Los investigadores pudieron observar por primera vez los curiosos efectos del trenzado de anyones no abelianos. Crédito: IA cuántica de Google
Google Quantum AI ha observado anyons no abelianos por primera vez, un avance que podría revolucionar[{» attribute=»»>quantum computing by making it more robust to noise and leading to topological quantum computation.
Our intuition tells us that it should be impossible to see whether two identical objects have been swapped back and forth, and for all particles observed to date, that has been the case. Until now.
Non-Abelian anyons — the only particles that have been predicted to break this rule — have been sought for their fascinating features and their potential to revolutionize quantum computing by making the operations more robust to noise. Microsoft and others have chosen this approach for their quantum computing effort. But after decades of efforts by researchers in the field, observing non-Abelian anyons and their strange behavior has proven challenging, to say the least.
In a paper published in the journal Nature on May 11, researchers at Google Quantum AI announced that they had used one of their superconducting quantum processors to observe the peculiar behavior of non-Abelian anyons for the first time ever. They also demonstrated how this phenomenon could be used to perform quantum computations. Earlier this week the quantum computing company Quantinuum released another study on the topic, complementing Google’s initial discovery. These new results open a new path toward topological quantum computation, in which operations are achieved by winding non-Abelian anyons around each other like strings in a braid.
Google Quantum AI team member and first author of the manuscript, Trond I. Andersen says, “Observing the bizarre behavior of non-Abelian anyons for the first time really highlights the type of exciting phenomena we can now access with quantum computers.”
Imagine you’re shown two identical objects and then asked to close your eyes. Open them again, and you see the same two objects. How can you determine if they have been swapped? Intuition says that if the objects are truly identical, there is no way to tell.
Quantum mechanics supports this intuition, but only in our familiar three-dimensional world. If the identical objects are restricted to only move in a two-dimensional plane, sometimes, our intuition can fail and quantum mechanics allows for something bizarre: non-Abelian anyons retain a sort of memory — it is possible to tell when two of them have been exchanged, despite being completely identical.
This “memory” of the non-Abelian anyons can be thought of as a continuous line in space-time: the particle’s so-called “world-line.” When two non-Abelian anyons are exchanged, their world-lines wrap around one another. Wrap them in the right way, and the resulting knots and braids form the basic operations of a topological quantum computer.
The team started by preparing their superconducting qubits in an entangled quantum state that is well represented as a checkerboard — a familiar configuration for the Google team, who recently demonstrated a milestone in quantum error correction using this setup. In the checkerboard arrangement, related — but less useful — particles called Abelian anyons can emerge.
To realize non-Abelian anyons, the researchers stretched and squashed the quantum state of their qubits to transform the checkered pattern into oddly shaped polygons. Particular vertices in these polygons hosted the non-Abelian anyons. Using a protocol developed by Eun-Ah Kim at Cornell University and former postdoc Yuri Lensky, the team could then move the non-Abelian anyons around by continuing to deform the lattice and shifting the locations of the non-Abelian vertices.
In a series of experiments, the researchers at Google observed the behavior of these non-Abelian anyons and how they interacted with the more mundane Abelian anyons. Weaving the two types of particles around one another yielded bizarre phenomena — particles mysteriously disappeared, reappeared and shapeshifted from one type to another as they wound around one another and collided. Most importantly, the team observed the hallmark of non-Abelian anyons: when two of them were swapped, it caused a measurable change in the quantum state of their system — a striking phenomenon that had never been observed before.
Finally, the team demonstrated how braiding of non-Abelian anyons might be used in quantum computations. By braiding several non-Abelian anyons together, they were able to create a well-known quantum entangled state called the Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state.
The physics of non-Abelian particles is also at the core of the approach that Microsoft has chosen for its quantum computing effort. While they are attempting to engineer material systems that intrinsically host these anyons, the Google team has now shown that the same type of physics can be realized on their superconducting processors.
Last week the quantum computing company Quantinuum released an impressive complementary study that also demonstrated non-Abelian braiding, in this case using a trapped-ion quantum processor. Andersen is excited to see other quantum computing groups observing non-Abelian braiding as well. He says, “It will be very interesting to see how non-Abelian anyons are employed in quantum computing in the future, and whether their peculiar behavior can hold the key to fault-tolerant topological quantum computing.”
Reference: “Non-Abelian braiding of graph vertices in a superconducting processor” by Google Quantum AI and Collaborators, 11 May 2023, Nature. DOI: 10.1038/s41586-023-05954-4
Probablemente todavía estemos a un mes del próximo lanzamiento del megacohete Starship de SpaceX.
Esta fue la línea de tiempo propuesta por Elon Musk en un publicar en este fin de semana, diciendo que el próximo vuelo de prueba de Starship está «probablemente dentro de 3 a 5 semanas». “El objetivo es que el barco supere el nivel máximo de calefacción, o al menos más que la última vez”, añadió el empresario multimillonario.
El Starship de 122 metros (400 pies) de altura es el cohete más grande y poderoso jamás construido. Consta de dos elementos, ambos diseñados para ser completa y rápidamente reutilizable: un enorme propulsor de primera etapa llamado Super Heavy y una etapa superior de 165 pies de altura (50 m) conocida como Starship, o simplemente «Ship».
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En esta foto, que Elon Musk compartió a través de X el 11 de mayo de 2024, se ven varios vehículos Starship en las instalaciones Starbase de SpaceX en el sur de Texas. (Crédito de la imagen: SpaceX a través de X)
Una nave espacial completamente apilada ha volado tres veces hasta la fecha, cada vez desde el sitio Starbase de SpaceX en el sur de Texas: en abril de 2023, noviembre de 2023 y 14 de marzo de este año. El vehículo gigante se desempeñó mejor con cada vuelo sucesivo.
Durante el primer despegue, por ejemplo, las dos etapas de la Starship no se separaron como estaba previsto y SpaceX provocó que el vehículo explotara en caída libre apenas cuatro minutos después del despegue. El Vuelo 2 alcanzó la separación de etapas, pero el Super Heavy y el Barco se separaron temprano, finalizando la misión después de ocho minutos.
En el Vuelo 3, el Super Heavy se colocó con éxito en posición para un aterrizaje en el agua planificado en el Golfo de México, pero se rompió aproximadamente a 500 m (1,650 pies) sobre las olas. La nave alcanzó velocidad orbital y voló durante casi 50 minutos, aunque finalmente sucumbió a violentas fuerzas de calentamiento por fricción al reingresar a la atmósfera de la Tierra.
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Como señaló en su artículo X, Musk quiere que a Ship le vaya aún mejor en el próximo Vuelo 4.
SpaceX lleva un tiempo preparándose para el vuelo 4. La compañía ya realizó pruebas de fuego estático para el Super Heavy y la nave asignada a la misión, encendiendo brevemente sus motores Raptor mientras los vehículos permanecían anclados a la plataforma Starbase. SpaceX también trajo recientemente el Super Heavy del Vuelo 4 nuevamente a los estantes, probablemente para pruebas adicionales, un movimiento que la compañía relató en un publicar el sábado X (11 de mayo).
Sin embargo, es posible que aún queden obstáculos logísticos que superar; SpaceX aún debe obtener una licencia de lanzamiento de la Administración Federal de Aviación (FAA), que supervisa una investigación sobre lo ocurrido durante el vuelo del 14 de marzo.
Un nuevo estudio realizado por investigadores de Penn State sugiere que los cratones, estructuras antiguas que estabilizan los continentes de la Tierra, se formaron hace unos 3 mil millones de años a través de procesos iniciados por la erosión atmosférica de las rocas, no solo por la aparición de masas continentales estables. Esto desafía los puntos de vista tradicionales y tiene implicaciones para comprender la evolución planetaria y las condiciones adecuadas para la vida.
Antiguas y vastas extensiones de corteza continental, conocidas como cratones, han estabilizado los continentes de la Tierra durante miles de millones de años mediante cambios en las masas terrestres, la formación de montañas y el desarrollo de los océanos. Los científicos de Penn State han sugerido un nuevo mecanismo que podría explicar la formación de cratones hace unos 3 mil millones de años, arrojando luz sobre una cuestión de larga data en la historia geológica de la Tierra.
Los científicos informaron en la revista. Naturaleza que es posible que los continentes no hayan surgido de los océanos de la Tierra como masas continentales estables, caracterizadas por una corteza superior enriquecida en granito. Más bien, la exposición de rocas frescas al viento y la lluvia hace unos 3 mil millones de años desencadenó una serie de procesos geológicos que finalmente estabilizaron la corteza, permitiéndole sobrevivir durante miles de millones de años sin ser destruida ni reajustada.
Los resultados podrían representar una nueva comprensión de cómo evolucionan los planetas potencialmente habitables similares a la Tierra, dijeron los científicos.
Implicaciones para la evolución planetaria
«Para crear un planeta como la Tierra, hay que crear una corteza continental y estabilizarla», dijo Jesse Reimink, profesor asistente de geociencias en Penn State y autor del estudio. “Los científicos han considerado que esto es lo mismo: los continentes se estabilizaron y luego emergieron sobre el nivel del mar, pero lo que estamos diciendo es que estos procesos son distintos.
Los cratones se extienden más de 150 kilómetros, o 93 millas, desde la superficie de la Tierra hasta el manto superior, donde actúan como la quilla de un barco, manteniendo los continentes flotando al nivel del mar o cerca de él durante todo el tiempo geológico, dijeron los científicos.
La meteorización puede haber concentrado en última instancia elementos productores de calor como uranio, torio y potasio en la corteza poco profunda, permitiendo que la corteza más profunda se enfríe y endurezca. Este mecanismo creó una capa de roca dura y gruesa que podría haber protegido el fondo de los continentes de una mayor deformación, una característica de los cratones, dicen los científicos.
Procesos geológicos y producción de calor.
«La receta para formar y estabilizar la corteza continental implica concentrar estos elementos productores de calor, que pueden considerarse como pequeños motores térmicos, muy cerca de la superficie», dijo Andrew Smye, profesor asociado de geociencias en Penn State y autor del trabajo. . estudiar. “Tenemos que hacer esto porque cada vez que átomo Cuando el uranio, el torio o el potasio se desintegran, liberan calor que puede aumentar la temperatura de la corteza. La corteza caliente es inestable: tiende a deformarse y no se pega.
Cuando el viento, la lluvia y las reacciones químicas destruyeron las rocas de los primeros continentes, los sedimentos y los minerales arcillosos fueron arrastrados a arroyos y ríos y llevados al mar, donde crearon depósitos sedimentarios como esquistos ricos en concentraciones de uranio, torio y potasio. dicen los científicos.
Estas antiguas rocas metamórficas llamadas gneises, encontradas en la costa ártica, representan las raíces de los continentes ahora expuestos en la superficie. Los científicos dijeron que las rocas sedimentarias intercaladas en estos tipos de rocas proporcionarían un motor térmico para estabilizar los continentes. Crédito: Jesse Reimink
Las colisiones entre placas tectónicas enterraron estas rocas sedimentarias en las profundidades de la corteza terrestre, donde el calor radiogénico liberado por las esquistos provocó el derretimiento de la corteza inferior. Los derretimientos flotaron y ascendieron hacia la corteza superior, atrapando elementos productores de calor en rocas como el granito y permitiendo que la corteza inferior se enfriara y endureciera.
Se cree que los cratones se formaron hace entre 3 y 2.500 millones de años, una época en la que los elementos radiactivos como el uranio se habrían desintegrado aproximadamente al doble de velocidad y habrían liberado el doble de calor que en la actualidad.
El trabajo destaca que la época en que se formaron los cratones a principios de la Tierra Media era particularmente adecuada para los procesos que podrían haber conducido a su estabilidad, dijo Reimink.
«Podemos considerar esto como una cuestión de evolución planetaria», dijo Reimink. “Uno de los ingredientes clave que se necesitan para crear un planeta como la Tierra podría ser la aparición de continentes relativamente temprano en su vida. Porque se van a crear sedimentos radiactivos que están muy calientes y que producirán una corteza continental muy estable que vive alrededor del nivel del mar y es un entorno ideal para que se propague la vida.
Los investigadores analizaron las concentraciones de uranio, torio y potasio en cientos de muestras de rocas del período Arcaico, cuando se formaron los cratones, para evaluar la productividad térmica radiogénica basándose en las composiciones reales de las rocas. Utilizaron estos valores para crear modelos térmicos de formación de cratones.
«Anteriormente, la gente observaba y consideraba los efectos del cambio en la producción de calor radiogénico a lo largo del tiempo», dijo Smye. «Pero nuestro estudio vincula la producción de calor a partir de rocas con la aparición de continentes, la generación de sedimentos y la diferenciación de la corteza continental».
Los cratones, que normalmente se encuentran en el interior de los continentes, contienen algunas de las rocas más antiguas de la Tierra, pero siguen siendo difíciles de estudiar. En áreas tectónicamente activas, la formación de un cinturón montañoso podría sacar a la superficie rocas que alguna vez estuvieron enterradas a gran profundidad.
Pero los orígenes de los cratones siguen siendo profundamente subterráneos e inaccesibles. Los científicos dijeron que el trabajo futuro implicaría tomar muestras del interior de cratones antiguos y, tal vez, perforar núcleos para probar su modelo.
«Estas rocas sedimentarias metamorfoseadas que se han derretido y han producido granitos que concentran uranio y torio son como cajas negras que registran la presión y la temperatura», dijo Smye. «Y si podemos desbloquear estos archivos, podremos probar las predicciones de nuestro modelo sobre la trayectoria de vuelo de la corteza continental».
Referencia: “La erosión subaérea condujo a la estabilización de los continentes” por Jesse R. Reimink y Andrew J. Smye, 8 de mayo de 2024, Naturaleza. DOI: 10.1038/s41586-024-07307-1
Penn State y la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. financiaron este trabajo.
La semana pasada, una erupción solar masiva envió una ola de partículas energéticas del Sol al espacio. Durante el fin de semana, la ola llegó a la Tierra y personas de todo el mundo pudieron ver auroras inusualmente vívidas en ambos hemisferios.
Este espectacular pico de actividad auroral parece haber terminado, pero no te preocupes si te lo perdiste. El Sol se acerca a su punto máximo Ciclo de manchas solares de 11 añosy se espera que regresen períodos de intensa aurora durante el próximo año.
Si viste la aurora o alguna de las fotos, quizás te preguntes qué estaba pasando exactamente. ¿Qué hace que el brillo y los diferentes colores? La respuesta está en los átomos, en cómo se excitan y cómo se relajan.
Cuando los electrones se encuentran con la atmósfera.
Las auroras son causadas por partículas subatómicas cargadas (principalmente electrones) que chocan contra la atmósfera terrestre. Estos son emitidos por el Sol constantemente, pero son más numerosos durante los periodos de mayor actividad solar.
La mayor parte de nuestra atmósfera está protegida de la entrada de partículas cargadas por el campo magnético de la Tierra. Pero cerca de los polos, pueden colarse y causar estragos.
La atmósfera terrestre contiene aproximadamente un 20% de oxígeno y un 80% de nitrógeno, con algunas trazas de otros elementos como agua, dióxido de carbono (0,04%) y argón.
La aurora de mayo de 2024 también fue visible en la región de Emilia-Romaña en el norte de Italia. Luca Argalia/Flickr, CC BY-NC-SA
Cuando los electrones de alta velocidad chocan con moléculas de oxígeno en la atmósfera superior, dividen las moléculas de oxígeno (O₂) en átomos individuales. La luz ultravioleta del Sol también hace esto, y los átomos de oxígeno generados pueden reaccionar con las moléculas de O₂ para producir ozono (O₃), la molécula que nos protege de los dañinos rayos UV.
Pero en el caso de la aurora boreal, los átomos de oxígeno generados están en un estado excitado. Esto significa que los electrones de los átomos están dispuestos de forma inestable y pueden “relajarse” liberando energía en forma de luz.
¿Qué da luz verde?
Como se ve en los fuegos artificiales, los átomos de diferentes elementos producen diferentes colores de luz cuando se les activa.
Los átomos de cobre dan luz azul, el bario es verde y los átomos de sodio producen un color amarillo anaranjado que quizás también hayas visto en las antiguas farolas de la calle. Estas emisiones están «permitidas» por las reglas de la mecánica cuántica, lo que significa que ocurren muy rápidamente.
Cuando un átomo de sodio está en estado excitado, sólo permanece allí durante unas 17 milmillonésimas de segundo antes de emitir un fotón de color amarillo anaranjado.
Pero, en la aurora boreal, muchos átomos de oxígeno se crean en estados excitados sin ninguna forma «permitida» de relajarse emitiendo luz. Sin embargo, la naturaleza encuentra un camino.
Aurora australis visible desde Oatlands, Tasmania, el 11 de mayo de 2024. Imagen AAP/Ethan James
La luz verde que domina la aurora es emitida por átomos de oxígeno que se relajan desde un estado llamado “¹S” a un estado llamado “¹D”. Este es un proceso relativamente lento, que toma en promedio casi un segundo completo.
De hecho, esta transición es tan lenta que generalmente no ocurrirá con el tipo de presión atmosférica que vemos a nivel del suelo, porque el átomo excitado habrá perdido energía al chocar con otro átomo antes de que tenga la oportunidad de enviar un bonito mensaje verde. fotón. Pero en las capas superiores de la atmósfera, donde la presión atmosférica es menor y por tanto hay menos moléculas de oxígeno, tienen más tiempo antes de chocar y por tanto tienen posibilidades de liberar un fotón.
Por esta razón, los científicos tardaron mucho en comprender que la luz verde de las auroras provenía de átomos de oxígeno. El brillo amarillo anaranjado del sodio se conoció en la década de 1860, pero no fue hasta la década de 1920 que científicos canadienses Entendí que el verde de la aurora se debía al oxígeno.
¿Qué hace la luz roja?
La luz verde proviene de la llamada transición «prohibida», que ocurre cuando un electrón en el átomo de oxígeno realiza un salto improbable de un patrón orbital a otro. (Las transiciones prohibidas son mucho menos probables que las permitidas, lo que significa que tardan más en ocurrir).
Sin embargo, incluso después de emitir este fotón verde, el átomo de oxígeno se encuentra en otro estado excitado sin posibilidad de relajación. La única salida es a través de otra transición prohibida, del estado ¹D al estado ³P, que emite una luz roja.
Esta transición está además prohibida, por así decirlo, y el estado ¹D debe sobrevivir durante unos dos minutos antes de que finalmente pueda romper las reglas y emitir una luz roja. Debido al tiempo necesario, la luz roja sólo aparece a grandes altitudes, donde las colisiones con otros átomos y moléculas son raras.
Además, debido a que hay muy poco oxígeno allí arriba, la luz roja tiende a aparecer sólo durante auroras intensas, como las que acabamos de tener.
Por eso la luz roja aparece encima de la verde. Aunque ambas surgen de relajaciones prohibidas de los átomos de oxígeno, la luz roja se emite mucho más lentamente y es más probable que se apague por colisiones con otros átomos en altitudes más bajas.
Aunque el verde es el color más común en las auroras boreales y el rojo es el segundo color más común, también hay otros colores. En particular, las moléculas de nitrógeno ionizado (N₂⁺, a las que les falta un electrón y tienen una carga eléctrica positiva) pueden emitir luz azul y roja. Esto puede producir un tinte magenta en altitudes bajas.
Todos estos colores son visibles a simple vista si la aurora es lo suficientemente brillante. Sin embargo, aparecen con más intensidad en el objetivo de la cámara.
Hay dos razones para esto. En primer lugar, las cámaras se benefician de una exposición prolongada, lo que significa que pueden dedicar más tiempo a recoger luz para producir una imagen que nuestros ojos. Como resultado, pueden tomar una imagen en condiciones más oscuras.
La segunda es que los sensores de color de nuestros ojos no funcionan muy bien en la oscuridad, por lo que tendemos a ver en blanco y negro en condiciones de poca luz. Las cámaras no tienen esta limitación.
Pero no te preocupes. Cuando la aurora es lo suficientemente brillante, los colores son claramente visibles a simple vista.
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