 2018 г.

Содержание лекции: уровни энергии одномерного гармонического осциллятора (без вывода). Колебательные степени свободы. Оператор момента импульса. Квантование собственных значений проекции момента на выделенную ось и квадрата момента импульса.

s-состояния в трёхмерной сферически симметричной яме конечной глубины, условие существования связанного состояния. p-состояния в трёхмерной сферически симметричной яме. Квантовый ротатор. Вращательные степени свободы.

Гамильтониан молекулы, двигающейся в центральном поле.

Лекция №7 «Атом Бора» от 19 октября 2018 г.

Лекция №8 «Тождественность частиц и обменное взаимодействие» от 26 октября 2018 г.

Содержание лекции: Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена. Квантовая криптография. Гипотеза Уленбека и Гаудсмита о спине электрона, магнитный орбитальный момент электронов, гиромагнитное отношение, спиновый g-фактор, магнетон Бора. Опыт Эйнштейна–де Гааза.

Векторная модель сложения спинового и орбитального моментов электрона, оператор полного момента импульса, фактор Ланде. Тождественность частиц и обменное взаимодействие. Модель Гейзенберга. Сложные атомы. Самосогласованное поле. Электронная конфигурация атома.

Правило Маделунга–Клечковского..

Лекция №9 «Спин-орбитальное взаимодействие» от 2 ноября 2018 г.

Содержание лекции: Еще о ковалентной связи. Заполнение атомных уровней по правилу Маделунга–Клечковского. Электронная конфигурация и таблица Менделеева. Рассело-Саундерская связь. Атомные термы, метод нахождения термов для заданной электронной конфигурации, спектроскопическая запись состояния атома.

Правило Хунда. Спин-орбитальное взаимодействие. Оператор спин-орбитального взаимодействия. Постоянная тонкой структуры. Расщепление термов конфигурации из-за спин-орбитального взаимодействия. j-j-связь. Тонкая структура терма для случая LS-связи. Эффект Зеемана для атома в слабом магнитном поле.

Лекция №10 «Эффект Зеемана. Симметрии. Ширина уровня» от 9 ноября 2018 г.

Содержание лекции: Эффект Зеемана для случаев слабого и сильного магнитных полей. Метод Сахарова в импульсных полях. Мировые симметрии. Четыре с половиной фундаментальных взаимодействия.

Классификация фотонов по полному моменту и чётности (E- и M-фотоны), отношение вероятностей излучения фотонов различной мультипольности. Вероятность дипольного излучения (закон ω^3). Естественная ширина уровня.

Ядерный магнитный резонанс.

Лекция №11 «ЯМР, лазеры, сильное взаимодействие» от 16 ноября 2018 г.

Содержание лекции: Ядерный магнитный резонанс. Ядерный магнитный момент. Спонтанные и индуцированные переходы, соотношения Эйнштейна и его вывод распределения Планка. Строгие и нестрогие правила отбора при поглощении и испускании фотонов атомами. Двухуровневая квантовая система. Прохождение излучения через среду, условие усиления (инверсная заселённость уровней).

Ядерные силы как проявление сильного взаимодействия.

Лекция №12 «Ядерные модели, радиоактивность» от 23 ноября 2018 г.

Содержание лекции: Потенциал Вудса-Саксона. Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов. Магические ядра. Модели зависимости энергии связи от массового числа А. Модель жидкой заряженной капли. Формула Вайцзеккера для энергии связи ядра.

Оболочечная модель и магические числа в осцилляторном потенциале. Одночастичные и коллективные возбуждённые состояния ядра. Радиоактивность. Альфа, бета, гамма распады. Закон сохранения барионного заряда.

Закон радиоактивного распада, константа распада, среднее время жизни, период полураспада.

Лекция №13 «Радиоактивность. Ядерные реакции» от 30 ноября 2018 г.

Содержание лекции: альфа-распад, закон Гейгера–Нэттола и его вывод (формула Гамова). Бета-распад. Спонтанное деление ядер, параметр делимости, энергия, выделяемая при делении ядер.

Ядерные реакции: экзотермические и эндотермические реакции. Составное ядро. Резонансные реакции — формула Брейта–Вигнера.

Нерезонансная теория, коэффициент проникновения частицы в прямоугольную яму, закон Бете. Камера Вильсона.

Лекция №14 «Фундаментальные взаимодействия и частицы. Элементарные частицы» от 7 декабря 2018 г.

Содержание лекции: Термоядерные циклы. Концепция кварка. Адронная струя. Стандартная модель фундаментальных взаимодействий. Три поколения материи. Темная материя, темная энергия.

Источник: https://MIPT.ru/education/chair/physics/records/quantum/morozov18-19.php

Поля и кванты

Постепенно, первоначальное представление о полях — дополнилось ещё более сложным, — т. н. квантовым представлением. Обнаружилось, что любое поле — обладает некими т. н.

квантами, — которые объясняются, впрочем, довольно просто: кванты — это волны (локального) изменения напряжённости поля, способные распространяться по полю «подобно тому, как океанские волны — распространяются по поверхности океана».

Пример: электромагнитные волны (=фотоны) — это кванты =волны, распространяющиеся «по поверхности» электромагнитных полей. Другие виды полей — тоже имеют свои кванты-волны: кванты «сильных» полей — называются мезонами, кванты гравитационных полей — гравитонами, кванты «слабых» полей — т. н.

Теория квантов т. о. показала лишь, что каждое поле — «покрыто» соответствующими квантами, подобно тому, как океан — покрыт океанскими волнами. Океан — неспокоен, так же неспокойно и любое поле!

В целом, суть квантов т. о. довольно проста.

Итак, кванты — это явление, неотрывно связанное с тем, или иным, полем, и существующее лишь при наличии поля (также как океанские волны — существуют лишь при наличии океана). Нельзя оторвать океанскую волну от океана, а квант — от поля. Но при этом океан — не состоит из океанских волн, а поле — не состоит из квантов.

Далее: кванты любого вида полей — способны существовать в двух различных состояниях: т. н. видимом, и невидимом. Невидимость — это особое состояние кванта, когда квант — не может быть обнаружен никакими приборами! (ибо обладает т. н. минимально возможной энергией).

А кванты в т. н. видимом состоянии — обладают любой энергией большей, чем минимальной, и поэтому легко обнаружимы (приборами).

Например, электромагнитные кванты в видимом состоянии (=видимые фотоны) — это ультрафиолетовые, световые, инфракрасные фотоны, а также радиоволны, и др.

Но помимо видимых фотонов, в природе существуют ещё и фотоны, находящиеся в состоянии невидимом, т. е. фотоны, обладающие самой минимальной энергией (и соответственно, не могущие этой энергией ни с чем поделиться, в т. ч. и с измерительными приборами; поэтому эти фотоны — абсолютно невидимы).

Невидимые фотоны — играют очень важную и своеобразную роль в природе: они ответственны за осуществление сил электромагнитного притяжения и отталкивания между частицами, т. е. ответственны за действия электромагнитных полей.

Итак, в электромагнитном поле электрона (преимущественно — в области эпицентра) — постоянно образуются электромагнитные волны, обладающие минимальной энергией (=невидимые фотоны) (=невидимые кванты электромагнитного поля), разлетающиеся в разные стороны.

И когда такой невидимый фотон — поглощается соседним электроном, то между электронами происходит акт взаимного отталкивания. В то же время, когда сей невидимый фотон — поглощается протоном, то между электроном и протоном происходит, почему-то, взаимное притяжение.

В общем, кванты (=волны в полях) — являются переносчиками взаимодействий (=притяжений и отталкиваний) между частицами. Любые взаимодействия частиц в природе — должны быть опосредованы обменом квантами! Частицы — не способны взаимодействовать непосредственно (ибо все частицы, как уже говорилось, — бесплотны, и не имеют поверхностей).

Далее: рассмотрим подробнее квантовые свойства электромагнитного поля:

Электрический заряд электрона — прямо пропорционален числу невидимых фотонов, постоянно образующихся в электромагнитном поле электрона за единицу времени. Это число, среднестатистически — всегда одинаково (у всех электронов, и у всех протонов, и вообще у всех частиц обладающих электрическим зарядом равным плюс/минус единице).

Постоянный обмен невидимыми фотонами, идущий между электронами — создаёт силу взаимного отталкивания электронов, которая, в свою очередь, приводит к силам взаимного отталкивания молекул в макрообъектах. А из-за взаимного отталкивания молекул — макрообъекты обладают свойством плотности (твёрдости).

Камень, например, обладает твёрдостью лишь потому, что когда мы его пытаемся сжать, силы электромагнитного отталкивания между молекулами в камне — начинают резко преобладать над силами электромагнитного притяжения. Эти силы (отталкивания) — и не позволяют нам сжать камень, и т. о.

 — создают у камня твёрдость.

В общем, свойство плотности (твёрдости) у макрообъектов — существует лишь благодаря силам взаимного отталкивания частиц, которые осуществляются посредством обмена невидимыми квантами. Сами же частицы (и поля, их слагающие), как уже говорилось — бесплотны!

Плотность имеется лишь у макрообъектов, т. е. объектов, сложенных из множества частиц, и возникает она — лишь благодаря силам отталкивания между частицами. А в основе любых сил отталкивания — лежат, в конечном итоге, обмены теми или иными, квантами, между теми, или иными, полями, входящими в состав частиц.

Виды полей, существующие в бесконечной Вселенной — бесконечно разнообразны, но все поля — имеют соответствующие (свои) кванты, обмен которыми — может создавать взаимное отталкивание частиц, или же наоборот, взаимное притяжение. Взаимное отталкивание частиц — лежит в основе свойств плотности (твёрдости) и объёмности макрообъектов. А взаимное притяжение частиц — придаёт макрообъектам прочность на разрыв, а также свойство упругости.

Силы притяжения, связывающие, например, протоны и нейтроны в ядре атома — обусловлены обменом постоянно образующимися квантами «сильных» полей, (=невидимыми мезонами) — создающими прочность ядра атома на разрыв.

В видимом состоянии, мезоны получены (и изучены) с помощью ускорителей заряженных частиц: при столкновениях ядер атомов, разогнанных в ускорителе, невидимые мезоны — могут обретать дополнительную энергию — и переходить т. о. в т. н. видимое состояние.

Существование видимых мезонов — косвенное доказательство в пользу существования и мезонов невидимых. Подобным образом — доказывается существование невидимых квантов и для остальных известных видов полей.

Как уже говорилось, любой квант (=переносчик взаимодействия) — это волна (локального) изменения напряжённости соответствующего поля, распространяющаяся по (соответствующему) полю с определённой скоростью. Например, электромагнитная волна (=фотон) — это волна, распространяющаяся по безграничному электромагнитному полю со скоростью света.

Итак, квант (любой) — это волна. А что такое волна? Любая волна — состоит, в общем-то, из движения: например, волна на поверхности океана — это ни что иное как движение, эстафетно передающееся от одних молекул океанской воды к другим, от других — к третьим, и т. д.

любые кванты — это волны, бегущие по соответствующим полям. А сутью любых волн — является движение.

Следующая глава

Источник: https://fil.wikireading.ru/57037