derpconque: Наука

Квантовый мир атомов и частиц причудлив и удивителен. На квантовом уровне частицы могут проникать через непроницаемые барьеры и быть в двух местах одновременно. Однако странные свойства квантовой механики — это не математические причуды, это реальные эффекты, которые можно наблюдать в лаборатории снова и снова. Одна из самых характерных особенностей квантовой механики — это «запутанность». Запутанные частицы остаются загадочным образом связаны на любом расстоянии. И вот три независимых европейских группы ученых сумели запутать не просто пару частиц, как это делали прежде, а отдельные облака тысяч атомов. Они также нашли способ задействовать технологический потенциал своего достижения.

Когда частицы запутываются, они обмениваются свойствами, которые как бы делают их зависимыми друг от друга, даже если они будут разделены миллиардами километров. Эйнштейн назвал запутанность «жутким действием на расстоянии», поскольку изменение одной частицы в запутанной паре мгновенно воздействует на ее пару — независимо от того, насколько она далека.

Как можно использовать квантовую запутанность?

Хотя запутанность может показаться каким-то волшебством, эксперименты показали, что она существует много лет. И она также может быть крайне полезной — связанные таким образом частицы можно использовать для передачи квантового состояния частицы, такого как спин, из одного места в другое мгновенно (телепортация). Они также могут помочь в хранении огромных объемов информации в определенном объеме (сверхплотная кодировка).
Помимо возможности хранить информацию, запутанность также может помочь в связывании и объединении вычислительной мощности систем в разных частях земного шара. Нетрудно понять, что это делает ее важным аспектом квантовых вычислений. Другим перспективным направлением является по-настоящему безопасная коммуникация. Все потому, что любая попытка вмешаться в систему с запутанными частицами мгновенно нарушит запутанность, сделав очевидным факт взлома канала связи.
Запутанные фотоны также можно использовать для улучшения разрешения методов визуализации. Ученые из Университета Ватерлоо в настоящее время надеются разработать квантовый радар, который сможет обнаруживать самолеты типа стелс.

Вихри в конденсате Бозе — Эйнштейна
Однако развернуть технологии на основе запутанности не так-то и просто. Потому что запутанность — очень хрупкое явление. Эксперименты с запутанностью обычно производят отдельные пары частиц. Однако одиночные частицы трудно с точностью обнаружить, и зачастую они теряются или скрываются в окружающем шуме. Поэтому задача ввести их в состояние запутанности, манипулировать ими для выполнения полезных операций и, наконец, просто использовать — все это невыносимо тяжело провернуть на практике.

Квантовые облака

Новое исследование, опубликованное в трех документах в Science, привело к значительному прорыву. Вместо того чтобы брать отдельные частицы и запутывать их в одну, ученые начали со сверххолодного газа — собрания тысяч атомов. Они охлаждаются почти до температуры абсолютного нуля.
Заточенные в небольшом объеме, атомы в таком облаке становятся неотличимы друг от друга и формируют новое состояние вещества, известное как конденсат Бозе — Эйнштейна. Атомы в облаке начинают работать сообща — теперь они запутаны. Впервые подобное состояние вещества было обнаружено в 1995 году, за что была получена Нобелевская премия по физике в 2001 году. И хотя давно было известно, что такой метод запутывает тысячи атомов одновременно, никто пока не демонстрировал метода, который позволит это осуществить. До сих пор.
Ученые, которые провели новое исследование, показали, что эти облака можно разделять на группы и между атомами будет сохраняться квантовая связь. Как они это делали? Выпускали атомы из ограниченного пространства и использовали лазер, чтобы разбивать их и измерять свойства отдельных частей большого облака.
Ученые предполагают, что разработанные методы можно расширить так, что каждый атом в облаке будет использоваться независимо. И если это удастся сделать, для квантовых вычислений это будет просто сказочно. В цифровых вычислениях информация обрабатывается в форме нулей и единиц, или битах. В квантовых же им на замену приходят кубиты. Текущий рекорд количества работающих кубитов в виде запутанных ионов (заряженных атомов) всего 20, поэтому тысячи кубитов, которые одновременно работают в облаке, будут представлять серьезное достижение.
Другая область, которая получит выгоду от этого прорыва, — метрология, наука сверхточных измерений. Когда между двумя частицами или системами образуется запутанность, измерения, сделанные на одной половине, раскрывают информацию о другой. Это позволяет измерять параметры с большей чувствительностью, чем было бы возможно в противном случае. Запутанность, используемая таким образом, сможет повысить точность атомных часов и систему глобального позиционирования (GPS), либо помочь в производстве более чувствительных детекторов для МРТ-машин, например.
Понимание и использование квантовых эффектов, таких как запутанность, позволят создавать новые технологии, возможности которых будут превосходить наши современные. Поэтому так много внимания уделяется исследованиям в области квантовых технологий и поэтому так важны любые прорывы в этой области.

Ученые кафедры клеточной и молекулярной биологии Калифорнийского университета в Беркли с помощью метода криоэлектронной микроскопии получили самую детальную на сегодняшний момент картину структуры теломеразы человека – фермента, обеспечивающего бессмертие клеток. О результатах проделанной работы и тонкостях строения фермента исследователи поделились в журнале Nature.

Для начала синтеза новой цепи механизму репликации ДНК требуется наличие короткой матрицы, которая затем уничтожается. В ходе процесса на конце каждой хромосомы остаются недореплицированные короткие кусочки, которые с каждым раундом репликации продолжают укорачиваться. Сохранить важные части хромосомы от концевой недорепликации помогают теломеры — области на концах хромосом, состоящие из повторяющихся последовательностей и представляющие собой по сути «резервную» ДНК. Длина теломер ограничивает число клеточных делений определенным значением (пределом Хейфлика). В клеточных линиях длина теломер поддерживается на постоянном уровне ферментом теломеразой, которая сохраняет хромосомные концы и предотвращает их изнашивание, что в свою очередь приводит к старению клеток организма, пишет phys.org.
Поскольку теломераза также участвует в процессах канцерогенеза (образования опухолей), то она представляет большой интерес для ученых в качестве отправной точки для разработки терапии рака — вещества, подавляющие ее активность, смогут останавливать рост опухоли. Однако для разработки эффективных ингибиторов фермента необходимо в деталях представлять его структуру. Общий план строения теломеразы довольно хорошо изучен. На данный момент самая лучшая структура с разрешением в девять ангстрем была получена для теломеразы инфузории тетрахимены. Но, разумеется, основной интерес для медиков представляет структура человеческого фермента. И как раз здесь наблюдается нехватка достаточно качественных данных о ее структуре.
С помощью технологии криоэлектронной микроскопии исследователи из университета Калифорнии в Беркли под руководством Кэтлин Коллинз получили изображения человеческой теломеразы, связанной с субстратом, в субнанометровом разрешении в 7,7 и 8,2 ангстрема.

Необработанные изображения частиц теломеразы

Детальная структура теломеразы
В выявленной структуре все еще не хватает мелких деталей, но в сочетании со знанием последовательности генов теломеразы человека она обеспечивает достаточную информацию, чтобы начать думать о потенциальных лекарственных препаратах, которые помогут замедлить старение и вылечить рак.