Законы физики запрещают нулевые колебания во Вселенной и, тем самым, гарантируют, что абсолютный ноль или тепловое дно никогда не будет достигнуто. Однако приближаться к нему можно, бесконечно затрачивая на каждый шаг время и энергию. Благодаря новой работе международной группы физиков у нас появился ещё один параметр, усложняя который можно приближаться к абсолютному нулю, что обещает новые и неожиданные открытия.

Источник изображения: Pixabay

Для охлаждения элементарных частиц (материи) необходимо тем или иным способом отбирать у них энергию до тех пор, пока у нас будут на это ресурсы и время. В теории охладить материю до абсолютного нуля (-273,15 °C) можно за бесконечное время с затратами бесконечной энергии, что в реальном мире недостижимо по обоим параметрам. В системе всё равно останутся нулевые колебания, что будет означать отличную от абсолютного нуля температуру. Но теперь появляется теоретическая возможность использовать для охлаждения материи ещё один неиспользованный ранее ресурс — это сложность системы.

Фактор сложности или комплексности системы проистекает из законов квантовой физики. Точнее, из квантовой неопределённости и невозможности одновременно знать две «враждующие» характеристики квантовой системы, например, одновременно координаты и импульс (количество движения). Квантовое состояние системы описывается бесконечным набором волновых функций, и измерение одного из состояний заставляет мгновенно исчезать все остальные.

Физики предположили, что если определить координаты частицы, то это будет означать, что она полностью остановилась (все остальные состояния коллапсировали) и достигала состояния, как в случае абсолютного нуля. Все квантовые детали (информация о них) фактически стираются. Согласно принципу Ландауэра, потеря одного бита данных приводит к выделению энергии. Иначе говоря, система теряет энергию и охлаждается ещё сильнее. И чем сложнее квантовая система, тем больше она несёт информации и тем сильнее охлаждается при измерении квантовых свойств.

Именно это новое открытие роли сложности квантовой системы открывает новый угол зрения на поиск пути к абсолютному нулю, даже если это такое же практически невозможное решение, как и те, с которыми учёные уже работали (энергия и время).

«Мы обнаружили, что можно определить квантовые системы, которые позволяют достичь абсолютного основного состояния даже при конечной энергии и за конечное время — никто из нас этого не ожидал», — сказал один из участников проекта Маркус Хубер (Marcus Huber) из Венского технологического университета в Австрии.

Вполне возможно, что повышение сложности квантовых систем — это ещё один способ приблизиться к абсолютному нулю или, по крайней мере, ускорить процесс движения в эту сторону. В перспективе новый подход может привести к открытию новых явлений в квантовой физике и к созданию новых материалов и технологий.

Квантовая физика неплохо развилась вплоть до практической реализации (туннельные явления, кубиты и прочее), но для химиков квантовые события — это тёмный лес. Между тем, как и любые процессы в этом мире, химические реакции подвержены законам квантового мира. Учёные впервые выяснили, до какой степени можно пренебрегать ими при изучении химических процессов и как квантовые явления в химических реакциях влияют на физический мир.

Ионы пробивают энергетические барьеры для химической связи с молекулами. Источник изображения: Universität Innsbruck/Harald Ritsch

Учёным очень сложно теоретически описать точное квантово-механическое химическое взаимодействие трёх частиц, а для более четырёх реагентов это практически невозможное задание. Поэтому всё сводится к пренебрежению квантовыми эффектами и к решению задач только с позиции классической физики. Подобное приближение удобно для практического применения в повседневной жизни, но не позволяет разобраться в ряде фундаментальных процессов мироустройства.

Очевидно, что для изучения квантовых явлений в химических реакциях необходимо придумать и поставить эксперимент, который был бы подтверждён теоретическими выкладками. Эффект туннелирования оказался одним из наиболее удобных кандидатов на постановку такого эксперимента, но на его организацию потребовались годы планирования.

Опыт удался у команды исследователей из Университета Инсбрука, о чём они сообщили в свежем выпуске журнала Nature. Для опыта был выбран изотоп водорода дейтерий, который поместили в ионную ловушку и охладили, после чего заполнили ловушку газообразным водородом. За счёт сильного охлаждения отрицательно заряженным ионам дейтерия не хватало энергии для химической реакции с молекулами водорода. Тем не менее, отдельные ионы дейтерия вступали в реакцию с молекулами водорода, чего не могло быть с точки зрения классической физики.

«Квантовая механика позволяет частицам преодолевать энергетический барьер благодаря их квантово-механическим волновым свойствам, и происходит реакция, — объяснил ведущий автор исследования Роберт Уайлд (Robert Wild). — В нашем эксперименте мы даём возможным реакциям в ловушке около 15 минут, а затем определяем количество образовавшихся ионов водорода. По их количеству мы можем сделать вывод о том, как часто происходила реакция».

Предложенный в 2018 году теоретический расчёт показал, что в условиях эксперимента одно квантовое туннелирование будет происходить в одном случае из каждых ста миллиардов столкновений, что учёные из Инсбрука смогли подтвердить на практике. Иными словами, для химической реакции с квантовыми явлениями эксперимент впервые подтвердил теорию. Одновременно это была самая медленная реакция с заряженными частицами из когда-либо наблюдавшихся.

На основе проведённого исследования можно разработать более простые теоретические модели «квантовых» химических реакций и проверить их на реакции, которая уже успешно продемонстрирована. Туннельный эффект возникает во многих физических и химических процессах, а это путь к их лучшему пониманию и к открытию явлений, которые были либо плохо объяснимыми, либо вовсе непонятными для науки, например, такими, как астрохимический синтез молекул в межзвёздных облаках. Подтверждающий теорию эксперимент — это лучшее, что можно использовать для новых открытий.

Одни из самых стабильных кубитов можно получить из атомных ядер. Квантовые состояния ядер могут сохраняться часами, но управлять ими напрямую фотонами было нельзя, а ведь оптика остаётся основой для организации квантовой связи и квантового интернета. Группа учёных из Массачусетского технологического института нашла решение проблемы и открыла новый способ управления атомными ядрами как кубитами с помощью фотонов.

Источник изображения: MIT

Фотоны как кванты (порции) энергии электромагнитного излучения почти не взаимодействуют с атомными ядрами, а их собственные частоты отличаются на шесть–девять порядков. В обычных условиях фотоны воздействуют на спины электронов вблизи атомных ядер, и это воздействие опосредованно передаётся на спины ядер. Было бы заманчиво напрямую воздействовать фотонами как переносчиками информации на вычислительные или запоминающие кубиты в виде ядерных спинов. Но как?

«Мы нашли новый, мощный способ взаимодействия ядерных спинов с оптическими фотонами из лазеров, — сказала Паола Каппелларо (Paola Cappellaro), профессор ядерной науки и инженерии. — Этот новый механизм связи позволяет контролировать и измерять их [спины], что теперь делает использование ядерных спинов в качестве кубитов гораздо более перспективным». Но пока только в теории, о чём надо помнить. Постановка эксперимента будет на следующем этапе исследования.

Новый подход использует такие свойства некоторых ядер, как присущий им электрический квадруполь. Через него ядро взаимодействует с окружающей средой и на это взаимодействие можно оказывать влияние квантами света и, следовательно, тем самым оказывать влияние на само ядро — на его ядерный спин, записывая или считывая состояние кубита на этом ядре. Такое воздействие оказывается практически прямым: в зависимости от длины волны фотона спин поворачивается на тот или иной угол.

Выше на иллюстрации схематически показано, как два лазерных луча с разной длиной волны могут влиять на электрические поля (изображены розовым на рисунке), окружающие атомное ядро (овалы на рисунке), воздействуя на эти поля таким образом, что спин ядра отклоняется в определенном направлении, как показано стрелкой. И это отклонение строго связано с частотой входящего луча (фотона).

Это открытие имеет множество потенциальных применений от квантовой памяти, которую изменяют или считывают фотоны, и эта информация тут же передаётся в сеть, до системы вычислений, датчиков и спектроскопии. Ждём лабораторных подтверждений предложенной теории. Миру нужны квантовые компьютеры.

Китайские учёные опубликовали статью, в которой сообщили о работе над наземной квантовой радарной установкой, способной разглядеть даже небольшие космические объекты на удалении до 15 млн км, что почти в 40 раз дальше орбиты Луны. Радар будет встроен в систему планетарной обороны для поиска опасных астероидов, хотя сможет также детектировать ракеты и спутники.

Источник изображения: Pixabay

Традиционно радар испускает радиоволновое излучение и улавливает отражение сигнала от изучаемого объекта. Это отлично работает на сравнительно коротких дистанциях, но по мере увеличения дальности и чувствительности требуются как гигантские по площади антенны, так и передатчики с запредельными мощностями. Законы квантовой физики, по словам исследователей, позволяют обойти эти ограничения и добиться сверхчувствительной работы космических радаров, обойдясь малыми энергиями и сравнительно небольшими антеннами.

Всё дело в том, что квантовый радар будет оперировать порциями энергии, т.е. одиночными частицами, используя для детектирования квантовые свойства этих частиц. Например, если в сторону объекта отправить одну из двух связанных частиц, например, фотон света или квант энергии микроволнового диапазона, то отражённую от далёкого объекта частицу из связанной пары будет легко выделить на фоне даже сильнейших шумов. Мы просто будем знать, что искать. Также легко будет детектировать искусственно созданные кванты энергии, поскольку они будут отличаться от появившихся естественным путём.

Отправка одного единственного кванта будет намного дешевле с позиции энергозатрат, чем работа мощного радиопередатчика. К тому же блок генерации связанных квантов можно встроить в обычную систему радиолокационного наблюдения. Правда, работа квантового блока будет нетривиальна сама по себе, ведь для этого необходимо охлаждение узлов до экстремально низких температур. Именно, этот аспект больше всего не нравится военным, которым придётся эксплуатировать криогенные системы в полевых условиях.

Некоторое препятствие в развитии квантовых радарных технологий китайские учёные ощутили после введения ограничений со стороны США на продажу в Китай самых современных криогенных систем. Теперь китайцам приходится самим создавать аналогичные установки. Это задерживает работы по созданию квантового радара, но обнадёживающие результаты уже получены.

В США также работают над радаром на квантовом принципе. В частности, этим занята компания Raytheon Technologies. Raytheon разрабатывает радар с использованием эффекта квантовой запутанности для обнаружения на орбите наноспутников и других мелких объектов, которые невидимы для традиционных радарных систем.

И Китай, и США, и другие страны в аналогичных работах преследуют сначала военные цели, но сбрасывать со счетов эти усилия для укрепления планетарной обороны тоже нельзя. Если на Землю будет лететь астероид «Судного дня», то наши земные дрязги станут ничем перед лицом потенциальной угрозы уничтожения из космоса.