Учёные из нескольких ведущих научных учреждений (Oak Ridge National Laboratory, Purdue University и IBM), впервые применили квантовый компьютер для точного моделирования свойств магнитного материала KCuF3.

Квантовые симуляции проводились на процессоре IBM Quantum Heron, а экспериментальные данные были получены с помощью нейтронного рассеяния на источниках научно-исследовательского комплекса в Ок-Риджской национальной лаборатории (Spallation Neutron Source) и одной из национальных лабораторий Великобритании, Лаборатории Резерфорда — Эплтона (Rutherford Appleton Laboratory). Исследование стало важным шагом в реализации идеи Ричарда Фейнмана о применении квантовых систем для изучения квантовых материалов.

Материал KCuF3 был выбран из-за хорошо изученных свойств. Нейтронное рассеяние позволяет исследовать динамические и структурные характеристики системы, поскольку нейтроны слабо взаимодействуют с ней, не нарушая её состояния. Классические методы моделирования сталкиваются с трудностями при описании динамики большого числа запутанных спинов, что делает задачу крайне сложной.

Квантовые компьютеры, благодаря своей способности работать с квантовыми состояниями, открывают новые возможности для моделирования. В данном исследовании учёные использовали квантовые цепи для симуляции взаимодействий спинов в материале.

Ключевым достижением стало использование 50 кубитов с низким уровнем ошибок, что обеспечило высокую точность симуляции. Дополнительно применяли алгоритмы, устойчивые к шуму, а также классические вычислительные ресурсы для оптимизации глубины квантовых цепей. Такой подход соответствует концепции квантово-центричного суперкомпьютинга, объединяющего высокопроизводительные вычисления и квантовые ресурсы.

Результаты исследования показали, что квантовые компьютеры могут быть полезны для изучения не только спиновых гамильтонианов, но и более сложных моделей, связанных с квантовыми материалами. Это открывает перспективы для их применения при разработке новых материалов.

В будущем учёные планируют использовать квантовые симуляции для систем с более высокой размерностью и сложностью, чем KCuF3. Руководитель исследовательской группы Арнаб Банерджи выразил уверенность, что дальнейшие исследования создадут обратную связь между экспериментами и симуляциями, улучшат модели и ускорят разработку новых материалов.

Звёздные потоки — следы звёзд, оставленные карликовыми галактиками и шаровыми скоплениями, которые помогают астрономам изучать историю Млечного Пути и природу тёмной материи. До недавнего времени было известно менее 20 звёздных потоков, связанных с существующими шаровыми скоплениями. Однако команда учёных из Мичиганского университета под руководством Ингтяня Чэня обнаружила 87 новых кандидатов, что более чем в 4 раза увеличивает их количество.

Для поиска новых потоков Чэнь разработал алгоритм StarStream, основанный на физической модели формирования звёздных потоков. Этот алгоритм был применён к данным миссии Gaia Европейского космического агентства, которая с 2014 по 2025 год наблюдала миллиарды звёзд в нашей галактике. Хотя не все из 87 кандидатов могут быть подтверждены как звёздные потоки, они предоставляют ценные цели для будущих наблюдений.

Звёздные потоки формируются в результате приливного взаимодействия между меньшими звёздными группами, такими как шаровые скопления, и массивным Млечным Путём. Эти взаимодействия вытягивают звёзды из скоплений, оставляя за ними характерные следы. Формы и размеры потоков содержат информацию о гравитационном поле галактики и распределении тёмной материи.

Исследование поддержано NASA и станет основой для работы новых инструментов, таких как космический телескоп Nancy Grace Roman, обсерватория имени Веры Рубин и инструмент DESI. Эти проекты позволят более детально изучить кандидатов и подтвердить их статус звёздных потоков.

«Gaia уже устарела, но новые миссии предоставят более точные данные, которые улучшат наши результаты», — отметил Чэнь. Команда планирует адаптировать алгоритм StarStream для анализа данных будущих миссий, что упростит поиск новых потоков.

Исследование также подчёркивает важность систематического подхода к поиску звёздных потоков. Ранее они обнаруживались случайно, но использование физической модели позволило значительно увеличить их количество. Это открытие предоставляет новые возможности для изучения тёмной материи и эволюции нашей галактики.

Аксионы, гипотетические элементарные частицы, давно рассматриваются как возможный компонент тёмной материи. Группа исследователей из Института Периметра (Perimeter Institute, Канада), Университета Северной Каролины, Института Кавли (Kavli Institute, США) и Нью-Йоркского университета предложила новый подход к их поиску.

Аксионы были впервые предложены в 1970-х годах как решение проблемы CP-симметрии в сильном взаимодействии. Согласно теории, нарушение CP-симметрии должно приводить к наличию электрического дипольного момента у нейтрона, но эксперименты не подтвердили его существование. Это расхождение указывает на необходимость новой физики, и аксионы остаются одной из наиболее обоснованных гипотез.

В новом исследовании учёные предлагают использовать пьезоэлектрические материалы для генерации и регистрации аксионов. Эти кристаллы создают электрическое поле при деформации, что усиливает взаимодействие аксионов с веществом. Эксперимент основан на методе ядерного магнитного резонанса, позволяющем измерять малейшие изменения ориентации ядерных спинов.

Пьезоэлектрический кристалл будет приводиться в колебание с резонансной частотой ядерных спинов, что усилит сигнал, вызываемый аксионами. Для защиты от внешних магнитных полей будет задействован мощный магнитный экран. Слабое магнитное поле, создаваемое аксионами, предлагается регистрировать с помощью сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID).

Этот метод позволит значительно усилить «производство» аксионного сигнала в лаборатории, повышая чувствительность эксперимента до 10 миллионов раз по сравнению с предыдущими подходами.

Учёные подчёркивают, что предложенный метод дополняет существующие стратегии поиска аксионов и может быть реализован с использованием уже доступных технологий. Один из авторов, Эндрю Гераси (Andrew Geraci) из Северо?Западного университета (Northwestern University, США), планирует адаптировать свою установку Ariadne для проведения подобного эксперимента с пьезоэлектрическими материалами.

Команда исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) с помощью Большого адронного коллайдера (LHC) обнаружила новые свойства ядерной материи. Вместо привычных прямых столкновений частиц учёные изучали редкие события, когда частицы лишь касаются друг друга. Эти «почти столкновения» приводят к фотоядерным реакциям — воздействию фотонов на ядра, которое позволяет получить уникальные сведения о сильном взаимодействии.

В экспериментах наблюдались выбросы субатомных частиц, включая D0-мезоны, содержащие

Исследователи сначала смоделировали, как выглядят фотоядерные взаимодействия, а затем разработали алгоритм для их обнаружения в реальном времени. Это позволило выделить сотни редких событий из десятков миллиардов столкновений. На основе этих данных были рассчитаны плотность глюонов и сила их взаимодействия в ядре.

Результаты открывают новые возможности для изучения структуры ядерной материи. Учёные планируют повысить точность измерений, чтобы глубже понять распределение кварков и глюонов внутри ядра. Это имеет фундаментальное значение, так как сильное взаимодействие лежит в основе всех наблюдаемых явлений в природе.

«Глюоны — это сила, которая удерживает Вселенную вместе. Теперь у нас есть способ проверить существующие теории о сильном взаимодействии», — отметил ведущий автор исследования Жан Микель Инноченти (Gian Michele Innocenti).