Μια... κβαντική πεταλούδα με την υπογραφή Έλληνα φυσικού. Butterfly pattern emerges from quantum simulation

Η κβαντική πεταλούδα ανοίγει τα φτερά της στις κβαντικές εφαρμογές. The computational processing power of quantum bits (qubits) is poised to have profound impacts on diverse fields of science and engineering. Using 9 superconducting qubits, researchers at Google and the University of California Santa Barbara, the National University of Singapore and Technical University of Crete, were able to simulate the intricate energy spectrum predicted for 2-D electrons in a magnetic field, the Hofstadter butterfly. This graphic is based on experimental data. Credit: Visual Science/Google

Ερευνητές της Google, του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια και του Πολυτεχνείου Κρήτης, με επικεφαλής έναν Έλληνα φυσικό, χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό προσομοιωτή σε ένα κβαντικό επεξεργαστή της Google, για να δημιουργήσουν μια κβαντική... πεταλούδα.

The computational processing power of quantum bits (qubits) is poised to have profound impacts on diverse fields of science and engineering. The picture is a photograph of a superconducting chip (area of entire chip: 1 cm2) consisting of 9 qubits in a 1-D array. Microwave pulses are applied to control the states of the qubits and their interaction and control the dynamics in the system. Such Josephson-junction based superconducting systems are a leading physical implementation for quantum computation and simulation processing. Credit: Erik Lucero, Google

Οι κβαντικοί προσομοιωτές είναι κβαντικοί υπολογιστές συγκεκριμένου σκοπού που βασίζονται σε κβαντικά «τσιπάκια» και θα βοηθήσουν μελλοντικά τους επιστήμονες, μεταξύ άλλων πρακτικών εφαρμογών, να ανακαλύψουν υλικά με εξωτικές και χρήσιμες ιδιότητες. Το νέο επίτευγμα αποτελεί ένα σημαντικό βήμα προόδου προς αυτή την κατεύθυνση, καθώς δείχνει ότι οι κβαντικοί προσομοιωτές αρχίζουν πλέον να λειτουργούν ως ισχυρά εργαλεία.

Η πεταλούδα Hofstadter

Οι ερευνητές, με επικεφαλής τον Δημήτρη Αγγελάκη, αναπληρωτή καθηγητή του Πολυτεχνείου Κρήτης και συνεργαζόμενο ερευνητή του Κέντρου Κβαντικών Τεχνολογιών της Σιγκαπούρης, που έκαναν τη σχετική δημοσίευση στο περιοδικό "Science", χρησιμοποίησαν φωτόνια στον κβαντικό επεξεργαστή της Google για να προσομοιώσουν το σχήμα της λεγόμενης «πεταλούδας Χοφστάντερ», μιας όμορφης γεωμετρικής μορφοκλασματικής δομής (φράκταλ), που χαρακτηρίζει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων σε ισχυρά μαγνητικά πεδία.

«Πάντα είχαμε την ιδέα ότι μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τα φωτόνια για να προσομοιώσουμε και να κατανοήσουμε καλύτερα τη φύση. Η ερευνητική συνεργασία μας πετυχαίνει πλέον κάτι τέτοιο στην πράξη», δήλωσε ο Αγγελάκης, ο οποίος συνεργάσθηκε με ομάδα ερευνητών της Google και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια-Σάντα Μπάρμπαρα με επικεφαλής τον πρωτοπόρο της κβαντικής υπολογιστικής τεχνολογίας καθηγητή Τζον Μαρτίνις.

The computational processing power of quantum bits (qubits) is poised to have profound impacts on diverse fields of science and engineering. Using 9 superconducting qubits, researchers at Google and the University of California Santa Barbara, the National University of Singapore and Technical University of Crete, were able to simulate the intricate energy spectrum predicted for 2-D electrons in a magnetic field, the Hofstadter butterfly. This graphic is based on experimental data. Credit: Visual Science/Google

Ο επεξεργαστής της Google διέθετε μια αλυσίδα εννέα υπεραγώγιμων κβαντικών δυφίων (quantum bits ή qubits). Η «πεταλούδα Hofstadter» είχε εμφανισθεί για πρώτη φορά το 1976, σε υπολογισμούς ηλεκτρονίων σε ένα δισδιάστατο υλικό με ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Η πεταλούδα απεικονίζει τις μεταβολές στα ενεργειακά επίπεδα των ηλεκτρονίων, καθώς μεταβάλλεται η ισχύς του μαγνητικού πεδίου.

Στην κβαντική προσομοίωση τα φωτόνια έπαιξαν το ρόλο των ηλεκτρονίων, ενώ οι «πύλες» των qubits ήσαν το ανάλογο ενός μαγνητικού πεδίου. Το φράκταλ της κβαντικής πεταλούδας προέκυψε, καθώς οι ερευνητές έκαναν τις σχετικές μετρήσεις με τη βοήθεια μιας νέας φασματοσκοπικής τεχνικής, που βαφτίσθηκε «χτύπα και άκου» και η οποία «χαρτογραφεί» τα ενεργειακά επίπεδα των σωματιδίων του φωτός στα qubits.

Dimitris Angelakis is a tenured Associate Professor at School of Electronic and Computer Engineering, Technical University of Crete and jointly a Principal Investigator  at Centre for Quantum Technologies, Singapore leading the Quantum Optics and Quantum Simulators Group. His background is in theoretical quantum physics and quantum optics. His research interest are in quantum optical implementations of quantum computation and quantum simulation, quantum many-body physics and quantum technologies. He quite enjoys discussing science at all levels,  sampling good wine and tries to learn play the Cretan Lyra.

Ο Δημήτρης Αγγελάκης είναι αναπληρωτής καθηγητής στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών του Πολυτεχνείου Κρήτης και διευθυντής της ερευνητικής ομάδας Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικής Πληροφορίας (QOQI). Εργάζεται παράλληλα σαν επισκέπτης κύριος ερευνητής στo Κέντρο Κβαντικών Τεχνολογιών του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης. Σπούδασε Φυσική στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και πήρε το διδακτορικό δίπλωμά του στη Θεωρητική Φυσική από το Imperial College του Λονδίνου το 2002.

Πηγές: "Spectroscopic signatures of localization with interacting photons in superconducting qubits" Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aao1401 - http://www.tovima.gr/science/technology-planet/article/?aid=921622

To Voyager 1 πυροδοτεί τους προωθητήρες του μετά από 37 χρόνια. Voyager 1 Fires Up Thrusters After 37 Years

Αν προσπαθήσετε να βάλετε μπροστά ένα αυτοκίνητο που κάθεται στο γκαράζ για δεκαετίες, το πιο πιθανό είναι ο κινητήρας του να μην ανταποκριθεί. Όμως οι 4 εφεδρικοί προωθητήρες του διαστημικού σκάφους Voyager 1 πυροδοτήθηκαν με επιτυχία την περασμένη Τετάρτη, μετά από 37 χρόνια αδράνειας. The Voyager team is able to use a set of four backup thrusters, dormant since 1980. They are located on the back side of the spacecraft in this orientation. Credit: NASA/JPL-Caltech

Εφεδρικούς προωθητήρες του μετά από 37 ολόκληρα χρόνια ενεργοποίησε επιτυχώς το Voyager 1 της NASA την περασμένη Τετάρτη, το πιο ταχύ και πιο απομακρυσμένο διαστημόπλοιο της αμερικανικής διαστημικής υπηρεσίας, το οποίο όπως επισημαίνεται σε σχετική ανακοίνωσή της είναι το μόνο φτιαγμένο από ανθρώπινα χέρια αντικείμενο το οποίο βρίσκεται στο διαστρικό διάστημα, δηλαδή το διαστημικό περιβάλλον ανάμεσα στα άστρα.

To Voyager 1, που πετά εδώ και 40 χρόνια, βασίζεται σε μια σειρά από μικρές συσκευές, τους προωθητήρες του (thrusters) για να αλλάζει προσανατολισμό έτσι ώστε να είναι σε θέση να επικοινωνεί με τη Γη. Αυτοί οι προωθητήρες πυροδοτούνται σε μικρές «ριπές» που διαρκούν μιλισεκόντ, για να περιστρέφεται απαλά το σκάφος, έτσι ώστε η κεραία του να «κοιτά» προς τον πλανήτη. Πλέον η ομάδα του Voyager είναι σε θέση να χρησιμοποιεί ένα σετ από τέσσερις εφεδρικούς προωθητήρες, που ήταν ανενεργοί από το 1980.

«Με αυτούς τους προωθητήρες που είναι ακόμα λειτουργικοί μετά από 37 χρόνια άνευ χρήσης, θα είμαστε σε θέση να επεκτείνουμε τη διάρκεια ζωής του διαστημοπλοίου Voyager 1 κατά δύο με τρία χρόνια» σημειώνει η Σουζάν Ντοντ, project manager του Voyager στο Jet Propulsion Laboratory της NASA στην Καλιφόρνια.

Από το 2014, μηχανικοί είχαν αντιληφθεί πως οι προωθητήρες που το Voyager 1 χρησιμοποιούσε για να αλλάζει τον προσανατολισμό του (attitude control thrusters) υποβαθμίζονταν. Με το πέρασμα του χρόνου, οι προωθητήρες χρειάζονται περισσότερες ριπές για να παράγουν την ίδια ποσότητα ενέργειας- και, όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, σε απόσταση 20 δισεκατομμυρίων χιλιομέτρων από τη Γη, δεν είναι ακριβώς η συντήρηση/ επισκευή τους.

Η ομάδα του Voyager συγκέντρωσε ειδικούς σε θέματα κινητήρων/ προώθησης στο Jet Propulsion Laboratory για να ασχοληθούν με το θέμα. Οι Κρις Τζόουνς, Ρόμπερτ Σότγουελ, Καρλ Γκέρνσεϊ και Τοντ Μπάρμπερ ανέλυσαν επιλογές και προέβησαν σε προβλέψεις σχετικά με το πώς θα αντιδρούσε το σκάφος σε διαφορετικά σενάρια. Εν τέλει συμφώνησαν σε μια ασυνήθιστη λύση: Να αναθέσουν τη δουλειά του προσανατολισμού του σκάφους σε μια σειρά προωθητήρων που ήταν ανενεργοί εδώ και 37 χρόνια.

Η ομάδα πτήσης του Voyager έψαξε και βρήκε δεδομένα ηλικίας δεκαετιών και εξέτασε το λογισμικό, που ήταν γραμμένο σε «αρχαία» γλώσσα προγραμματισμού για να διασφαλίσει πως ήταν δυνατόν να δοκιμαστούν με ασφάλεια οι προωθητήρες.

Sit back and enjoy the view from the Voyagers' epic journey through the solar system. See iconic images of planets and moons, including Jupiter, Io, Europa, Saturn, Titan, Uranus, Neptune and Triton, set to music. Credit: NASA Jet Propulsion Laboratory

Τον πρώτο καιρό της αποστολής του, το Voyager 1 πέρασε από τον Δία, τον Κρόνο και φεγγάρια τους. Για να γίνουν με ακρίβεια αυτά τα περάσματα και να στοχευθούν τα όργανά τους στους στόχους τους, οι μηχανικοί χρησιμοποίησαν προωθητήρες TCM (trajectory correction maneuver- ελιγμών διόρθωσης τροχιάς) οι οποίοι είναι ίδιου μεγέθους και λειτουργίας με τους προωθητήρες ελέγχου στάσης (attitude control), και βρίσκονται στο πίσω μέρος του διαστημοπλοίου. Ωστόσο, επειδή η τελευταία συνάντηση του Voyager με πλανήτη ήταν με τον Κρόνο, η ομάδα του Voyager δεν τους είχε χρησιμοποιήσει από τις 8 Νοεμβρίου 1980. Τότε, οι προωθητήρες αυτοί είχαν χρησιμοποιηθεί σε κατάσταση συνεχούς λειτουργίας- όχι σε κοφτές ριπές για αλλαγή προσανατολισμού του διαστημοπλοίου.

Την Τρίτη, 28 Νοεμβρίου, οι μηχανικοί του Voyager ενεργοποίησαν τους τέσσερις προωθητήρες TCM για πρώτη φορά μέσα σε 37 χρόνια και δοκίμασαν το κατά πόσο ήταν σε θέση να αλλάξουν τον προσανατολισμό του σκάφους χρησιμοποιώντας μικρές ριπές των 10 μιλισεκόντ. Οι ερευνητές ανέμεναν 19 ώρες και 35 λεπτά για να φτάσουν  τα αποτελέσματα της δοκιμής σε μια κεραία στο Γκόλντστοουν της Καλιφόρνιας (τμήμα του Deep Space Network της NASA). Εν τέλει, όπως διαπιστώθηκε την Τετάρτη, 29 Νοεμβρίου, οι προωθητήρες TCM λειτουργούσαν τέλεια- όπως και οι άλλοι προωθητήρες (attitude control).

Τώρα στόχος είναι η μετάβαση στους προωθητήρες TCM τον Ιανουάριο. Για να γίνει αυτό, το Voyager θα πρέπει να ενεργοποιήσει μια συσκευή θέρμανσης ανά προωθητήρα, κάτι που απαιτεί ενέργεια, που πλέον σπανίζει στο σκάφος. Όταν δεν υπάρχει πλέον ενέργεια για να λειτουργούν οι συσκευές θέρμανσης, τότε θα γίνει μετάβαση πίσω στους προωθητήρες attitude control. Σημειώνεται πως, λόγω της επιτυχούς δοκιμής, είναι πολύ πιθανό να γίνει κάτι αντίστοιχο και στο «δίδυμο» σκάφος του Voyager 1, το Voyager 2, το οποίο αναμένεται να βγει στο διαστρικό διάστημα μέσα στα επόμενα χρόνια.

Πηγές: https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?release=2017-310 - http://www.naftemporiki.gr/story/1301111/to-voyager-1-ebale-mprosta-efedrikous-proothitires-meta-apo-37-xronia