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Les chercheurs ont créé une nouvelle phase de la matière – le cristal du temps
Il y a un énorme effort mondial pour concevoir un ordinateur capable d’exploiter la puissance de la physique quantique, et il se heurte à de formidables obstacles techniques.
Mais de récents prototypes d’ordinateurs quantiques montrent des exploits remarquables dans la création d’un ordinateur quantique, qui sera capable d’effectuer des calculs d’une complexité sans précédent en utilisant la puissance de la physique quantique.
Time Crystal, une nouvelle phase de la matière qui se répète dans le temps. Il le fait indéfiniment sans aucun autre apport d’énergie. Comme une montre qui fonctionne éternellement sans piles.
La recherche de cette phase de la matière a finalement porté ses fruits.
Dans un article publié le 30 novembre dans Nature, une équipe de scientifiques de l’Université de Stanford, de Google Quantum AI, du Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems et de l’Université d’Oxford détaillent leur création d’un cristal temporel à l’aide du matériel informatique quantique Sycamore de Google. .
« La vue d’ensemble est que nous prenons les appareils qui sont censés être les ordinateurs quantiques du futur et les considérons comme des systèmes quantiques complexes à part entière » a déclaré Matteo Ippolitti, chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford et co-auteur principal de l’ouvrage. « Au lieu du calcul, nous avons mis l’ordinateur au travail comme une nouvelle plate-forme expérimentale pour percevoir et découvrir de nouvelles phases de la matière. »
« Les cristaux temporels sont un exemple frappant d’un nouveau type de phase quantique déséquilibrée de la matière », a déclaré Vedika Khemani, professeur adjoint de physique à l’Université de Stanford et auteur du document de recherche. « Alors qu’une grande partie de notre compréhension de la physique de la matière condensée dépend des systèmes d’équilibre, ces nouveaux dispositifs quantiques nous offrent une fenêtre fascinante sur de nouveaux systèmes hors d’équilibre en physique multicorps. »
Les ingrédients de base pour faire un cristal cette fois-ci sont les suivants : l’équivalent physique d’une mouche des fruits et quelque chose pour lui donner un coup de pouce. Drosophila Physics est le modèle d’Ising, un outil de longue date pour comprendre divers phénomènes physiques – y compris les transitions de phase et le magnétisme – qui consiste en un réseau où chaque position de particule occupe deux états qui sont représentés par un spin vers le haut ou vers le bas.
« C’est une phase de la matière complètement robuste, où vous n’ajustez pas les paramètres ou les états, mais votre système est toujours quantitatif » a déclaré Sundy, professeur de physique à Oxford et co-auteur de l’article. « Il n’y a pas d’alimentation en énergie, il n’y a pas de drain d’énergie, cela dure pour toujours et cela implique de nombreuses particules hautement réactives. »
Bien que cela puisse sembler étrangement proche d’une « machine à mouvement perpétuel », un examen plus approfondi révèle que les cristaux temporels n’enfreignent aucune loi physique.
L’entropie – une mesure du désordre dans un système – reste constante dans le temps, satisfaisant marginalement la deuxième loi de la thermodynamique en ne décroissant pas.
Entre le développement de ce plan pour un cristal temporel et l’expérience informatique quantique qui lui a donné vie, les expériences de nombreux chercheurs différents ont atteint de nombreux jalons cristallins à peu près en même temps. Cependant, fournir tous les ingrédients de la recette de la « localisation à plusieurs corps » (le phénomène qui permet une cristallisation en temps fixe à l’infini) restait un défi majeur.
Pour Khemani et ses collaborateurs, la dernière étape vers le succès de Crystal consistait à travailler avec une équipe de Google Quantum AI. Ensemble, ce groupe a utilisé le matériel informatique quantique Sycamore de Google pour programmer 20 « spins » en utilisant la version quantique des éléments d’information d’un ordinateur classique, appelés qubits.
Révélant à quel point l’intérêt pour les cristaux temporels est intense, les cristaux ont de nouveau été publiés dans Science ce mois-ci. Des chercheurs de l’Université de technologie de Delft aux Pays-Bas ont créé le cristal en utilisant les qubits contenus dans le diamant.
« Nous avons pu utiliser la polyvalence d’un ordinateur quantique pour nous aider à analyser ses propres limites », a déclaré Moessner, co-auteur de l’article et directeur de l’Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes. « Il nous a essentiellement expliqué comment corriger ses propres erreurs, afin que l’empreinte du comportement parfait d’un cristal temporel puisse être vérifiée grâce à des observations dans un temps limité. »
La signature principale d’un cristal temporel idéal est qu’il présente des vibrations non spécifiques de tous les états. La vérification de ce pouvoir dans la sélection des états a été un défi empirique majeur. Les chercheurs ont conçu un protocole pour examiner plus d’un million d’instances de cristaux temporels en un seul cycle de la machine, ne nécessitant que quelques millisecondes d’exécution. C’est comme regarder un cristal physique sous plusieurs angles pour vérifier sa structure répétitive.
« La caractéristique unique de notre processeur quantique est sa capacité à créer des états quantiques très complexes », a déclaré Xiao Mei, chercheur à navigateur google et co-auteur principal de l’article. « Ces états permettent d’étudier efficacement les structures de phase du matériau sans avoir à étudier l’ensemble de l’espace de calcul, une tâche autrement inextricable. »
Créer une nouvelle phase de la matière est sans aucun doute passionnant à un niveau fondamental. De plus, le fait que ces chercheurs aient pu le faire indique l’utilisation croissante de Ordinateurs quantiques Pour des applications autres que l’informatique.
« Je suis optimiste qu’avec des qubits plus nombreux et meilleurs, notre approche pourrait devenir une méthode majeure dans l’étude de la dynamique des déséquilibres », Pedram Roshan, chercheur chez Google et auteur principal de l’article.
« Nous pensons que l’utilisation la plus excitante des ordinateurs quantiques en ce moment est celle de plates-formes pour la physique quantique fondamentale », dit Ippoliti. « Avec les capacités uniques de ces systèmes, il y a de l’espoir que vous découvrirez de nouveaux phénomènes auxquels vous ne vous attendiez pas. »
référence du magazine
- Mei, X, Ippolite, M, Quintana, C et al. Arrangement de cristallisation à l’état propre sur un processeur quantique. Nature 2021. EST CE QUE JE: 10.1038 / s41586-021-04257-w
« Spécialiste de la télévision sans vergogne. Pionnier des zombies inconditionnels. Résolveur de problèmes d’une humilité exaspérante. »
Nous connaissons tous les anneaux magiques de Saturne, mais Jupiter a-t-il des anneaux ? Oui elle est comme ça.
Eh bien, Jupiter n'a pas de grands anneaux clairement définis comme celui de Saturne, mais ils existent.
En fait, les anneaux de Jupiter sont si faibles qu'ils sont invisibles à l'œil nu et extrêmement difficiles à détecter, même avec des télescopes puissants. Mais ils sont bel et bien là.
Ils ont été observés et photographiés par les vaisseaux spatiaux Voyager et Galileo, la mission Cassini, le télescope Keck et, plus récemment, par le télescope spatial James Webb.
Combien d’anneaux Jupiter a-t-il ?
Jupiter possède quatre structures annulaires principales.
En regardant vers l'extérieur de la planète elle-même, il y a un épais « anneau corona » intérieur, d'une épaisseur de 12 500 km.
Puis « l'anneau principal » qui est très brillant et très fin, seulement 30 kilomètres d'épaisseur par endroits.
Et deux « anneaux fins » épais mais très ternes.
L'anneau aréolaire est de couleur neutre ou bleuâtre, tandis que les anneaux principal et filamenteux ont une couleur rougeâtre.
Formation des anneaux de Jupiter
On pense que les anneaux entourant Jupiter sont constitués de matériaux – principalement sous la forme de très fines particules de poussière – précédemment éjectés des lunes Metis et Adrastia à la suite de collisions avec des astéroïdes, des météorites ou des comètes.
La question de savoir si les anneaux sont aussi vieux que Jupiter lui-même ou s'ils se sont formés plus tard est une question à laquelle on n'a pas encore répondu.
Découverte
Les anneaux de Jupiter sont si faibles que nous n'avions aucune idée de leur existence jusqu'à ce que les images soient renvoyées par la sonde spatiale Voyager 1 en 1979.
Ce que nous en savons aujourd'hui provient principalement des images supplémentaires réalisées par les missions Galileo et Cassini de la NASA à la fin des années 1990 et au début des années 2000, ainsi que des observations faites par le télescope spatial Hubble et le télescope Keck au sol.
Les scientifiques pensent maintenant que c'est la gravité des quatre grandes lunes galiléennes de Jupiter (Ganymède, Callisto, Io et Europe) qui a empêché Jupiter de former de grands anneaux sophistiqués comme ceux entourant sa voisine géante gazeuse, Saturne.
Photos des anneaux de Jupiter
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Les astronautes sont ravis d'effectuer le premier vol d'essai à bord du vaisseau spatial Starliner de Boeing
Deux astronautes vétérans se sont rendus au Centre spatial Kennedy jeudi après-midi pour préparer le premier lancement d'essai du vaisseau spatial Starliner de Boeing, un vol très attendu depuis des années. En retard Après deux Vols d'essai sans pilote Et un travail approfondi pour résoudre une variété de problèmes techniques.
Les astronautes Barry « Butch » Wilmore et Sunita Williams, deux des astronautes les plus expérimentés de la NASA avec quatre vols spatiaux précédents, 11 sorties dans l'espace et 500 jours en orbite entre ces périodes, ont atterri sur la piste de 3 miles de long du port spatial à bord d'un avion d'entraînement à réaction T-38. après le vol. Du Centre spatial Johnson à Houston.
NASA/Frank Michaud
« Nous aimons la Floride », a déclaré Wilmore aux journalistes sur la piste, « Nous aimons le Kennedy Space Center, parce que c'est là que vous lancez des gens dans l'espace. » « Dans moins de deux semaines, le prochain vol que nous prendrons se fera sur notre dos et prendra son envol. »
L'achèvement du vol d'essai de l'équipage Starliner, ou CFT, « augmentera la capacité (de la NASA) vers et depuis la station spatiale, et c'est essentiel », a-t-il déclaré. «Nous sommes ravis d'être ici.»
« C'est là que le caoutchouc rencontre la route », a déclaré Williams, « et là où nous quittons cette planète, et c'est plutôt cool ! »
Quelques heures après l'arrivée de l'équipage, et peu après que deux astronautes russes ont effectué une sortie dans l'espace de quatre heures et 36 minutes à l'extérieur de la Station spatiale internationale, les chefs de mission ont effectué un examen de préparation au vol de deux jours, autorisant provisoirement le lancement du véhicule Starliner à bord de l'avion. Véhicule de lancement uni. Fusée Alliance Atlas 5 à 22 h 34 HAE le lundi 6 mai.
Si tout va bien, Wilmore et WilliamsTous deux anciens pilotes d'essai de la Marine, ils accosteront à la station spatiale le 8 mai et reviendront sur Terre le 15 mai ou peu après. Si la mission se déroule bien, la NASA prévoit de commencer les vols opérationnels de rotation de l'équipage du Starliner en 2025, en alternance avec SpaceX.
« Aujourd'hui a été un grand jour pour notre programme d'équipage commercial », a déclaré Steve Stich, administrateur du CCP de la NASA. « Tous les partenaires (internationaux), puis toute notre équipe, ont mené une enquête préalable pour procéder au lancement le 6 mai. De plus, nous avons (signé) ce que nous appelons la qualification humaine provisoire pour Starliner pour ce vol avec équipage. test. C’était une grosse affaire pour la NASA et toute notre équipe.
Al-Ula
La NASA a attribué deux contrats pour le programme d'équipage commercial en 2014, l'un à SpaceX d'une valeur de 2,6 milliards de dollars et l'autre à Boeing d'une valeur de 4,2 milliards de dollars, pour stimuler le développement d'engins spatiaux autonomes capables de transporter des astronautes vers et depuis la Station spatiale internationale.
L’objectif était de mettre fin à la dépendance à l’égard du vaisseau spatial russe Soyouz après le retrait de la navette spatiale et de reprendre le lancement d’astronautes américains depuis le sol américain à bord de fusées et d’engins spatiaux américains. Il est tout aussi important pour la NASA de disposer de deux vaisseaux spatiaux indépendants pour les vols d'équipage vers la Station spatiale internationale au cas où le ferry d'une entreprise s'arrêterait avant la Terre pour une raison quelconque.
SpaceX a commencé les vols d'essai en mai 2020, lançant avec succès deux astronautes de la NASA lors d'un vol d'essai Crew Dragon vers la station spatiale. Depuis lors, SpaceX a lancé 50 astronautes, astronautes et civils en orbite sur huit vols opérationnels vers le complexe de laboratoires, trois visites commerciales et un vol financé par des fonds privés vers une orbite terrestre basse.
Boeing a lancé son Starliner dans un avion Vol d'essai sans pilote En décembre 2019, le vaisseau spatial a rencontré des problèmes logiciels et de communication majeurs qui se sont combinés pour entraver la tentative d'amarrage à la station spatiale et ont presque conduit à la destruction du vaisseau de l'équipage.
une Le deuxième vol sans pilote Il a été commandé (et payé par Boeing), mais lors de la fenêtre de lancement d'août 2021, les ingénieurs des fenêtres ont découvert des valves corrodées dans le système de propulsion du vaisseau spatial. La résolution de ce problème a retardé le deuxième vol d’essai jusqu’en mai 2022.
Bien que la mission ait été un succès, d'autres problèmes ont été découverts, notamment des problèmes de parachute et des inquiétudes concernant la possibilité que le ruban de protection enroulé autour du câblage interne s'enflamme. La correction de ces problèmes et la recherche d'une place pour la visite dans le programme de vol complexe de la station spatiale ont finalement retardé le test en vol de l'équipage au 6 mai.
Accorder Problèmes récents Avec des avions Boeing qui ont soulevé des questions sur l'entreprise Culture de sécuritéLe test en vol réussi de l'équipage est considéré par beaucoup comme une étape cruciale pour Boeing et le programme d'équipage commercial de la NASA.
Pour sa part, Wilmore a déclaré qu'il ne considérait pas le lancement du Starliner dans le contexte des problèmes de l'avion largement rapportés par Boeing.
NASA
« Je ne pense pas qu'il s'agisse nécessairement de Boeing ou d'un vol », a-t-il déclaré. « Ils sont tous d'une importance vitale. Il s'agit des vols spatiaux habités. Cet adage que vous avez entendu depuis Apollo 13, selon lequel l'échec n'est pas une option ? Cela n'a rien à voir spécifiquement avec Boeing ou ce programme. Ce sont toutes les choses que nous faisons dans l'espace humain. vol spatial. » .
« Donc, ce n’est ni plus ni moins important que tout ce que nous faisons », a-t-il déclaré. « Il se trouve que c'est la chose la plus importante que nous faisons en ce moment. »
« Le succès de cette mission a toujours été très important pour nous en tant que programme pour de nombreuses raisons », a reconnu Mark Nappi, responsable du programme Starliner de Boeing.
« Premièrement, nous avons des humains qui pilotent ce véhicule », a-t-il déclaré. « Nous prenons cela très au sérieux dans le domaine des vols spatiaux habités. J'ai passé ma carrière dans ce secteur et cela a toujours été en tête de liste. »
« Deuxièmement, il s'agit d'une capacité importante pour nous et pour la NASA, c'est pourquoi nous nous sommes engagés à le faire, et nous allons le faire et y parvenir. Je n'y pense donc pas en termes de ce qui est important pour Boeing. autant j'y pense en termes de ce qui est important pour ce programme, ce qui est important « Donner suite aux engagements que nous avons pris envers nos clients ».
« Spécialiste de la télévision sans vergogne. Pionnier des zombies inconditionnels. Résolveur de problèmes d’une humilité exaspérante. »
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La synthèse de deux nouveaux carbures offre une perspective sur la manière dont les structures carbonées complexes existent sur d'autres planètes
Structure cristalline de HP-CaC2 Avec une moyenne cumulative de 44(1). Modèle boule-et-bâton avec cellule unitaire définie ; Les atomes de calcium apparaissent sous forme de sphères blanches et les atomes de carbone sous forme de sphères rouges et bleues sur deux sites cristallographiques distincts, C1 (site Wyckoff de 4 g) et C2 (4 h), respectivement. (b) Géométrie d'un nanoruban polyacyne déprotoné ; Les distances C–C et les angles sont étiquetés CCC. Les coupes efficaces de la fonction de localisation électronique (ELF) calculée sont représentées dans des plans perpendiculaires (c) et parallèles (d) aux nanorubans de polyacène. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-47138-2
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Structure cristalline de HP-CaC2 Avec une moyenne cumulative de 44(1). Modèle boule-et-bâton avec cellule unitaire définie ; Les atomes de calcium apparaissent sous forme de sphères blanches et les atomes de carbone sous forme de sphères rouges et bleues sur deux sites cristallographiques distincts, C1 (site Wyckoff de 4 g) et C2 (4 h), respectivement. (b) Géométrie d'un nanoruban polyacyne déprotoné ; Les distances C–C et les angles sont étiquetés CCC. Les coupes efficaces de la fonction de localisation électronique (ELF) calculée sont représentées dans des plans perpendiculaires (c) et parallèles (d) aux nanorubans de polyacène. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-47138-2
Des chercheurs de l'Université de Bayreuth ont acquis de nouvelles connaissances dans le domaine de la chimie du carbone à haute pression : ils ont synthétisé deux nouveaux carbures – des composés de carbone et d'un autre élément chimique – dotés de structures uniques. Les résultats pourraient fournir une explication inattendue de la répartition généralisée des hydrocarbures aromatiques polycycliques dans l’univers. La recherche est publié Dans le magazine Communications naturelles.
Les carbures sont des composés de carbone et d'un autre élément chimique. Les carbures nouvellement synthétisés ressemblent à des composés de type organométallique et pourraient fournir de nouvelles informations sur le comportement de structures carbonées complexes sous des pressions et des températures extrêmement élevées.
La possibilité de l’existence ou de la formation de tels composés dans les conditions intérieures de la planète pourrait avoir des implications importantes pour les sciences de la Terre et l’astrobiologie, où ils pourraient être à l’origine d’hydrocarbures et jouer un rôle dans l’origine de la vie.
Sous la direction du professeur Leonid Dobrovinsky de l'Institut géologique bavarois et du professeur Dr Natalia Dobrovinskaya du laboratoire de cristallographie de l'université de Bayreuth, des recherches sur de nouveaux composés carbonés révèlent qu'ils contiennent des éléments structurels similaires à ceux trouvés dans des composés complexes. composés organiques. Molécules, mais déprotonées (c'est-à-dire qu'elles ne contiennent pas d'hydrogène).
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé des cellules à enclume en diamant qui ont compressé de minuscules cristaux de carbure de calcium à des pressions de l'ordre du gigapascal à trois chiffres et les ont simultanément chauffés à des températures d'environ 3 000 degrés Celsius. Ces conditions sont cohérentes avec celles trouvées à une profondeur de 2 900 km à l’intérieur de la Terre. Le changement de pression et de température a entraîné la formation de carbure de calcium en deux nouveaux carbures : le polymorphe haute pression de CaC2 Et la Californie3C7.
Structure cristalline du Ca3C7 Avec une moyenne cumulative de 38 (1). Projection de la structure de Ca3C7 le long de l'axe a, en se concentrant sur des chaînes 2D d'atomes de carbone alignées le long de l'axe b. Les atomes de calcium apparaissent sous forme de sphères blanches et les atomes de carbone sous forme de sphères rouges et bleues dans les deux positions cristallographiques distinctes C1 (4c) et C2 (8d), respectivement. Les atomes de carbone, appelés C3(8d) et C4(8d), sont représentés par des sphères grises. (b) Géométrie de la chaîne discrète semi-poly (indénoindène) (p-PInIn) étiquetée avec les distances C-C et les angles C-C-C. c, d Des coupes efficaces de la fonction de localisation électronique (ELF) calculée dans les deux plans différents contenant les chaînes p-PInIn sont présentées. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-47138-2
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Structure cristalline du Ca3C7 Avec une moyenne cumulative de 38 (1). Projection de la structure de Ca3C7 le long de l'axe a, en se concentrant sur des chaînes 2D d'atomes de carbone alignées le long de l'axe b. Les atomes de calcium apparaissent sous forme de sphères blanches et les atomes de carbone sous forme de sphères rouges et bleues dans les deux positions cristallographiques distinctes C1 (4c) et C2 (8d), respectivement. Les atomes de carbone, étiquetés C3(8d) et C4(8d), sont représentés par des sphères grises. (b) Géométrie de la chaîne discrète semi-poly (indénoindène) (p-PInIn) étiquetée avec les distances C-C et les angles C-C-C. c, d Montrer les sections efficaces de la fonction de localisation électronique (ELF) calculée dans les deux plans différents contenant les chaînes p-PInIn. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-47138-2
Bien que le polymorphisme haute pression de CaC2 Il a la même composition chimique que la substance primaire, mais en diffère par la disposition spatiale des atomes et par ses propriétés chimiques. Le polymorphe possède des chaînes carbonées qui peuvent exister dans des conditions bien au-delà de celles connues pour exister dans les composés organiques conventionnels.
Il est possible que la formation de tels composés dans les conditions présentes à l’intérieur des planètes ait joué un rôle dans l’origine de la vie, car ils pourraient être à l’origine des hydrocarbures.
Le composé de formule chimique Ca3C7 Ils n’ont jamais été observés auparavant, leur synthèse et l’élucidation de leur structure représentent donc une avancée importante dans la compréhension du comportement des matériaux à base de carbone dans des conditions extrêmes.
« Nos découvertes repoussent non seulement les limites de la chimie connue du carbone, mais offrent également une nouvelle perspective sur la manière dont les structures complexes du carbone existent au plus profond de la Terre et peut-être sur d'autres planètes », a expliqué le professeur Leonid Dobrovinsky, chercheur principal de l'étude. Des cadavres. »
Le professeur Natalia Dobrovinskaya a ajouté : « Les similitudes entre ces carbures à haute pression et les composés organométalliques déprotonés ouvrent des possibilités passionnantes pour la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés électroniques, magnétiques et optiques uniques. »
Plus d'information:
Sayana Kandarkhayeva et al., Extension de la chimie du carbone à haute pression via la synthèse de CaC2 Et la Californie3C7 Avec du polyacène déprotoné et des nanorubans de type poly(indinoindine), Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-47138-2
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