Рубрика: Наука

Нова техніка аналізу молекулярної ДНК дозволила виявити життєздатні мікроби на глибині до 4,20 метра. Це відкриття також має значення для пошуку позаземного життя. Історично вважалося, що посушливі ґрунти чилійської пустелі Атакама позбавлені життя. Однак в одному з найпосушливіших районів група дослідників під керівництвом Лукаса Хорстманна та Дірка Вагнера з Німецького науково-дослідного центру геонаук GFZ у співпраці з колегами з Берлінського технічного університету та Університету Антофагаста в Чилі виявила раніше невідомий підземне середовище існування.

Це було засновано на нещодавно розроблених методах аналізу молекулярної ДНК, які дозволяють цілеспрямовано виділяти та аналізувати внутрішньоклітинну ДНК. Це відбувається з непошкоджених клітин живих або сплячих організмів, що дає змогу виявити життєздатні та потенційно активні мікробні спільноти, які населяють гіпераридні ґрунти на глибині до 4,20 метра. Таким чином , дослідження, опубліковане в журналі PNAS Nexus, розширює наше розуміння біорізноманіття регіону, де екстремальні умови посухи, солоності та дефіциту поживних речовин близькі до меж життя. Результати також мають значення для пошуку життя на інших планетах.

Передісторія: надзвичайна пустеля

Пустелі є однією з найбільших і найкрихкіших екосистем на Землі. Хоча умови там є одними з найсуворіших і найбільш небезпечних для життя, вони є притулком для мікробного життя. За відсутності регулярних опадів мікроорганізми є найважливішим екологічним компонентом, який опосередковує потоки поживних речовин, використовуючи такі компоненти ґрунту, як мінерали та солі, а також атмосферні гази як джерело енергії та води.

«Дослідження мікробного різноманіття та розподілу має вирішальне значення для повного розуміння центральної ролі мікробних процесів у підтримці екологічного балансу та функціональності пустельних екосистем, особливо щодо їхнього майбутнього розвитку в контексті зміни клімату», — говорить Дірк Вагнер, керівник Секції геомікробіології ГФЗ та один із керівників дослідження.

Пустеля Атакама на півночі Чилі площею 105 000 квадратних кілометрів вважається найсухішою гарячою пустелею у світі. Тому це надзвичайно відповідне та придатне місце для дослідження цього середовища існування. Вже досліджено мілкі ділянки глибиною близько одного метра. Тут ми знаємо, що це нішеве середовище існування, яке захищає від ультрафіолетового випромінювання та де вода все ще доступна, щоб мікробне життя могло процвітати.

Новий підхід: аналіз глибоких ґрунтів у пустелі Атакама за допомогою спеціального аналізу ДНК

З іншого боку, глибші шари пустельних ґрунтів на сьогодні були проаналізовані лише в кількох дослідженнях. Тому вони були в центрі уваги команди під керівництвом Лукаса Горстманна, аспіранта, і Даніеля Ліпуса, постдокторського дослідника, обидва в секції геомікробіології GFZ, і Дірка Вагнера, керівника тієї самої секції та професора геомікробіології та геобіології в Потсдамський університет. Інші колеги приїхали з ТУ Берлін та Університету Антофагаста в Чилі. Дослідники хотіли перевірити, чи можуть глибші відкладення гіпераридної пустелі Атакама також бути середовищем існування для спеціалізованих мікробів.

Дослідницька група вивчила профіль ґрунту в районі Юнгай, приблизно за 60 кілометрів на південний схід від Антофагасти, щоб проаналізувати різноманіття мікробів та їх взаємодію з властивостями ґрунту вздовж профілю глибини, який включав як відкладення Плайї, так і алювіальні конусові відкладення нижче , досягаючи глибини 4,2 метра. Для цього вони копали ґрунтовий профіль і брали проби ґрунту через кожні 10 сантиметрів на глибину трьох метрів, потім через кожні 30 сантиметрів, які відвозили на аналіз у лабораторії GFZ.

Щоб виявити сліди життя в зразках, вчені використали нову методику аналізу молекулярної ДНК, розроблену Дірком Вагнером та іншими співробітниками GFZ: за допомогою спеціального методу екстракції можна відфільтрувати лише внутрішньоклітинну ДНК. зразок, тобто ДНК, що походить від інтактних і потенційно активних клітин. Для цього використовуються різні хімікати, центрифуги, фільтри.

«Цей підхід є суттєвим покращенням для досліджень мікробного різноманіття в екстремальних умовах, оскільки він ефективно виключає зміщення, створене ДНК із мертвих клітин, і все ще забезпечує достовірні дані, навіть якщо межа виявлення для інших методів була досягнута через низьку кількість біомаси», – підкреслює Вагнер.

Виявлення потенційно життєздатної мікробної спільноти на глибині 4,2 ​​метра

Завдяки екстракції внутрішньоклітинної ДНК і подальшому секвенуванню генів зразків дослідники змогли ідентифікувати потенційно життєздатні мікроби на глибині 4,2 ​​метра. У верхніх 80 сантиметрах вони в основному виявили мікроби типу Firmicutes, але їх кількість зменшувалася зі збільшенням глибини і, отже, також збільшувала кількість розчинних солей. Дослідники підозрюють, що висока концентрація солі та зростаючий дефіцит води також можуть бути причиною того, що мікробна колонізація в нижній частині відкладень Плайя припиняється. У цьому відношенні їхні висновки узгоджуються з попередніми дослідженнями.

Однак команда Хорстманна та Вагнера знову виявила мікробне співтовариство в алювіальних конусних відкладеннях нижче двох метрів. Вона більш різноманітна, ніж поверхнева спільнота, і, ймовірно, повністю ізольована від поверхні. Він складався в основному з бактерій, що належать до типу Actinobacteriota, групи зі спеціалізованими членами, які часто зустрічаються в сухих або незайманих ґрунтах.

Існування цих мікробів може бути пов’язане з наявністю везикулярного гіпсу, який може бути альтернативним джерелом води, розчиняючись в ангідриті. Організми, які спостерігалися в цьому дослідженні, належали до видів, які можуть використовувати слідові гази, такі як водень, як джерело енергії для використання CO2 як джерела вуглецю для свого росту.

«Цей тип метаболізму, званий хемолітоавтотрофією, був запропонований іншими дослідженнями як важливий для гіпераридних ґрунтів, де органічна речовина як джерело вуглецю надзвичайно обмежена. Таким чином, це також може бути важливим для ізольованих підземних ніш, досліджених у цьому дослідженні», — говорить перший автор Лукас Хорстманн.

Резюме та прогноз: дивовижне біорізноманіття пустелі та наслідки для позаземного життя

Горстман робить висновок: «Відкриття цього підповерхневого співтовариства, яке процвітає в алювіальних конусних відкладеннях на глибині нижче двох метрів і демонструє дивовижне різноманіття та екологічну стабільність, кидає виклик нашому теперішньому розумінню пустельних екосистем».

Автори припускають, що ця спільнота могла колонізувати ґрунт ще 19 000 років тому, до того, як її поховали відкладення Плайя, і припускають, що вона могла продовжуватись вниз на невідому відстань, представляючи раніше невідому глибоку біосферу під гіперпосушливими пустельними ґрунтами.

«Враховуючи широке поширення посушливих земель на нашій планеті, наявність потенційно зв’язуючих вуглець спільнот у раніше не досліджених підповерхневих ґрунтах має глибокі наслідки не лише для біорізноманіття в пустелях, але й для кругообігу елементів у глобальному масштабі», – каже співавтор Дірк. Вагнера. «Це свідчить про те, що важливість цих середовищ існування досі недооцінювалася. І це підкреслює важливість підземних середовищ існування для повного розуміння екосистем пустелі в майбутньому».

Дослідники підкреслюють, що результати цього дослідження не тільки мають наслідки для нашої планети Земля, але також мають відношення до поточних дискусій про пошуки життя на інших планетах: «Наявність гіпсових відкладень на Марсі, подібних до тих, що знаходяться в алювіальних конусах. відкладень, представляє великий інтерес для астробіології. Асоціація цих підповерхневих угруповань з гіпсовими субстратами в Атакамі може надати додаткові докази того, що відкладення гіпсу на Марсі не тільки вказують на можливість існування рідкої води в минулому, але також можуть служити придатною для життя нішею мікробного життя в сьогоденні».

Група вчених проаналізувала харчові звички шерстистих мамонтів, а також оцінила кількість біомаси у північних районах та з’ясувала, скільки таких гігантів змогла б прогодувати сучасна Північна Аляска.

Мамонти — найвідоміші представники стародавньої мегафауни плейстоцену. Вони населяли Землю близько п’яти мільйонів років тому й вимерли нещодавно. Вовняних мамонтів не стало чотири тисячі років тому (за геологічними мірками позавчора). Але причини цього вимирання остаточно незрозумілі.

Можливо, кліматичні зміни та кінець льодовикового періоду перебудували навколишні мамонти ландшафти, поширилися торфовища, їжі поменшало. Однак ця думка досить сумнівна, адже 120 тисяч років тому на Землі було тепліше, ніж навіть сьогодні, але жодного вимирання мамонтів тоді так і не сталося. Деякі дослідники покладають провину на людину, яка полювала на цих гігантів і скорочувала їх чисельність. Але, найімовірніше, це сукупний результат багатьох чинників.

Середовище, в якому жили мамонти, часто називають «мамонтовим степом» — це тундростеп епохи плейстоцену (2,588-0,0117 мільйона років тому), на якій удосталь росли трави. Вважається, що мегатравоїдні мамонти стримували розвиток лісів та чагарників, не давали їм зімкнутися, удобрювали ґрунт, підтримували поширення трав, а не мохів. Дроблячи своїми ногами крижану кірку, вони допомагали зимувати дрібним копитним. Загалом мамонти були ключовим виглядом свого часу.

Нинішні арктичні тундри, що колись населяли мамонти, змінюються через потепління клімату. Зростає біомаса чагарників, а лишайників стає менше. У цілому повсюдно у цьому біомі фіксують високу продуктивність рослин. Це наштовхує вчених на екоінженерні проекти відновлення арктичної екосистеми з великими луками. Один зі способів все повернути – відродити колишню мегафауну, зокрема мамонтів.

Однак неясно, чи приживуться давні мегатравоядні у зміненому кліматі. Щоб це з’ясувати, потрібно зрозуміти, чи придатні сучасні арктичні екосистеми для життя мамонтів. Перевірити це вирішила група біологів із США, Швеції та Росії. У статті, опублікованій у журналі Scientific Reports, вони оцінили, наскільки Північна Аляска готова до відродження мамонтів.

Як модельний вигляд автори роботи обрали шерстистого мамонта (Mammuthus primigenius). Він був досить невибагливим у їжі: різні аналізи показали, що цей мамонт в основному їв трави, осоку (вона вкрай поживна) та чагарники. Іноді на додаток йшли деревні мохи, лишайники (вони погано перетравлювалися) і навіть зелені водорості, але цю їжу виключили з розрахунків. Середня вага шерстистого мамонта коливалася від 3,9 до 5,2 тонни.

Північна Аляска неоднорідна: крім тундр, там зустрічаються болота, луки, кам’янисті схили та тайга. І в різних біомах різна кількість рослинності. Найнижчий коефіцієнт надземної перетравної біомаси (AgDB — aboveground digestible biomass) показали прибережні рівнини та гори, а найвищий — південні височини тайги. Середній показник AgDB в Північній Алясці варіюється від 0,0 до 0,62 міліграма на квадратний кілометр (в середньому 0,15).

На основі цих даних біологи розрахували, що на сучасних територіях Північної Аляски може мешкати приблизно від 42 до 55 тисяч мамонтів (середнє значення – 49 тисяч). Щільність оцінили в 0,0-0,38 особи на квадратний кілометр (у середньому 0,13). Це у 13 разів менше, ніж раніше: у пізньочетвертинний період щільність мамонтів могла досягати 1,7 особи на квадратний кілометр. Цікаво, що інший метод обчислень дав інші показники: від 64 до 80 тисяч мамонтів, але автори статті дотримуються консервативних оцінок.

Це дослідження містить у собі кілька припущень (наприклад, неясно, як змінювалися вага дорослих особин у періоди статевої активності та харчові звички від сезону до сезону), але загалом результати можуть допомогти у плануванні заселення Арктики давньою мегафауною.

Ці висновки можуть бути корисними у сферах транспорту та енергетики. Дивлячись на небо на початку весни, ви можете помітити зграю птахів, що летять на північ в ідеальній гармонії. Але як ці істоти літають таким скоординованим і, здавалося б, легким способом?

Частина відповіді полягає в точних і раніше невідомих аеродинамічних взаємодіях, повідомляє команда математиків у нещодавно опублікованому дослідженні. Його відкриття розширює наше розуміння дикої природи, включно з рибами, які пересуваються зграями, і може мати застосування в транспорті та енергетиці.

«Ця область досліджень є важливою, оскільки відомо, що тварини використовують потоки, наприклад повітря чи воду, які залишають інші члени групи, щоб заощадити енергію, необхідну для руху, або зменшити опір чи опір», — пояснює Лейф. Рістроф, доцент Інституту математичних наук Куранта Нью-Йоркського університету та старший автор статті, яка опублікована в журналі Nature Communications. «Наша робота також може мати застосування в транспорті — наприклад, ефективний рух повітрям або водою — і енергетиці, наприклад, більш ефективний збір енергії від вітру, водних течій або хвиль».

Аеродинамічний вплив на формування зграї

Результати команди показують, що вплив аеродинаміки залежить від розміру літаючої групи — приносить користь малим групам і заважає великим.

«Аеродинамічна взаємодія в невеликих пташиних зграях допомагає кожному члену займати певну особливу позицію відносно свого провідного сусіда, але більші групи порушуються ефектом, який зміщує членів із цих позицій і може спричинити зіткнення», — зазначає Софі Рамананаріву, доцент в École Polytechnique Paris та один з авторів статті.

Раніше Рістроф та його колеги з’ясували, як птахи пересуваються групами, але ці висновки були зроблені в результаті експериментів, що імітують взаємодію двох птахів. Нове дослідження Nature Communications розширило запит, щоб врахувати багато листівок.

Щоб відтворити колоноподібне шикування птахів, коли вони шикуються одна за одною, дослідники створили механізовані махалки, які діють як пташині крила. Крила були надруковані на 3D-принтері з пластику і приводилися в рух двигунами, які махали ними у воді, відтворюючи те, як повітря обтікає крила птахів під час польоту. Ця «імітація зграї» рухалася по воді і могла вільно вишикуватися в лінію або чергу, як видно на відеозаписі експерименту.

Потоки по-різному впливали на організацію групи — залежно від розміру групи.

Для невеликих груп приблизно з чотирьох літаючих дослідники виявили ефект, за допомогою якого кожен учасник отримує допомогу від аеродинамічних взаємодій в утриманні своєї позиції відносно сусідів.

«Якщо флаєр зміщується зі свого положення, вихори або завихрення потоку, залишені провідним сусідом, допомагають штовхати слідкуючого назад на місце та утримувати його там», — пояснює Рістроф, директор лабораторії прикладної математики Нью-Йоркського університету, де проводилися експерименти. . «Це означає, що листівки можуть збиратися в упорядковану чергу з регулярним інтервалом автоматично та без додаткових зусиль, оскільки фізика виконує всю роботу.

«Однак у великих групах ця взаємодія потоків призводить до того, що пізніші члени штовхаються навколо та викидаються з позиції, що зазвичай призводить до розпаду зграї через зіткнення між членами. Це означає, що дуже довгі групи, які спостерігаються у деяких типів птахів, зовсім нелегко сформувати, і пізніші члени, швидше за все, повинні постійно працювати, щоб утримувати свої позиції та уникати зіткнення з сусідами».

Математичні дослідження динаміки зграї

Потім автори розгорнули математичне моделювання, щоб краще зрозуміти основні сили, що керують результатами експерименту. Тут вони прийшли до висновку, що взаємодія між сусідами, опосередкована потоком, є, по суті, пружинними силами, які утримують кожного члена на місці — , так само як якби вагони поїзда були з’єднані пружинами.

Однак ці «пружини» діють лише в одному напрямку — провідний птах може чинити силу на свого послідовника, але не навпаки — і ця невзаємна взаємодія означає, що наступні члени мають тенденцію резонувати або шалено коливатися.

«Коливання виглядають як хвилі, які коливають членів вперед і назад і які рухаються вниз по групі та збільшують інтенсивність, змушуючи наступних членів збиватися разом», — пояснює Джоел Ньюболт, який на час дослідження був аспірантом фізики Нью-Йоркського університету.

Команда назвала ці нові типи хвиль «флононами», що базується на подібній концепції фононів, які належати до коливальних хвиль у системах мас, з’єднаних пружинами, і які використовуються для моделювання руху атомів або молекул у кристалах чи інших матеріалах.

«Тому наші висновки відкривають деякі цікаві зв’язки з фізикою матеріалу, в якій птахи в упорядкованій зграї аналогічні атомам у звичайному кристалі», – додає Ньюболт.

Використовуючи один з найкраще збережених неандертальських скелетів, відкритих за останні тисячоліття, науковці відтворили обличчя жінки, що належала до вимерлого людського виду і жила близько 75 000 років тому. Цей скелет був знайдений у скандально відомій печері Шанідар, де неандертальці, можливо, практикували ритуали поховання з квітами. Його історія представлена у новітньому документальному серіалі Netflix “Секрети неандертальців”.

Печера Шанідар, відкрита у 1950-х роках в Іракському Курдистані, виявилася місцем деяких з найважливіших археологічних знахідок неандертальців, включаючи останки щонайменше десяти осіб. Особливу увагу заслуговують знайдені похоронні ритуали, які допомогли переосмислити сприйняття неандертальців як високорозвинених мислителів, а не просто примітивних істот.

Згадки про поховання п’яти осіб під великою скелею свідчать про значущість цього місця, яке використовувалось різними поколіннями. Відкриття пилкових згустків у 1960-х надало підстави вважати, що тут могли вшановувати померлих квітами.

“Неандертальці повторно використовували це місце для поховань протягом століть, можливо, тисячоліть,” зазначила доктор Емма Померой з Кембриджського університету. “Це свідчить про особливу увагу до місця, яке могло мати значний символічний заряд.”

Нещодавно ідентифікована жінка, позначена як Shanidar Z, була похована під великим каменем, її череп був розтрощений. Аналіз її зубів вказує, що вона померла у віці близько 40 років і, можливо, мала високий статус у своєму суспільстві.

Науковці витягли та відновили її череп, використовуючи його для створення обличчя. За словами Помероя, цей процес вимагав особливої обережності через крихкість матеріалу.

“Черепи неандертальців відрізняються від людських великими надбрівними дугами та відсутністю підборіддя, але реконструйоване обличчя показало, що ці відмінності могли не бути такими помітними під час життя,” розповідає Померой. “Це допомагає зрозуміти можливе схрещування між нашими видами, оскільки неандертальські гени досі присутні у сучасних людей.”

Нещодавні дослідження підтверджують значну кількість спільних рис між Homo sapiens та неандертальцями, включаючи вміння користуватися вогнем, готувати їжу та створювати мистецтво, що свідчить про високий рівень розумового розвитку.

Що стосується теорії про “поховання квітів” у печері Шанідар, то вона була спростована новими доказами, що пилок міг бути принесений до печери гніздуючими бджолами, а не людьми. Тим не менше, аналізи останків, знайдених у цьому місці, зображують стародавніх неандертальців як чуйних та емоційно розвинених істот. Це підтверджують знахідки людини з обмеженими фізичними можливостями, яка, судячи з усього, отримувала постійний догляд протягом життя.

Професор Грем Баркер, керівник розкопок, зазначив: “Неандертальці довгий час перебували під негативним впливом громадської думки, починаючи з часу їх першого відкриття понад 150 років тому. Наші відкриття демонструють, що неандертальці могли думати про смерть та її наслідки так само як і їхні найближчі еволюційні родичі — люди.” Джерело

Розуміння оптичних властивостей снігу може розблокувати прогрес, починаючи від вдосконалених методів прибирання снігу до підвищеної безпеки від лавин. Можна подумати, що сніг легко описати: він холодний, білий і вкриває ландшафт, як ковдра. Що ще про це можна сказати?

Багато, за словами Матьє Нгуєна. Він щойно захистив свою докторську дисертацію про оптичні властивості снігу в Норвезькому науково-технічному університеті (NTNU) у Гйовіку.

«Сніг відбиває всі довжини хвилі світла і може мати дуже різні кольори залежно від умов і кута, під яким на нього падає світло. Вік і щільність снігу та забруднення повітря також впливають на те, як він виглядає. Поява снігу — дуже складна справа», — каже Нгуєн.

Він проаналізував понад тисячу зображень снігу. «Цей тип методу можна використовувати в багатьох сенсорних технологіях, які включають усе: від надання нам кращої основи для прийняття рішень щодо того, коли слід розчистити дороги, до більш ретельного моніторингу ризику сходження лавини в горах».

Пейзаж із дзеркал

Серед іншого, Нгуєн досліджував, як сніг поглинає та відбиває світло, і те, як сонце змушує снігові кристали виблискувати, викликало особливий інтерес. Він вважає, що прекрасний зовнішній вигляд зимових пейзажів може містити ключ до відповіді на низку питань, які спантеличили дослідників протягом багатьох років.

Але по-перше, що саме змушує сніг виблискувати в яскраві сонячні дні?

«Сніг — це скупчення кристалів льоду. Коли умови ідеальні, вони діють як крихітні дзеркала. Якщо вони розташовані під правильним кутом, вони відбивають сонячне світло прямо на вас і сяють, як «іскри» в пейзажі», — каже Нгуєн.

Величезний потенціал

Було проведено багато досліджень щодо того, як різні метали виблискують таким чином, але блиск снігу все ще погано вивчений.

«Якщо ми хочемо мати тут, у Норвегії, повністю автономні автомобілі, ця технологія також сприятиме безпечнішому подорожуванню зимовими дорогами», — каже Нгуєн.

Тому Нгуєн намагався з’ясувати, як ці блискітки змінюються за контрастом і щільністю на зображеннях снігу в різних умовах. Він сподівається, що це забезпечить метод аналізу, який дозволить нам класифікувати різні типи снігу за зображеннями. Зараз це неможливо.

«Цей тип методу можна використовувати в багатьох сенсорних технологіях, які включають усе: від надання нам кращої основи для прийняття рішень щодо того, коли дороги потрібно розчистити, до більш ретельного моніторингу ризику сходження лавини в горах. Якщо ми хочемо мати повністю автономні автомобілі тут, у Норвегії, ця технологія також сприятиме безпечнішому переміщенню зимовими дорогами», — каже Нгуєн.

Потрібні зображення з усього світу

Поки що дослідники збирали дані лише з різних місць у східній Норвегії. Результати є багатообіцяючими та показують, що блискітки можна використовувати для класифікації розміру зерен снігу. Однак для більш точної класифікації типу снігу потрібен набагато більший обсяг даних, ніж вони працювали досі. Бажано із зображеннями з усього світу.

«Буде важливо отримати зображення з інших місць, де середовище інше. Розуміння того, як різні рівні забруднення відіграють роль у зовнішньому вигляді та властивостях снігу, буде мати вирішальне значення», — говорить Нгуєн.

Досвід на майбутнє

Крім того, що сніг важко інтерпретувати із зображень, давно виявилося, що сніг напрочуд складно відтворити цифровим способом.

«Штучні зображення снігу, які ми маємо сьогодні в комп’ютерних іграх і симуляторах, не набагато кращі, ніж білі поверхні», — каже Нгуєн.

Його відкриття також показали багатообіцяючі результати в цій галузі. Він вірить, що його робота дасть людям, які не мають доступу до снігу, хороші враження від зими – також у майбутньому, коли снігу може бути набагато менше.

За даними Норвезького метеорологічного інституту, більше одного мільйона норвежців у 2050 році будуть жити в місцях, де буде менше одного місяця зими. Крім того, нещодавнє дослідження в журналі Nature підтвердило, що всю Північну півкулю очікує майбутнє з меншою кількістю снігу в результаті антропогенної зміни клімату.

«Якщо ми хочемо навчити когось, хто, можливо, ніколи раніше не бачив сніг, що це таке, ми повинні мати можливість відтворити його у всій його складності», — каже Нгуєн.

Бартош Регула з Центру квантових обчислень RIKEN і Людовіко Ламі з Університету Амстердама показали за допомогою імовірнісних розрахунків, що, як і передбачалося, справді існує правило ентропії для явища квантової заплутаності. Це відкриття може допомогти краще зрозуміти квантову заплутаність, яка є ключовим ресурсом, що лежить в основі потужності майбутніх квантових комп’ютерів. Наразі мало що розуміють про оптимальні способи ефективного використання, незважаючи на те, що це було центром досліджень квантової інформаційної науки протягом десятиліть.

Другий закон термодинаміки, згідно з яким система ніколи не може перейти до стану з нижчою ентропією або порядком, є одним із найфундаментальніших законів природи і лежить в самому серці фізики. Це те, що створює «стрілу часу» і повідомляє нам про дивовижний факт, що динаміка загальних фізичних систем, навіть надзвичайно складних, таких як гази чи чорні діри, інкапсульована однією функцією — її ентропією.

Однак є ускладнення. Відомо, що принцип ентропії застосовується до всіх класичних систем, але сьогодні ми все більше досліджуємо квантовий світ.

Зараз ми переживаємо квантову революцію, і стає вкрай важливим зрозуміти, як ми можемо видобувати та трансформувати дорогі та крихкі квантові ресурси. Зокрема, квантова заплутаність, яка дає значні переваги в комунікації, обчисленнях і криптографії, має вирішальне значення, але через її надзвичайно складну структуру ефективне маніпулювання нею та навіть розуміння її основних властивостей зазвичай набагато складніше, ніж у випадку термодинаміки. .

Складність полягає в тому, що такий «другий закон» для квантової заплутаності вимагав би від нас показати, що перетворення заплутаності можна зробити оборотними,, так само як робота і тепло можуть взаємоперетворюватися в термодинаміці.

Відомо, що оборотність заплутаності набагато складніше забезпечити, ніж оборотність термодинамічних перетворень, і всі попередні спроби створити будь-яку форму оборотної теорії заплутаності зазнали невдачі. Було навіть підозра, що заплутування насправді може бути незворотнім, що робить квест неможливим.

У своїй новій роботі, опублікованій в Nature Communications, автори вирішують цю давню гіпотезу, використовуючи ймовірнісні перетворення заплутаності, які гарантовано будуть успішними лише деякий час, але які натомість забезпечують підвищену потужність у перетворенні квантових систем. .

За таких процесів автори показують, що дійсно можливо встановити оборотну структуру для маніпулювання заплутаністю, таким чином ідентифікуючи налаштування, в яких виникає унікальна ентропія заплутаності, і всі перетворення заплутаності керуються однією величиною. Методи, які вони використовували, можна було б застосовувати ширше, демонструючи подібні властивості оборотності також для більш загальних квантових ресурсів.

За словами Регули, «наші висновки знаменують значний прогрес у розумінні основних властивостей заплутаності, виявлення фундаментальних зв’язків між заплутаністю та термодинамікою, і, що важливо, значно спрощено розуміння процесів перетворення заплутаності.

«Це не тільки має безпосереднє і пряме застосування в основах квантової теорії, але також допоможе зрозуміти кінцеві обмеження нашої здатності ефективно маніпулювати заплутаністю на практиці».

Дивлячись у майбутнє, він продовжує: «Наша робота служить першим доказом того, що оборотність є досяжним явищем у теорії заплутаності. Проте були висунуті припущення про навіть сильніші форми оборотності, і є надія, що заплутаність можна зробити оборотною навіть за умови слабші припущення, ніж ми зробили в нашій роботі, зокрема, без необхідності покладатися на ймовірнісні перетворення.

«Проблема полягає в тому, що відповісти на ці запитання видається значно складнішим, вимагаючи розв’язання математичних та інформаційно-теоретичних проблем, які досі уникали будь-яких спроб їх розв’язання. Таким чином, розуміння точних вимог до оборотності залишається захоплюючою відкритою проблемою».