Investigadores de la Universidad de Arizona demuestran una ventaja cuántica. Universidad de Arizona
Investigadores de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Arizona y la Facultad de Ciencias Ópticas James C. Wyant demuestran experimentalmente cómo los recursos cuánticos no son solo sueños para el futuro lejano, sino que pueden mejorar la tecnología actual ‘hui’.
La computación cuántica y la detección cuántica tienen el potencial de ser mucho más poderosas que sus contrapartes clásicas. Una computadora cuántica completamente realizada no solo tardaría segundos en resolver ecuaciones que a una computadora convencional le llevaría miles de años, sino que podría tener impactos incalculables en campos que van desde la obtención de imágenes biomédicas hasta la conducción autónoma.
Sin embargo, la tecnología aún no está allí.
De hecho, a pesar de las teorías ampliamente aceptadas sobre el tremendo impacto de las tecnologías cuánticas, muy pocos investigadores han podido demostrar, utilizando la tecnología disponible en la actualidad, que los métodos cuánticos tienen una ventaja sobre sus contrapartes clásicas.
En un artículo publicado el 1 de junio de 2021 en la revista Examen físico X, investigadores de la Universidad de Arizona demuestran experimentalmente que el cuanto tiene una ventaja sobre los sistemas informáticos tradicionales.
«Demostrar una ventaja cuántica es un objetivo muy buscado en la comunidad, y muy pocos experimentos han podido demostrarlo», dijo el coautor del artículo Zheshen Zhang, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales e investigador principal de Arizona. Quantum Information and Materials Group y uno de los autores del artículo. “Buscamos demostrar cómo podemos aprovechar la tecnología cuántica que ya existe para beneficiar las aplicaciones del mundo real. «
¿Cómo (y cuándo) funciona Quantum?
La computación cuántica y otros procesos cuánticos se basan en pequeñas y poderosas unidades de información llamadas qubits. Las computadoras clásicas que usamos hoy funcionan con unidades de información llamadas bits, que existen como 0 o 1, pero los qubits pueden existir en ambos estados al mismo tiempo. Esta dualidad los hace a la vez poderosos y frágiles. Los qubits complicados son propensos a colapsar sin previo aviso, lo que hace que un proceso llamado corrección de errores sea muy importante, que soluciona los problemas a medida que surgen.
Quntao Zhuang (izquierda), PI del Grupo de Teoría de la Información Cuántica, y Zheshen Zhang, PI del Grupo de Materiales e Información Cuántica, son profesores asistentes en la Facultad de Ingeniería. Crédito: Universidad de Arizona
El campo cuántico se encuentra ahora en una era que John Preskill, un físico de renombre del Instituto de Tecnología de California, llamó «cuántico ruidoso de escala media» o NISQ. En la era NISQ, las computadoras cuánticas pueden realizar tareas que solo requieren alrededor de 50 a algunos cientos de qubits, pero con una cantidad significativa de ruido o interferencia. No más que eso y el ruido triunfa sobre la utilidad, haciendo que todo se derrumbe. Está ampliamente aceptado que se necesitarían entre 10.000 y varios millones de qubits para que las aplicaciones cuánticas sean útiles en la práctica.
Imagínese inventar un sistema que garantice que cada comida que cocine saldrá a la perfección y luego dar ese sistema a un grupo de niños que no tienen los ingredientes adecuados. Será genial en unos años, una vez que los niños crezcan y puedan comprar lo que necesitan. Pero hasta entonces, la utilidad del sistema es limitada. Asimismo, hasta que los investigadores avancen en el campo de la corrección de errores, que puede reducir los niveles de ruido, los cálculos cuánticos se limitan a una pequeña escala.
Beneficios del enredo
El experimento descrito en el artículo utilizó una mezcla de técnicas clásicas y cuánticas. Específicamente, utilizó tres sensores para clasificar la amplitud y el ángulo promedio de las señales de radiofrecuencia.
Los sensores han sido equipados con otro recurso cuántico llamado entrelazamiento, que les permite compartir información entre ellos y ofrece dos ventajas principales: en primer lugar, mejora la sensibilidad de los sensores y reduce los errores. En segundo lugar, debido a que están enredados, los sensores evalúan las propiedades generales en lugar de recopilar datos sobre partes específicas de un sistema. Esto es útil para aplicaciones que solo necesitan una respuesta binaria; por ejemplo, en las imágenes médicas, los investigadores no necesitan conocer todas las células de una muestra de tejido que no es canceroso, solo si hay una célula que es cancerosa. El mismo concepto se aplica a la detección de productos químicos peligrosos en el agua potable.
La experiencia ha demostrado que equipar los sensores con entrelazamiento cuántico les da una ventaja sobre los sensores convencionales, reduciendo la probabilidad de errores por un margen pequeño pero crítico.
«Esta idea de usar enredos para mejorar los sensores no se limita a un tipo específico de sensor, por lo que podría usarse para una variedad de aplicaciones diferentes, siempre que tenga el equipo para codificar los sensores», dijo el estudio co -autor Quntao. Zhuang, profesor asistente de ingeniería eléctrica e informática e investigador principal del Quantum Information Theory Group. “En teoría, podría considerar aplicaciones como lidar (detección de luz y rango) para automóviles autónomos, por ejemplo. «
Zhuang y Zhang desarrollaron la teoría detrás del experimento y la describieron en un 2019 Examen físico X papel. Ellos fueron coautores del nuevo artículo con el autor principal Yi Xia, estudiante de doctorado en la Facultad de Ciencias Ópticas James C. Wyant, y Wei Li, investigador postdoctoral en ciencia e ingeniería de materiales.
Clasificadores Qubit
Existen aplicaciones que utilizan una mezcla de procesamiento cuántico y clásico en la era NISQ, pero se basan en conjuntos de datos clásicos preexistentes que deben convertirse y clasificarse en el dominio cuántico. Imagine tomar una serie de fotos de perros y gatos y luego cargar las fotos en un sistema que usa métodos cuánticos para etiquetar las fotos como «gato» o «perro».
El equipo aborda el proceso de etiquetado desde una perspectiva diferente, utilizando sensores cuánticos para recopilar sus propios datos en primer lugar. Es más como usar una cámara cuántica especializada que etiqueta las fotos como «perro» o «gato» a medida que se toman.
“Muchos algoritmos tienen en cuenta los datos almacenados en un disco de computadora y luego los convierten en un sistema cuántico, lo que requiere tiempo y esfuerzo”, dijo Zhuang. «Nuestro sistema trabaja en un problema diferente mediante la evaluación de los procesos físicos que tienen lugar en tiempo real».
El equipo está entusiasmado con las futuras aplicaciones de su trabajo en la intersección de la detección cuántica y computación cuántica. Incluso planean algún día integrar toda su configuración experimental en un chip que podría sumergirse en un biomaterial o una muestra de agua para identificar enfermedades o sustancias químicas nocivas.
«Creemos que es un nuevo paradigma para la computación cuántica, el aprendizaje de máquinas cuánticas y los sensores cuánticos, porque realmente crea un puente para interconectar todas estas áreas diferentes», dijo Zhang.
Referencia: «Clasificación de datos mejorada cuánticamente con una red de sensores enredados variables» por Yi Xia, Wei Li, Quntao Zhuang y Zheshen Zhang, 1 de junio de 2021, Examen físico X. DOI: 10.1103 / PhysRevX.11.021047
El mes de octubre ha comenzado con buen pie: el sol ha provocado una enorme llamarada solar de clase X, la “más poderosa de su tipo” según Space.com – que tiene el potencial de golpear nuestro planeta con una poderosa tormenta geomagnética esta semana.
La explosión solar sobrealimentada surgió de la mancha solar AR3842 el martes por la noche.
Alcanzó una magnitud X7,1, lo que lo convierte en el segundo más poderoso de los últimos siete años después del monstruo de magnitud X8,7 de mayo. Live Science informó.
El sol desató una enorme llamarada solar de clase X el martes por la noche, la más poderosa que puede generar, que podría golpear nuestro planeta con una poderosa tormenta geomagnética este fin de semana. NASA/SDO Una fotografía de la llamarada solar que emerge de la mancha solar AR3842 el 1 de octubre. NASA/SDO
También desencadenó una eyección de masa coronal (CME), cuando plasma y partículas magnéticas brotan de la superficie del sol, que se espera que golpee la Tierra el viernes alrededor de las 4 p.m. según Spaceweather.com.
Cuando esto suceda, los meteorólogos predicen que entrará en el campo magnético de la Tierra, provocando una fuerte «tormenta geomagnética de clase G3», la tercera categoría más poderosa. después del G4 y el G5.
Estos fenómenos pueden potencialmente afectar los sistemas de navegación, las redes eléctricas e incluso las comunicaciones por satélite, informó Space.com.
También energizan la aurora boreal, lo que a menudo lleva a que estos espectáculos de luz natural se vean mucho más al sur de lo habitual.
La llamarada fue una de las dos provocadas por la mancha solar AR3842 disparada esta semana.
La otra fue una llamarada de clase M, la segunda clase más poderosa, el lunes por la noche.
Las consecuencias de esta explosión provocaron un apagón temporal de la radio en grandes zonas del Océano Pacífico, incluido Hawaii.
Afortunadamente, los meteorólogos del Centro de Predicción del Clima Espacial de la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica de EE. UU. no mencionaron ninguna CME con destino a la Tierra que haya sido generada por dicha erupción, informó Space.com.
Hay una clase de objetos que viajan alrededor de nuestro sistema solar llamados «centauros». No se acercan a la Tierra, pero la NASA acaba de acercar uno de ellos con el poderoso telescopio espacial James Webb.
Se cree que los centauros son objetos helados que se originan en las afueras del sistema solar, donde vive Plutón, pero se han desplazado hacia el interior y ahora habitan los reinos entre Júpiter y Neptuno. Siguen siendo en gran medida un misterio, pero utilizando un instrumento Webb (un espectrógrafo) capaz de identificar la composición de mundos distantes, los científicos han inspeccionado de cerca Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1, un objeto conocido por emitir chorros de gas.
«Webb realmente abrió la puerta a una resolución y sensibilidad que nos impresionaron: cuando vimos los datos por primera vez, nos emocionamos. Nunca habíamos visto algo así», dijo la investigadora de Goddard Sara Faggi del vuelo espacial de la NASA. Centro que lideró la investigacióndijo en un comunicado de la agencia.
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Podríamos neutralizar un asteroide entrante. Los científicos acaban de demostrarlo.
Si bien el objeto está demasiado distante y demasiado pequeño para obtener una imagen vívida (como la visión de Webb de un vasto mundo como Neptuno), el espectrógrafo de Webb reveló nuevos chorros de gas disparados desde el centauro. Dos de los jets recién descubiertos disparan CO2 (dióxido de carbono) al espacio y otro dispara CO (monóxido de carbono). Los investigadores buscaron agua en estas columnas, pero no detectaron ninguna.
El siguiente gráfico muestra la abundancia de elementos en los chorros observados por Webb (izquierda) y la construcción 3D de la NASA de cómo podría verse Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1 (derecha).
Izquierda: La abundancia de elementos en los chorros observados por el telescopio Webb. Derecha: construcción 3D de la NASA de cómo podría verse Centaur 29P/Schwassmann-Wachmann 1. Crédito: NASA / ESA / CSA / L. Hustak (STScI) / S. Faggi (NASA-GSFC / American University)
Ilustración artística del telescopio espacial James Webb observando el cosmos desde una órbita a 1 millón de kilómetros de la Tierra. Crédito: GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutiérrez
Como muestran las reconstrucciones anteriores, Centaur 29P podría estar formado por dos objetos pegados durante mucho tiempo (los asteroides y otros objetos del espacio profundo tienden a hacer esto). Esto podría explicar las diferencias en las abundancias de CO2 y CO del objeto.
Pero la causa de estas explosiones de gas sigue siendo un misterio. Los cometas, que son “bolas de nieve sucias” hechas de hielo, rocas y polvo, liberan gases y vapor de agua a medida que se acercan al sol. Pero en los gélidos reinos del sistema solar exterior, hace demasiado frío para que el hielo de centauro se sublime rápidamente o cambie abruptamente de sólido a gas.
Velocidad aplastable de la luz
Para comprender lo que está sucediendo en estos lugares distantes, que son restos perfectamente conservados de nuestro sistema solar temprano y pueden ayudarnos a comprender nuestra evolución planetaria, los científicos necesitarán acercarse nuevamente a Centauro 29P.
«Sólo tuvimos tiempo de mirar este objeto una vez, como una instantánea en el tiempo», dijo Adam McKay, astrónomo y coautor del estudio en la Universidad Estatal de los Apalaches. “Observar estos aviones a lo largo del tiempo nos daría una idea mucho mejor de qué está provocando estas explosiones”, añadió.
Las poderosas capacidades del telescopio Webb
El Telescopio Webb, una colaboración científica entre la NASA, la ESA y la Agencia Espacial Canadiense, está diseñado para observar las profundidades del cosmos y revelar nueva información sobre el universo primitivo. Pero también analiza planetas intrigantes de nuestra galaxia, así como planetas y lunas de nuestro sistema solar.
Así es como Webb logra hazañas sin precedentes, y probablemente lo hará durante décadas:
– Espejo gigante: El luminoso espejo de Webb mide más de 21 pies de diámetro. Es más de dos veces y media más grande que el espejo del Telescopio Espacial Hubble. Captar más luz le permite a Webb ver objetos más antiguos y distantes. El telescopio observa estrellas y galaxias que se formaron hace más de 13 mil millones de años, apenas unos cientos de millones de años después del Big Bang. “Vamos a ver las primeras estrellas y galaxias jamás formadas”, dijo a Mashable en 2021 Jean Creighton, astrónomo y director del Planetario Manfred Olson de la Universidad de Wisconsin-Milwaukee.
– Vista infrarroja: A diferencia del Hubble, que observa en gran medida la luz visible para nosotros, Webb es principalmente un telescopio infrarrojo, lo que significa que observa la luz en el espectro infrarrojo. Esto nos permite ver mucho más del universo. El infrarrojo tiene más tiempo longitudes de onda que la luz visible, por lo que las ondas de luz se deslizan más eficientemente a través de las nubes cósmicas; la luz no choca con tanta frecuencia y no es dispersada por estas partículas densamente empaquetadas. En última instancia, la visión infrarroja de Webb puede penetrar lugares donde el Hubble no puede.
“Esto levanta el velo”, dijo Creighton.
– Observar exoplanetas distantes: El telescopio Webb Lleva equipos especializados llamados espectrógrafos. que revolucionará nuestra comprensión de estos mundos distantes. Los instrumentos pueden descifrar qué moléculas (como agua, dióxido de carbono y metano) existen en las atmósferas de exoplanetas distantes, ya sean gigantes gaseosos o mundos rocosos más pequeños. Webb estudia exoplanetas en la Vía Láctea. ¿Quién sabe qué encontraremos?
«Podríamos aprender cosas en las que nunca pensamos», dijo Mercedes López-Morales, investigadora de exoplanetas y astrofísica de la Centro Harvard y Smithsonian de Astrofísicadijo Mashable en 2021.
Los astrónomos ya han descubierto intrigantes reacciones químicas en un planeta a 700 años luz de distancia y han comenzado a observar uno de los lugares más esperados del cosmos: los planetas rocosos del tamaño de la Tierra del sistema solar TRAPPISTA.
El sol dio la bienvenida a octubre con estilo, provocando dos potentes brotes en poco más de 24 horas.
El más reciente de los dos fue un llamarada solarel más poderoso de su tipo – y era un poderoso escala de clasificación de llamaradas. Esto alcanzó su punto máximo el martes 1 de octubre a las 6:20 p. m. EDT (22:20 p. m. GMT).
De acuerdo a Clima espacial.comesta erupción fue una de las más grandes del actual ciclo solar 25, ubicándose en segundo lugar detrás de la erupción masiva de X8.7 el 14 de mayo. (Actividad de el sol aumenta y disminuye en un ciclo de 11 años.) Una pérdida parcial o completa de las señales de radio de alta frecuencia (HF) es probablemente el resultado de la explosión en las partes iluminadas por el sol de la Tierra. Esto incluiría partes del hemisferio occidental, el océano Pacífico, Australia y la región de Asia y el Pacífico.
La nave espacial Observatorio de Dinámica Solar de la NASA capturó esta vista de una erupción solar X7.1 que entró en erupción el 1 de octubre de 2024. (Crédito de la imagen: NASA/SDO y los equipos científicos AIA, EVE y HMI, helioviewer.org)
A eyección de masa coronal (CME), una erupción masiva de plasma solar, se ha asociado con la llamarada X7.1, informó Spaceweather.com. La CME se dirigía hacia la Tierra y se espera que golpee nuestro planeta el viernes (4 de octubre), probablemente generando una fuerte tormenta geomagnética que podría sobrecargarse. amanecer póster.
Cuando se producen estas tormentas, el campo magnético de la Tierra sufre una alteración que puede afectar no sólo a las auroras boreales, sino también a los sistemas de navegación, las redes eléctricas e incluso las comunicaciones por satélite. Cuanto más poderosa es la tormenta, más el número en la escala de tormentas geomagnéticasy más dramáticos serán los efectos.
La erupción del martes surgió de mancha solar AR3842. El lunes 30 de septiembre, la misma mancha solar despegó de una llamarada M7.6. Las bengalas de clase M son las segundas más potentes detrás de las X, que son 10 veces más potentes. La erupción ocurrió a las 7:59 p.m.EDT (2359 GMT) y provocó un apagón de radio de onda corta en partes del Océano Pacífico.
