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A descoberta do emaranhamento quântico é um avanço revolucionário • Earth.com

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A descoberta do emaranhamento quântico é um avanço revolucionário • Earth.com

Uma equipe de pesquisadores do Laboratório de Luz Estruturada em… Universidade de WitwatersrandA África do Sul fez progressos significativos em relação ao emaranhamento quântico.

Liderado pelo professor Andrew Forbes, em colaboração com o renomado cientista de cordas Robert de Mello Koch, que agora está no Universidade de Huzhou Na China, a equipe demonstrou com sucesso uma nova maneira de manipular partículas quânticas emaranhadas sem alterar suas propriedades intrínsecas.

Este feito representa um grande passo na nossa compreensão e aplicação do emaranhamento quântico.

Topologia em emaranhamento quântico

“Conseguimos isso entrelaçando dois fótons idênticos e atribuindo-lhes uma função de onda comum, “explica Pedro Ornelas, aluno de mestrado e autor principal do estudo.” Este processo torna clara a sua estrutura coletiva, ou topologia, apenas quando são considerados como um entidade única.”

Este experimento gira em torno do conceito de emaranhamento quântico, conhecido como “ação assustadora à distância”, onde as partículas influenciam os estados umas das outras, mesmo quando separadas por grandes distâncias.

A topologia desempenha um papel crucial neste contexto. Ele garante que certas propriedades sejam preservadas, assim como uma xícara de café e uma rosquinha são topologicamente equivalentes devido ao seu orifício único e imutável.

“Nossos fótons emaranhados são semelhantes”, explica o professor Forbes. “Seu emaranhado é flexível, mas algumas propriedades permanecem constantes.”

O estudo analisa especificamente a topologia Skyrmion, um conceito introduzido por Tony Skyrmion na década de 1980. Neste cenário, a topologia refere-se a uma propriedade geral que permanece inalterada, como a textura de um tecido, independentemente de como seja tratada.

Aplicações do emaranhamento quântico

Skyrmions, que foram inicialmente estudados em materiais magnéticos, cristais líquidos e seus equivalentes ópticos, foram elogiados na física da matéria condensada por sua estabilidade e potencial em tecnologia de armazenamento de dados.

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“Nosso objetivo é alcançar efeitos transformadores semelhantes com nossos skyrmions emaranhados quânticos”, acrescenta Forbes. Ao contrário de pesquisas anteriores que limitaram a localização dos Skyrmions a um único ponto, este estudo apresenta uma mudança de paradigma.

Como diz Ornelas: “Agora entendemos que a topologia, tradicionalmente vista como local, pode na verdade ser não local, compartilhada entre entidades espacialmente separadas”.

Assim, a equipe propõe usar a topologia como um sistema de classificação para estados emaranhados. Dr. Ishaq Naib, co-pesquisador, compara isso a um alfabeto de estados emaranhados.

“Assim como diferenciamos campos e donuts por seus buracos, nossos skyrmions quânticos podem ser classificados por suas características topológicas”, explica ele.

Ideias-chave e pesquisas futuras

Esta descoberta abre portas para novos protocolos de comunicação quântica, que usam a topologia como meio de processamento de informações quânticas.

Tais protocolos poderiam revolucionar a forma como as informações são codificadas e transmitidas em sistemas quânticos, especialmente em cenários onde os métodos tradicionais de criptografia falham devido ao emaranhamento mínimo.

O resultado final é que a importância desta pesquisa reside na possibilidade de aplicá-la no terreno. Durante décadas, manter estados interligados tem sido um grande desafio.

As descobertas da equipe sugerem que a topologia pode permanecer intacta mesmo quando o emaranhamento diminui, fornecendo um novo mecanismo de criptografia para sistemas quânticos.

O professor Forbes conclui com uma declaração prospectiva, dizendo: “Agora estamos prontos para definir novos protocolos e explorar o amplo cenário de estados quânticos não locais, o que poderia revolucionar a forma como abordamos as comunicações quânticas e o processamento de informações”.

Mais sobre emaranhamento quântico

Conforme discutido acima, o emaranhamento quântico é um fenômeno fascinante e complexo no mundo da física quântica.

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É um processo físico no qual pares ou grupos de partículas criam, interagem ou compartilham proximidade espacial de maneiras tais que o estado quântico de cada partícula não pode ser descrito independentemente do estado das outras partículas, mesmo quando as partículas estão separadas por um grande distância. .

Descoberta e contexto histórico

O emaranhamento quântico foi teorizado pela primeira vez em 1935 por Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen. Eles propuseram o paradoxo de Einstein-Podolsky-Rosen (EPR), desafiando a integridade da mecânica quântica.

Einstein referiu-se ao emaranhamento como “ação assustadora à distância”, expressando desconforto com a ideia de que as partículas poderiam influenciar umas às outras instantaneamente ao longo de grandes distâncias.

Princípios do emaranhamento quântico

No cerne do emaranhamento quântico está o conceito de superposição. Na mecânica quântica, partículas como elétrons e fótons existem em um estado de superposição, o que significa que podem estar em vários estados simultaneamente.

Quando duas partículas estão emaranhadas, elas estão relacionadas de tal forma que o estado de uma (seja rotação, posição, momento ou polarização) é instantaneamente relacionado ao estado da outra, não importa quão distantes estejam.

Emaranhamento quântico em computação e comunicações

O emaranhamento quântico desafia as noções clássicas de leis físicas. Indica que a informação pode ser transmitida mais rapidamente do que a velocidade da luz, o que contradiz a teoria da relatividade de Einstein.

Contudo, isto não significa que a informação utilizável seja transferida imediatamente, o que violaria a causalidade; Pelo contrário, implica uma interligação profundamente enraizada ao nível quântico.

Uma das aplicações mais interessantes do emaranhamento quântico está no campo da computação quântica. Os computadores quânticos usam estados emaranhados para realizar cálculos complexos em velocidades que não podem ser alcançadas pelos computadores clássicos.

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Nas comunicações quânticas, o emaranhamento é a chave para o desenvolvimento de sistemas de comunicações altamente seguros, como a criptografia quântica e a distribuição quântica de chaves, que são teoricamente imunes a hackers.

Validação empírica e pesquisas atuais

Desde o seu início teórico, o emaranhamento quântico foi comprovado experimentalmente várias vezes, sublinhando a sua natureza estranha e contra-intuitiva.

Os mais famosos são os experimentos de teste de Bell, que forneceram evidências importantes contra as teorias de variáveis ​​ocultas locais e a favor da mecânica quântica.

Em suma, o emaranhamento quântico, a pedra angular da mecânica quântica, continua a ser um tema de intensa investigação e debate. A sua natureza intrigante desafia a nossa compreensão do mundo físico e abre caminho para desenvolvimentos potencialmente revolucionários na tecnologia.

À medida que a investigação avança, poderemos encontrar aplicações mais práticas para este estranho fenómeno, desvendando mais segredos do universo quântico.

O estudo completo foi publicado na revista Fotônica da natureza.

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O antigo Telescópio Espacial Hubble volta à vida após um mau funcionamento

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O antigo Telescópio Espacial Hubble volta à vida após um mau funcionamento

A NASA fez isso de novo. A agência espacial dos EUA corrigiu a última falha que afetava o antigo Telescópio Espacial Hubble. O observatório está de volta à ação para desvendar os segredos do universo. “Todos os instrumentos do Hubble estão online e a espaçonave retomou a realização de observações científicas.” NASA disse Em comunicado em 30 de abril.

O problema começou em 23 de abril, quando o Hubble entrou em modo de segurança devido a um problema com um de seus giroscópios. O giroscópio enviou leituras falsas, acionando a caixa de areia do observatório onde as operações científicas estão suspensas. O problema do giroscópio não é novo. O mesmo giroscópio que causou o mau funcionamento recente também se comportou em novembro com problema semelhante.

O Hubble possui seis giroscópios, mas apenas três deles estão operacionais. Os giroscópios ajudam o telescópio a apontar na direção certa para fazer observações e coletar dados. A NASA tem um plano backup que permitiria ao Hubble continuar operando com apenas um giroscópio, mas não precisou implementar esse procedimento. “A espaçonave está saudável e operacional novamente usando todos os três giroscópios”, disse a NASA.

O Hubble foi lançado em 1990. Ele encontrou alguns problemas técnicos durante sua vida, incluindo um sério defeito no espelho que foi resolvido por uma missão de ônibus espacial em 1993. No final, a NASA realizou cinco missões de manutenção, a última delas em 2009. A NASA não opera mais ônibus espaciais, por isso não pode enviar astronautas para consertar o Hubble quando algo dá errado. A solução de problemas deve ser feita no solo, o que torna o histórico de reparos bem-sucedidos da equipe ainda mais impressionante.

Problemas técnicos e hardware desatualizado não são os únicos desafios que o Hubble enfrenta. A órbita do observatório está a deteriorar-se. “Reiniciar o Hubble para uma órbita mais alta e mais estável poderia acrescentar vários anos de operações à sua vida.” NASA disse em 2022. A agência está estudando opções para estabilizar a órbita do Hubble, incluindo a possibilidade de enviar uma nova missão de serviço usando a espaçonave SpaceX Dragon.

O Telescópio Espacial Hubble é tão antigo que qualquer problema técnico levanta temores sobre o seu eventual desaparecimento. A NASA espera continuar a operar o observatório de 34 anos pelo menos até ao final da década, e talvez mais além. O novo e poderoso Telescópio Espacial James Webb será lançado em 2021, mas não se destina a substituir o Hubble. Em vez disso, os dois observatórios complementam-se e, por vezes, colaboram nas imagens, como quando ambos contribuíram para uma vista deslumbrante de galáxias em forma de “árvore de Natal” em 2023.

O trabalho do Hubble tornou-se icônico, tornou-se famoso Pilares da criação Uma imagem do Hubble Deep Field, uma visão histórica de uma área do céu contendo 1.500 galáxias. O observatório pesquisou por toda parte para documentar os planetas do nosso sistema solar, bem como nebulosas, galáxias e estrelas distantes. Sua missão terminará um dia, mas algumas soluções inteligentes significam que esse dia ainda não chegou.

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Nova pesquisa revela que os dinossauros não eram tão inteligentes quanto pensávamos

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Nova pesquisa revela que os dinossauros não eram tão inteligentes quanto pensávamos

Fotografia de um esqueleto de T. rex no Museu Senckenberg em Frankfurt, Alemanha. O Tiranossauro rex viveu no final do período Cretáceo (cerca de 66 milhões de anos atrás) e foi encontrado exclusivamente no oeste da América do Norte. Crédito: Kay R. Caspar

Os dinossauros eram tão inteligentes quanto os répteis, mas não tão inteligentes quanto os macacos, como sugerem pesquisas anteriores.

Uma equipe internacional de paleontólogos, etólogos e neurologistas reexaminou o tamanho e a estrutura do cérebro dos dinossauros e concluiu que eles se comportavam como crocodilos e lagartos.

Num estudo publicado no ano passado, afirmou-se que os dinossauros adoram Tiranossauro Rex Eles tinham um número excepcionalmente grande de neurônios e eram significativamente mais inteligentes do que o esperado. Tem sido afirmado que este elevado número de neurónios poderia beneficiar diretamente a inteligência, o metabolismo e a história de vida. Tiranossauro Rex Ele lembrava um macaco em alguns de seus hábitos. A transmissão cultural de conhecimento, bem como o uso de ferramentas têm sido citados como exemplos de características cognitivas que podem ter possuído.

Crítica da metodologia de contagem de neurônios

Mas o novo estudo publicado em Registro anatômico, em que Hadi George da Universidade de Bristol, Dr. Darren Naish (Universidade de Southampton) e liderado pelo Dr. Royal Ontario Museum) observe mais de perto as técnicas usadas para prever o tamanho do cérebro e o número de neurônios nos cérebros dos dinossauros. A equipe descobriu que suposições anteriores sobre o tamanho do cérebro dos dinossauros e o número de neurônios que seus cérebros continham não eram confiáveis.

A relação entre cérebro e massa corporal em vertebrados terrestres

A relação entre o cérebro e a massa corporal em vertebrados terrestres. Dinossauros como o T. rex tinham proporções de tamanho cérebro-corpo semelhantes às dos répteis vivos. Crédito: Cristian Gutierrez Ibanez

Esta pesquisa surge após décadas de análises nas quais paleontólogos e biólogos examinaram o tamanho e a anatomia do cérebro dos dinossauros e usaram esses dados para inferir comportamento e estilo de vida. As informações sobre os cérebros dos dinossauros vêm dos recheios minerais das cavidades cerebrais, chamados endocasts, bem como dos formatos das próprias cavidades.

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A equipe descobriu que o tamanho de seus cérebros era exagerado – especialmente o tamanho do prosencéfalo – e, portanto, seus neurônios também eram importantes. Além disso, mostraram que as estimativas do número de neurônios não são um guia confiável para a inteligência.

Recomendações para pesquisas futuras

Para reconstruir de forma confiável a biologia de organismos extintos há muito tempo ClassificarA equipe acredita que os pesquisadores devem considerar múltiplas linhas de evidência, incluindo anatomia esquelética, histologia óssea, comportamento de parentes vivos e vestígios de fósseis. “A inteligência dos dinossauros e de outros animais extintos é melhor determinada usando uma variedade de evidências que vão desde a anatomia macroscópica até pegadas fósseis, em vez de confiar apenas em estimativas do número de neurônios”, explicou Hadi, da Escola de Ciências da Terra de Bristol.

“Somos da opinião de que não é uma boa prática prever a inteligência em espécies extintas quando a população de neurônios reconstruída a partir de células endógenas é tudo o que temos para prosseguir”, explicou o Dr. Kai Kaspar.

“Os números de neurônios não são bons preditores do desempenho cognitivo, e usá-los para prever a inteligência em espécies extintas pode levar a interpretações muito enganosas”, acrescentou a Dra. Ornella Bertrand (Instituto de Paleontologia Miquel Crosafont da Catalunha).

O Dr. Darren Naish concluiu: “A possibilidade de o T. rex ser tão inteligente como um babuíno é ao mesmo tempo fascinante e assustadora, com o potencial de reinventar a nossa visão do passado.” “Mas o nosso estudo mostra como todos os nossos dados contradizem esta ideia. Eles eram mais parecidos com crocodilos gigantes e inteligentes, e isso é igualmente notável.”

Referência: “Quão inteligente foi o T. Rex?” Testando afirmações de cognição extraordinária em dinossauros e aplicando estimativas de número de neurônios na pesquisa paleontológica” por Kay R. Caspar, Christian Gutierrez Ibáñez, Ornella C. Bertrand, Thomas Carr, Jennifer A. D. Colburn e Arthur Erb, Hadi George, Thomas R. Holtz, Darren Naish, Douglas R. Willey e Grant R. Hurlburt, 26 de abril de 2024, Registro anatômico.
doi: 10.1002/ar.25459

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Cientistas estão se preparando para tempestades solares em Marte

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Cientistas estão se preparando para tempestades solares em Marte

Esta ejeção de massa coronal, capturada pelo Solar Dynamics Observatory da NASA, explodiu no Sol em 31 de agosto de 2012, viajando a mais de 1.400 quilômetros por segundo e enviando radiação para as profundezas do espaço. O campo magnético da Terra protege-a da radiação de eventos solares como este, enquanto Marte carece deste tipo de protecção. Fonte: NASA/SDO

O Sol estará mais ativo este ano, proporcionando uma rara oportunidade de estudar como as tempestades solares e a radiação afetarão os futuros astronautas no Planeta Vermelho.

Nos próximos meses, dois dos NASAde Marte A espaçonave terá uma oportunidade sem precedentes de estudar como as erupções solares – explosões gigantescas na superfície do Sol – afetam futuros robôs e astronautas no Planeta Vermelho.

Isso ocorre porque o Sol está entrando em um período de pico de atividade denominado máximo solar, algo que acontece aproximadamente a cada 11 anos. Durante o máximo solar, o Sol é particularmente propenso a explosões de fogo em uma variedade de formas – incluindo… Erupções solares E Ejeção de massa coronal – Que libera radiação nas profundezas do espaço. Quando uma série desses eventos solares irrompe, isso é chamado de tempestade solar.


Saiba como o rover MAVEN da NASA e o rover Curiosity da agência estudam as erupções solares e a radiação em Marte durante o máximo solar – o período em que o Sol está mais ativo. Crédito: NASA/Laboratório de Propulsão a Jato– Caltech/GSFC/SDO/MSSS/Universidade do Colorado

O campo magnético da Terra protege em grande parte o nosso planeta natal dos efeitos destas tempestades. Mas Marte perdeu o seu campo magnético global há muito tempo, tornando o Planeta Vermelho mais vulnerável às partículas energéticas do Sol. Quão intensa é a atividade solar em Marte? Os pesquisadores esperam que o atual máximo solar lhes dê a chance de descobrir. Antes de enviar humanos para lá, as agências espaciais precisam determinar, entre muitos outros detalhes, que tipo de proteção radiológica os astronautas necessitarão.

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“Para os humanos e as origens marcianas, não temos uma compreensão sólida do impacto da radiação durante a atividade solar”, disse Shannon Curry, do Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado em Boulder. Curry é o investigador principal do orbitador MAVEN (Mars Atmospheric and Volatile Evolution) da NASA, operado pelo Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. “Na verdade, gostaria de ver um ‘grande evento’ em Marte este ano – um grande evento que possamos estudar para compreender melhor a radiação solar antes dos astronautas irem a Marte.”

Detector de avaliação de radiação do rover Curiosity

O detector de avaliação de radiação no rover Curiosity da NASA é destacado nesta imagem anotada do Mastcam do rover. Os cientistas da RAD estão entusiasmados em usar o instrumento para estudar a radiação em Marte durante o máximo solar. Fonte da imagem: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Meça a altura e a queda

MAVEN monitora radiação, partículas solares e muito mais acima da superfície de Marte. A fina atmosfera de um planeta pode afetar a densidade das moléculas no momento em que atingem a superfície, e é aí que a sonda Curiosity da NASA entra em ação. Dados do detector de avaliação de radiação do Curiosity, ou RadAjudou os cientistas a compreender como a radiação decompõe as moléculas de carbono na superfície, um processo que pode afetar a preservação de sinais de vida microbiana antiga. A ferramenta também deu à NASA uma ideia de quanta proteção os astronautas poderiam esperar da radiação, usando cavernas, tubos de lava ou faces de penhascos para proteção.

Quando ocorre um evento solar, os cientistas observam a quantidade de partículas solares e quão ativas elas são.

Atmosfera de Marte e Evolução Volátil da NASA (MAVEN)

Este conceito artístico retrata a atmosfera marciana e a espaçonave MAVEN da NASA perto de Marte. Crédito: NASA/GSFC

“Poderíamos ter 1 milhão de partículas de baixa energia ou 10 partículas de energia muito alta”, disse o investigador principal da RAD, Don Hasler, do escritório do Southwest Research Institute em Boulder, Colorado. “Embora os instrumentos MAVEN sejam mais sensíveis a instrumentos de baixa energia, o RAD é o único instrumento capaz de ver instrumentos de alta energia que podem cruzar a atmosfera até a superfície, onde estarão os astronautas.”

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Quando o MAVEN detecta uma grande explosão solar, a equipe do orbitador informa à equipe do Curiosity para saber sobre isso para que possam monitorar as mudanças nos dados RAD. As duas missões também podem compilar uma série temporal que mede as mudanças até meio segundo quando as partículas atingem a atmosfera marciana, interagem com ela e, eventualmente, atingem a superfície.

A missão MAVEN também conduz um sistema de alerta precoce que permite que outras equipas de naves espaciais de Marte saibam quando os níveis de radiação começam a subir. O sistema de alerta permite que as missões desliguem dispositivos que podem ser vulneráveis ​​a explosões solares, que podem interferir na eletrônica e nas comunicações de rádio.

Água perdida

Além de ajudar a manter os astronautas e as naves espaciais seguros, estudar o máximo solar também pode fornecer informações sobre a razão pela qual Marte mudou de um mundo quente e húmido, semelhante à Terra, há milhares de milhões de anos, para um deserto congelado hoje.

O planeta está em um ponto de sua órbita quando está mais próximo do Sol, aquecendo a atmosfera. Isso pode causar tempestades de poeira crescentes que cobrem a superfície. Às vezes as tempestades se fundem, tornando-se globais (veja a imagem abaixo).

Animação de uma tempestade global de poeira em Marte

Marte antes e depois da tempestade de poeira: filmes lado a lado mostram como a tempestade de poeira global de 2018 cobriu o planeta vermelho, graças à câmera Mars Color Imager (MARCI) a bordo do Mars Reconnaissance Orbiter da NASA. Esta tempestade global de poeira fez com que a espaçonave da NASA perdesse contato com a Terra. Fonte da imagem: NASA/JPL-Caltech/MSSS

Embora reste pouca água em Marte – principalmente gelo sob a superfície e nos pólos – parte dela ainda circula como vapor na atmosfera. Os cientistas questionam-se se as tempestades globais de poeira ajudam a expulsar este vapor de água, elevando-o bem acima do planeta, onde a atmosfera é destruída durante as tempestades solares. Uma teoria é que este processo, repetido várias vezes ao longo de eras, pode explicar como Marte deixou de ter lagos e rios para ser hoje praticamente sem água.

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Se uma tempestade global de poeira ocorresse ao mesmo tempo que uma tempestade solar, seria uma oportunidade para testar esta teoria. Os cientistas estão particularmente entusiasmados porque este máximo solar ocorre no início da estação mais poeirenta de Marte, mas também sabem que uma tempestade de poeira global é rara.

Mais sobre missões

O Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, gerencia a missão MAVEN. A Lockheed Martin Space construiu a espaçonave e é responsável pelas operações da missão. JPL fornece navegação e suporte de rede espacial profunda. O Laboratório de Física Atmosférica e Espacial da Universidade do Colorado Boulder é responsável pelo gerenciamento de operações científicas, divulgação pública e comunicações.

O Curiosity foi construído pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, operado pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia em Pasadena, Califórnia. O JPL está liderando a missão em nome da Diretoria de Missões Científicas da NASA em Washington. A investigação RAD é apoiada pela Divisão de Heliofísica da NASA como parte do Heliophysics System Observatory (HSO) da NASA.

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