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Cálculo fotónico en una dimensión temporal sintética

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Un diseño de computadora cuántica relativamente simple que usa un solo átomo para manipular fotones podría construirse con los componentes disponibles actualmente.

Ahora, los investigadores de la Universidad de Stanford han ideado un diseño más simple para computadoras cuánticas fotónicas que utilizan componentes fácilmente disponibles, según un artículo publicado el 29 de noviembre de 2021 en ÓPTICO. Su diseño propuesto utiliza un láser para manipular un solo átomo que, a su vez, puede alterar el estado de los fotones a través de un fenómeno llamado «teletransportación cuántica». El átomo se puede restablecer y reutilizar para muchas puertas cuánticas, eliminando la necesidad de construir múltiples puertas físicas separadas, reduciendo en gran medida la complejidad de construir una computadora cuántica.

“Normalmente, si quisieras construir este tipo de computadora cuántica, potencialmente tendrías que tomar miles de emisores cuánticos, hacerlos perfectamente indistinguibles y luego encajarlos en un circuito fotónico gigante”, dijo el estudiante de doctorado Ben Bartlett. en física aplicada y autor principal del artículo. “Si bien con este diseño, solo necesitamos un puñado de componentes relativamente simples, y el tamaño de la máquina no aumenta con el tamaño del programa cuántico que desea ejecutar. «

Este diseño notablemente simple solo requiere unos pocos equipos: un cable de fibra óptica, un divisor de haz, un par de interruptores ópticos y una cavidad óptica.


Una animación de la computadora cuántica fotónica propuesta por los investigadores. A la izquierda está el anillo de almacenamiento, que contiene varios fotones que se propagan hacia atrás. A la derecha está la unidad de dispersión, que se utiliza para manipular qubits de fotones. Las esferas en la parte superior, llamadas «esferas de Bloch», representan el estado matemático del átomo y uno de los fotones. Debido a que el átomo y el fotón están entrelazados, la manipulación del átomo también afecta el estado del fotón. Crédito: Ben Bartlett

Afortunadamente, estos componentes ya existen e incluso están disponibles comercialmente. También se están perfeccionando continuamente, ya que actualmente se utilizan en aplicaciones distintas de computación cuántica. Por ejemplo, las empresas de telecomunicaciones se han esforzado durante años para mejorar los cables de fibra óptica y los conmutadores ópticos.

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“Lo que estamos proponiendo aquí se basa en los esfuerzos y las inversiones que la gente ha hecho para mejorar estos componentes”, dijo Shanhui Fan, profesor Joseph y Hon Mai Goodman de la Escuela de Ingeniería y autor principal del artículo. «Estos no son componentes nuevos específicamente para la computación cuántica».

Un diseño original

El diseño de los científicos consta de dos secciones principales: un anillo de almacenamiento y una unidad de dispersión. El anillo de almacenamiento, que funciona de manera similar a la memoria ordinaria de una computadora, es un bucle de fibra óptica que contiene varios fotones que viajan alrededor del anillo. De manera análoga a los bits que almacenan información en una computadora convencional, en este sistema, cada fotón representa un bit cuántico o «qubit». La dirección del movimiento del fotón alrededor del anillo de almacenamiento determina el valor del qubit, que, como un bit, puede ser 0 o 1. Además, dado que los fotones pueden existir simultáneamente en dos estados a la vez, un fotón individual puede fluir. en ambas direcciones al mismo tiempo. , que representa un valor que es una combinación de 0 y 1 al mismo tiempo.

Fan de Bartlett y Shanhui

Ben Bartlett, un estudiante graduado de Stanford, y Shanhui Fan, profesor de ingeniería eléctrica, propusieron un diseño más simple para computadoras cuánticas fotónicas utilizando componentes fácilmente disponibles. Crédito: Cortesía de Ben Bartlett / Rod Seacey

Los investigadores pueden manipular un fotón dirigiéndolo desde el anillo de almacenamiento a la unidad de dispersión, donde viaja a una cavidad que contiene un solo átomo. El fotón luego interactúa con el átomo, lo que hace que los dos se entrelacen, un fenómeno cuántico por el cual dos partículas pueden influirse entre sí incluso a grandes distancias. Luego, el fotón regresa al anillo de almacenamiento y un láser cambia el estado del átomo. Debido a que el átomo y el fotón están entrelazados, la manipulación del átomo también influye en el estado de su fotón emparejado.

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«Al medir el estado del átomo, puede teletransportar las operaciones de fotones», dijo Bartlett. «Así que solo necesitamos un qubit atómico controlable y podemos usarlo como un proxy para manipular indirectamente todos los demás qubits de fotones».

Debido a que cualquier puerta lógica cuántica se puede compilar en una secuencia de operaciones realizadas en el átomo, puede, en principio, ejecutar cualquier programa cuántico de cualquier tamaño utilizando un solo qubit atómico controlable. Para ejecutar un programa, el código se traduce en una secuencia de operaciones que dirigen fotones a la unidad de dispersión y manipulan el qubit atómico. Debido a que puede controlar la forma en que interactúan el átomo y los fotones, el mismo dispositivo puede realizar muchos programas cuánticos diferentes.

“Para muchas computadoras cuánticas fotónicas, las puertas son estructuras físicas por las que pasan los fotones, por lo que si desea cambiar el programa actual, eso a menudo implica reconfigurar físicamente el hardware”, dijo Bartlett. “Mientras que en este caso no necesita cambiar el hardware, solo necesita darle a la máquina un conjunto diferente de instrucciones. «

Referencia: «Computación cuántica fotónica determinista en una dimensión de tiempo sintética» por Ben Bartlett, Avik Dutt y Shanhui Fan, 29 de noviembre de 2021, ÓPTICO.
DOI: 10.1364 / OPTICA.424258

El investigador postdoctoral de Stanford, Avik Dutt, también es coautor de este artículo. Fan es profesor de ingeniería eléctrica, miembro de Stanford Bio-X y afiliado al Precourt Institute for Energy.

Esta investigación fue financiada por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos.

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Horoscopo

La NASA investiga una firma de carbono ‘inusual’ en Marte

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El rover Curiosity de la NASA capturó esta selfie a fines de 2020.

NASA/JPL-Caltech/MSSS/Kevin M. Gill

Esta historia es parte Bienvenido a Marte, nuestra serie explorando el planeta rojo.

Cuando las palabras «intrigante», «Marte» y «vida antigua» aparecen en la misma declaración de la NASA, se me aguzan los oídos. El domingo, La NASA habló sobre un nuevo estudio viendo «señales de carbono inusuales» medidas por el rover Curiosity en el cráter Gale del planeta rojo.

Curiosity no ha encontrado evidencia de vida microbiana antigua en Marte, pero los científicos no la descartan como una posible explicación de los hallazgos del rover. Las muestras de roca en polvo estudiadas por el rover muestran el tipo de firmas de carbono que están vinculadas a la vida biológica en la Tierra. Pero Marte puede contar una historia muy diferente.

Se espera que el estudio sea publicado esta semana en el Actas de la Revista de la Academia Nacional de Ciencias.

El carbono es un elemento clave de la vida en nuestro propio planeta, por lo que es importante estudiar cómo aparece en Marte. «Por ejemplo, las criaturas vivas en la Tierra usan el átomo de carbono-12 más pequeño y liviano para metabolizar los alimentos o para la fotosíntesis en comparación con el átomo de carbono-13 más pesado», dijo la NASA. «Por lo tanto, significativamente más carbono-12 que carbono-13 en las rocas antiguas, junto con otras pruebas, sugiere que los científicos están investigando las firmas de la química de la vida».

El rover Curiosity de la NASA hizo este pozo en el cráter Gale en Marte. Los científicos han encontrado intrigantes firmas de carbono en algunas muestras estudiadas por el rover.

NASA/Caltech-JPL/MSSS

Curiosity calentó muestras de rocas en un laboratorio a bordo y usó su Espectrómetro láser sintonizable instrumento para medir los gases liberados por las muestras. Algunas de las muestras de rocas contenían «cantidades sorprendentemente altas de carbono-12» en comparación con lo que se ha encontrado en la atmósfera de Marte y en los meteoritos marcianos.

Según un comunicado de Penn State, los investigadores ofrecieron varias explicaciones: «una nube de polvo cósmico, la radiación ultravioleta que descompone el dióxido de carbono o la degradación ultravioleta del metano creado biológicamente».

La idea de la nube hace referencia a un evento en el que el sistema solar pasó a través de una nube de polvo galáctico hace cientos de millones de años, que pudo haber dejado depósitos ricos en carbono en Marte. La segunda idea sugiere que la luz ultravioleta podría haber interactuado con el dióxido de carbono en la atmósfera marciana y dejado moléculas con la distintiva firma de carbono en la superficie.

Una idea de origen biológico podría haber implicado que las bacterias liberaran metano a la atmósfera que luego se convirtió en moléculas que se asentaron en Marte, dejando atrás la firma de carbono encontrada por Curiosity.

Marte y la Tierra han experimentado tiempos de vida muy diferentes, por lo que los científicos son reacios a aplicar las expectativas de la Tierra a los datos de Marte. «Las tres posibilidades apuntan a un ciclo de carbono inusual diferente a cualquier cosa en la Tierra hoy». dijo el geocientífico de Penn State Christopher House, quien dirigió el estudio. «Pero necesitamos más datos para determinar cuál de estas es la explicación correcta».

Curiosity ha estado en Marte desde 2012 y continúa examinando rocas y sedimentos a medida que se mueve alrededor del cráter. Es posible que su estudio de los isótopos de carbono aún no pueda responder a la pregunta de si el planeta rojo alguna vez albergó vida, pero la investigación continúa.

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Horoscopo

El rover de Marte de la NASA: la vida antigua puede ser solo una posible explicación para el último descubrimiento del rover Curiosity

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Un nuevo análisis de muestras de sedimentos recolectadas por el rover ha revelado la presencia de carbono, y la posible existencia de vida antigua en el Planeta Rojo es solo una posible explicación de su presencia.

El carbono es la base de toda la vida en la Tierra, y el ciclo del carbono es el proceso natural de reciclaje de átomos de carbono. En nuestro planeta, los átomos de carbono siguen un ciclo a medida que viajan desde la atmósfera hasta el suelo y regresan a la atmósfera. La mayor parte de nuestro carbono está en rocas y sedimentos y el resto está en el océano global, la atmósfera y los organismos, según NOAA, o la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica.

Por eso los átomos de carbono -con su ciclo de reciclaje- son trazadores de la actividad biológica en la Tierra. Por lo tanto, podrían usarse para ayudar a los investigadores a determinar si existió vida en el antiguo Marte.

Cuando estos átomos se miden dentro de otra sustancia, como el sedimento marciano, pueden arrojar luz sobre el ciclo del carbono de un planeta, sin importar cuándo sucedió.

Saber más sobre el origen de este carbono marciano recién detectado también podría revelar el proceso del ciclo del carbono en Marte.

Un estudio que detalla estos resultados publicado el lunes en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias.

Secretos en los sedimentos

Curiosity aterrizó en el cráter Gale en Marte en agosto de 2012. El cráter de 96 millas (154,5 kilómetros), llamado así por el astrónomo australiano Walter F. Gale, probablemente se formó por el impacto de un meteorito de entre 3,5 y 3,8 mil millones de años. La gran cavidad probablemente alguna vez contuvo un lago, y ahora incluye una montaña llamada Mount Sharp. El cráter también incluye capas de roca antigua expuesta.

Pour un examen plus approfondi, le rover a foré pour collecter des échantillons de sédiments à travers le cratère entre août 2012 et juillet 2021. Curiosity a ensuite chauffé ces 24 échantillons de poudre à environ 1 562 degrés Fahrenheit (850 degrés Celsius) afin de séparer los elementos. Esto hizo que las muestras liberaran metano, que luego fue analizado por otro instrumento en el arsenal del rover para mostrar la presencia de isótopos de carbono estables o átomos de carbono.

El rover Curiosity busca sal en Marte

Algunas de las muestras se empobrecieron en carbono mientras que otras se enriquecieron. El carbono tiene dos isótopos estables, medidos como carbono 12 o carbono 13.

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“Las muestras extremadamente empobrecidas en carbono 13 se parecen un poco a las muestras australianas tomadas de sedimentos de 2.700 millones de años”, dijo Christopher H. House, autor principal del estudio y profesor de geociencias en la Universidad Estatal de Pensilvania, en un comunicado. .

«Estas muestras fueron causadas por la actividad biológica cuando el metano fue consumido por antiguas esteras microbianas, pero no necesariamente podemos decir eso sobre Marte porque es un planeta que puede haberse formado a partir de materiales y procesos diferentes a los de la Tierra».

En los lagos de la Tierra, a los microbios les gusta crecer en grandes colonias que esencialmente forman esteras justo debajo de la superficie del agua.

3 posibles orígenes del carbono

Las diferentes medidas de estos átomos de carbono podrían sugerir tres cosas muy diferentes sobre el antiguo Marte. Es probable que el origen del carbono se deba al polvo cósmico, la degradación ultravioleta del dióxido de carbono o la degradación ultravioleta del metano producido biológicamente.

«Estos tres escenarios no son convencionales, a diferencia de los procesos comunes en la Tierra», dijeron los investigadores.

El primer escenario involucra a todo nuestro sistema solar atravesando una nube de polvo galáctico, algo que sucede cada 100 millones de años, según House. La nube cargada de partículas podría desencadenar eventos de enfriamiento en planetas rocosos.

Esta imagen capturada por Curiosity muestra un área perforada y muestreada por el rover.

«No deposita mucho polvo», dijo House. «Es difícil ver cualquiera de estos eventos de deposición en los registros de la Tierra».

Pero es posible que durante un evento como este, la nube de polvo cósmico haya bajado las temperaturas en el antiguo Marte, que pudo haber contenido agua líquida. Esto podría haber causado la formación de glaciares en Marte, dejando una capa de polvo sobre el hielo. Cuando el hielo se derritió, la capa de sedimento que contiene carbono habría permanecido. Si bien esto es completamente posible, hay poca evidencia de glaciares en Gale Crater y los autores del estudio dijeron que esto requeriría más investigación.

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El segundo escenario implica la conversión de dióxido de carbono en Marte en compuestos orgánicos, como el formaldehído, debido a la radiación ultravioleta. Esta hipótesis también requiere más investigación.

La tercera forma en que se produjo este carbono tiene posibles raíces biológicas.

El rover Curiosity detecta los niveles más altos de metano en Marte
Si este tipo de medición de carbono empobrecido se hiciera en la Tierra, mostraría que los microbios estaban consumiendo metano producido biológicamente. Mientras que Curiosity ya ha detectado metano en Marte, los investigadores solo pueden adivinar si alguna vez hubo grandes columnas de metano liberadas debajo de la superficie de Marte. Si lo fuera, y hubiera microbios en la superficie de Marte, habrían consumido ese metano.

También es posible que el metano interactuara con la luz ultravioleta, dejando un rastro de carbono en la superficie marciana.

Más perforaciones en el horizonte

El rover Curiosity regresará al sitio donde recolectó la mayoría de las muestras en aproximadamente un mes, lo que permitirá otra oportunidad de analizar los sedimentos de este lugar intrigante.

«Esta investigación ha logrado un objetivo de larga data para la exploración de Marte», dijo House. «Para medir diferentes isótopos de carbono, una de las herramientas geológicas más importantes, de sedimentos en otro mundo habitable, y lo hace observando nueve años de exploración».

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Horoscopo

Tennessee Titans 2022 espacio de tope planificado con cantidad acumulada para 2021

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Los Tennessee Titans tienen aproximadamente $ 2.8 millones en espacio salarial no utilizado de la temporada 2021 que se trasladará a su tope salarial de 2022 una vez que la liga confirme la cifra.

En diciembre, se anunció que el tope salarial de la NFL para 2022 sería aproximadamente $ 208,2 millones. Si sumamos el monto de la rotación de Tennessee, eso deja a los Titans con un tope salarial ajustado de alrededor de $211 millones.

Teniendo esto en cuenta, por encima del techo estima que Tennessee tendrá alrededor de $ 7.3 millones en espacio bajo el tope salarial antes de la temporada baja.

Tal como están las cosas, los Titans tienen 40 jugadores bajo contrato para 2022. Esa cantidad de espacio no será suficiente para que Tennessee llene su lista, pero los Titans pueden aumentar su espacio bajo el tope salarial haciendo recortes y/o reestructuraciones, y pueden sea ​​creativo con la forma en que distribuyen los contratos como lo hicieron en 2021.

El período de manipulación legal para la agencia libre comenzará el 14 de marzo, pero los jugadores no pueden comenzar oficialmente a firmar con los equipos hasta el comienzo del nuevo año de la liga, que es el 16 de marzo a las 4 p.m. ET.

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