Квантовые состояния крайне нестабильны, но обладают невероятными возможностями. То же состояние квантовой запутанности Эйнштейн называл «ужасным» и не мог до конца принять, что запутанные атомы могут «чувствовать» друг друга на разных концах Вселенной. Такие свойства неоценимы для проведения сверхчувствительных измерений и даже для поиска новой физики, но им мешает чрезвычайная краткость времени когерентности, которую преодолели учёные из Китая.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

На сайте arXiv появилась статья исследователей из Университета науки и технологий Китая, в которой заявляется об удержании квантовых состояний атомов в течение 23 минут, что можно считать абсолютным рекордом. Обычно время когерентности не превышает нескольких миллисекунд, что кратно меньше нового достижения. Статья пока не прошла рецензирование и должна восприниматься с осторожностью. Однако если другие коллективы смогут повторить опыт китайских учёных, то это станет крупным прорывом в разработке квантовых технологий.

Эксперимент заключается в охлаждении 10 тыс. атомов иттербия до нескольких тысячных градуса выше абсолютного нуля, которые затем были пойманы в ловушку электромагнитными полями лазерного излучения. В этих условиях квантовыми состояниями атомов можно было очень точно управлять, и исследователи воспользовались этим, чтобы перевести каждый атом в суперпозицию двух состояний с наиболее сильно отличающимися спинами.

Точная настройка лазеров — оптических ловушек — позволила удерживать атомы в состоянии суперпозиции 1400 секунд или 23 мин. Этого времени будет достаточно для постановки экспериментов в квантовой физике, для измерений с погрешностью менее квантового предела (это так называемое квантовое превосходство в метрологии), для квантовой компьютерной памяти, наконец.

В ряде случаев системы навигации GPS использовать нельзя или невозможно. Они могут быть скомпрометированы или заблокированы по разным причинам, а также остаются фактором риска в работе автопилотов. Параллельная система навигации без GPS могла бы решить проблему, но пока такие системы размером с комнату. Учёные из США обещают преодолеть эти ограничения и создать доступный миниатюрный «квантовый» компас уже в ближайшее время.

Источник изображения: www.techspot.com

Квантовая навигация строится на так называемой атомной интерферометрии. Частицы ведут себя также как волны, а волны одной и той же частицы могут накладываться друг на друга и отличаться по фазе. Сдвиг по фазе и эффекты интерференции волн измеряются лазером. На атомы действуют силы, например, гравитация, или они ощущают ускорение или торможение, угловой момент и прочее, что измеряется с атомарной точностью — те самые сдвиги фаз и интерференция. Перенос этих данных в наш мир позволяет соотнести измерения со всеми нюансами движения навигационного прибора на транспортном средстве. Это обеспечивает настолько высокую точность навигации, что она может превосходить возможности GPS.

Для точной навигации без GPS необходимы шесть атомных интерферометров, что определяет конечные — немаленькие — размеры платформы. Учёные их Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Labs) смогли удивить, разработав сверхкомпактные оптические чипы для привода в действие квантовых систем навигации. Громадные лазерные установки они заменили крошечными фотонными интегральными схемами.

«Используя принципы квантовой механики, эти усовершенствованные датчики обеспечивают непревзойденную точность измерения ускорения и угловой скорости, обеспечивая точную навигацию даже в районах, где GPS недоступен», — утверждают разработчики.

Ключевым элементом для датчиков нового поколения стал модулятор, способный управлять и комбинировать лучи с несколькими длинами волн, получаемыми из одного источника. Тем самым отпадает необходимость в объединении отдельных лазеров (читай — умножать габариты), ведь всю работу может выполнить один лазер, используя для этого схему модулятора.

Помимо намного большей компактности, такие чипы также более устойчивы к вибрациям и ударам. Подобная надёжность позволит использовать квантовые датчики в самых сложных условиях эксплуатации, которые могут вывести из строя современные модели. Фактор стоимости также на повестке дня. Один современный лазерный модулятор легко преодолевает барьер в $10 тыс. Перевод производства на кремниевые пластины с сотнями и более чипов на 200- и 300-мм подложках — это залог снижения стоимости решений и повышение степени их доступности.

Предложенные «квантовые» компасы способны выйти далеко за пределы сферы навигации. Квантовые детекторы масс, к примеру, легко справятся с картографированием скрытых под землёй коммуникаций и сооружений. Они могут оказаться востребованы для оптической связи и квантовых вычислений, в дальномерах и прочем.

Учёные NASA впервые дистанционно провели эксперимент по измерению квантовых состояний ультрахолодных атомов. Благодаря невесомости установленный на борту МКС квантовый прибор получил невообразимую чувствительность, что позволяет измерять, например, перемещение масс воды и льда в земных океанах. Первым измерением установки стали неуловимые иным способом вибрации космической станции. Прибор засёк, как она дрожит в своём движении по орбите.

Cold Atom Laboratory. Источник изображения: NASA

Установка NASA Cold Atom Laboratory имеет размеры с небольшой холодильник. В ней атомы охлаждаются до температуры немного выше абсолютного нуля. На орбиту устройство доставлено в 2018 году. Это атомный интерферометр — новое направление в измерении множества физических величин и явлений с помощью оценки квантовых состояний ультрахолодных атомов.

Как известно, элементарные частицы ведут себя также подобно волнам. Это означает, что атом может двигаться как минимум по двум физическим траекториям. На каждую из них будет воздействовать гравитация или оказываться другие влияния (силы). Эти влияния можно измерить, просто наблюдая интерференцию волн — их рекомбинацию и взаимодействие. Чувствительность подобных датчиков поражает. Они могут улавливать гравитационные колебания планет и их спутников, и на основе полученных данных давать информацию о плотности и составе пород небесных тел, а также могут открывать ещё не обнаруженные объекты.

Сильное охлаждение позволяет как бы обезличить отдельные атомы, переводя их в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. Тем самым большие скопления атомов приобретают одинаковые квантовые состояния и квантовые явления перекочёвывают из микромира в макромир. Проще говоря, у нас появляется возможность измерять квантовые состояния атомов, не опускаясь до их уровня, что намного проще и доступнее.

Эксперименты NASA с датчиками на ультрахолодных атомах пойдут намного дальше измерений вибраций космической станции (которые, как следует понимать, станут помехой для измерений). Первый квантовый датчик в невесомости поможет в планетарных исследованиях, в изучении климата Земли и даже в поиске источников тёмной материи и тёмной энергии, а также в ином подходе для доказательства Общей теории относительности Эйнштейна. Пусть теперь дрожит не только МКС, но и тайны Вселенной — мы пришли за ними.

Группа исследователей под руководством Филиппа Вальтера (Philip Walther) из Венского университета провела уникальный эксперимент, в ходе которого было измерено влияние вращения Земли на квантово запутанные фотоны. Классический инструмент для доказательства правоты общей теории относительности впервые был использован для оценки явления квантовой механики, что открывает путь к поиску связи между материальным и квантовым миром.

Источник изображений: University of Vienna

Посвящённая исследованию работа опубликована в журнале Science Advances. Учёные создали самый большой в мире интерферометр Саньяка, известный уже около ста лет. Этот прибор или датчик даёт возможность находить доказательства для ряда положений общей теории относительности, в частности, являясь наиболее чувствительным детектором вращения, например, нашей планеты. Исследователи из Вены собрали свою версию прибора на 1,4-м алюминиевой раме (катушке), намотав на неё две обмотки оптического кабеля по 2 км каждая.

Изоляция обмотки была достаточно надёжной, чтобы на несколько часов снизить уровень квантовых шумов ниже заданной границы чувствительности. Это позволило уверенно детектировать достаточное количество запутанных фотонов, чтобы потом использовать их для эксперимента.

Одна обмотка, пояснили учёные, не позволяла установить точку отсчёта для измерений — вытащить из данных измерений сигнал о постоянном вращении Земли. Необходимо было «обмануть свет, чтобы заставить его подумать, будто Вселенная неподвижна». Этот эффект достигался за счёт переключения между обмотками.

«Суть вопроса, — объясняет ведущий автор Раффаэле Сильвестри (Raffaele Silvestri), — заключалась в установлении точки отсчета для наших измерений, где свет остаётся незатронутым эффектом вращения Земли. Учитывая нашу неспособность остановить вращение Земли, мы придумали обходной путь: разделили оптическое волокно на две катушки одинаковой длины и соединили их с помощью оптического переключателя». Используя переключатель, исследователи смогли эффективно подавлять сигнал вращения по своему желанию, что также позволило им повысить стабильность работы прибора. «Мы, по сути, обманули свет, заставив его думать, что он находится в невращающейся Вселенной», — сказал Сильвестри.

Идея эксперимента в том, что запутанные фотоны при измерении дают больше информации, чем обычные. Это может помочь раздвинуть границы чувствительности прибора за рамки классической физики в область квантовой механики.

Экспериментальная установка

В обычном интерферометре Саньяка два фотона двигались бы навстречу друг другу и вернулись бы в точку старта с некоторой разницей во времени, в зависимости от скорости вращения системы. В случае запуска по маршруту запутанных фотонов ситуация сложнее — оба фотона одновременно движутся навстречу друг другу как одна частица. При этом задержка по времени увеличивается в два раза, поясняют учёные, и это в два раза повышает разрешение датчика — достигается так называемое сверхразрешение.

Это подтвердило взаимодействие между вращающимися системами отсчёта и квантовой запутанностью, теоретическое описание чего можно найти как в специальной теории относительности Эйнштейна, так и в квантовой механике. Сделано это с тысячекратным повышением точности по сравнению с предыдущими экспериментами.

«Это является важной вехой, поскольку спустя столетие после первого наблюдения вращения Земли с помощью света запутывание отдельных квантов света, наконец, вошло в те же режимы чувствительности, — пояснил Хаокун Ю (Haocun Yu), который работал над этим экспериментом в качестве научного сотрудника Института Марии Кюри. — Я верю, что наши результаты и методология заложат основу для дальнейшего улучшения чувствительности датчиков, основанных на оценке вращения запутанностью. Это может открыть путь для будущих экспериментов по проверке поведения квантовой запутанности с учётом кривизны пространства-времени».

Исследователи из Бристольского университета в Великобритании разработали самый маленький в мире квантовый детектор света на кремниевом чипе. Детектор тоньше человеческого волоса может помочь расширить масштабы реализации квантовых технологий вплоть до создания мощных вычислительных платформ.

Источник изображений: University of Bristol

В своём исследовании учёные решали три две связанные проблемы: уменьшение размеров детектора, снижение влияния квантового шума (квантовой неопределённости) и адаптация платформы к современному массовому производству чипов. Чем меньше датчик, тем он быстрее работает, но одновременно с этим растёт влияние электронного шума, которое снижает чувствительность. Также нужно думать о возможных техпроцессах выпуска датчиков, чтобы это было экономически выгодно и доступно.

Свою разработку британские учёные сравнивают с изобретением транзисторов в 50-е годы прошлого века, что стремительно ускорило развитие электроники и вычислительной техники. Миниатюрный по сравнению с электронными лампами полупроводниковый элемент привнёс революцию в отрасль и изменил в ней буквально всё. Новый детектор квантового света может оказать ту же услугу оптическим квантовым системам, считают разработчики.

Новый встроенный в кремниевый чип детектор квантового света имеет размеры 80 × 220 мкм (сам светочувствительный элемент ещё меньше). Он работает в 10 раз быстрее аналогов, утверждают учёные и имеет высокий порог чувствительности к квантовому шуму. Это важный момент не только для квантовых платформ, но также для других применений подобных детекторов. Например, они используются в гравитационно-волновых обсерваториях, где позволяют выявлять малейшие отклонения в фазе и амплитуде световых сигналов, что может повысить чувствительность систем, регистрировать больше событий, связанные с рождением гравитационных волн, и делать это точнее.

«Мы создали детектор на коммерчески доступном производстве чипов, чтобы сделать его применение более доступным. Хотя мы невероятно рады возможностям применения целого ряда квантовых технологий, крайне важно, чтобы мы, как сообщество, продолжали решать проблему масштабируемого производства квантовых технологий. Без демонстрации действительно масштабируемого производства квантового оборудования влияние и преимущества квантовой технологии будут отложены и ограничены», — сказал ведущий автор работы профессор Джонатан Мэтьюз (Jonathan Matthews).

Группа учёных из Института Нильса Бора (Дания) сообщила о разработке необычной квантовой памяти — «квантового барабана». Это оптико-механическая память, которая запоминает квантовые состояния фотонов в механических (звуковых) колебаниях керамической мембраны — фактически барабана. Подобное устройство может сыграть роль повторителя для передачи запутанных квантовых состояний по сети, сделав квантовый интернет реальностью.

Источник изображения: Julian Robinson-Tait

«Квантовый барабан» представляет собой керамическую пластинку из похожего на стекло материала. В ряде предыдущих исследований учёные доказали, что специальным образом обработанная пластина керамики позволяет сохранять квантовые состояния ударившего в неё лазерного луча (фотонов). Чудесен не сам факт преобразования квантового состояния света в звук (в квазичастицу фонон), а то, что квантовое, по сути, устройство представлено вполне осязаемой деталью — квантовый микромир в этом устройстве воплотился на вполне осязаемом макроуровне, а с этим уже можно и нужно работать.

Барабан хранит квантовое состояние до того момента, когда его можно передать дальше по сети уже в виде фотонов. Это временная память и она категорически нужна для организации повторителей. Ведь нам хорошо известно, что главное достоинство квантовых сетей связи — это чувствительность к перехвату сообщений. Любой перехват «заряжённых» квантовым состоянием фотонов нарушает эти состояния и это служит индикатором о компрометации передачи. Если на магистрали установить классические повторители с переводом «кубитов» в цифру и обратно это даст канал для утечки, ведь цифру можно перехватить и это будет незаметно.

Источник изображения: University of Copenhagen

Чисто квантовые повторители — это проблема современности и их ещё развивать и развивать, или предлагать что-то новое, например, разработанные в Институте Нильса Бора «квантовые барабаны». Без подобных устройств не стоит даже мечтать о всемирной квантовой паутине. Датчане сделали уверенный шаг в нужном направлении. В лаборатории в условиях комнатной температуры они показали, что время жизни квантового сигнала в мембране достигает 23 мс с вероятностью эффективного извлечения 40 % для классических когерентных импульсов.

«Мы ожидаем, что хранение квантового света станет возможным при умеренных криогенных условиях (T≈10 К). Такие системы могут найти применение в новых квантовых сетях, где они могут служить в качестве долгоживущих оптических квантовых накопителей, сохраняя оптическую информацию в фононном [звуковом] режиме», — поясняют разработчики в статье в журнале Physical Review Letters.

МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова», работающие над созданием технологий квантовых компьютеров с 2016 года, заявили о запуске первого в России контрактного производства сверхпроводниковых квантовых процессоров на 100-мм пластинах. Производство разместится в новом кампусе МГТУ и должно удовлетворить спрос со стороны основных заказчиков, в числе которых технологические компании и научные лаборатории.

Источник изображений: МГТУ им. Н.Э. Баумана

Технологии сверхпроводниковых квантовых схем в значительной степени отличаются от классического полупроводникового КМОП-процессора и требуют соответствующих компетенций при производстве. В НОЦ ФМН (совместный научный центр МГТУ и ВНИИА) осуществили переход от изготовления «отдельных кристаллов» к серийному выпуску за счёт использования собственной технологии сверхпроводниковых джозефсоновских схем, которая является одной из наиболее перспективных при создании высокоточных квантовых процессоров и параметрических усилителей. На одной пластине размещаются сотни чипов разных квантовых устройств, которые объединены единым технологическим маршрутом изготовления.

Разработчикам потребовалось несколько лет, чтобы осуществить переход на серию с соблюдением параметров качества квантовых устройств, которое было достигнуто на отдельных чипах. Специалисты сознательно не хотели снижать уровень качества и в конечном счёте даже смогли улучшить точность изготовления элементов квантовых схем в допуске 0,5 нм. Для масштабирования технологии и организации контрактного производства ещё предстоит дооснастить построенный в этом году в новом Бауманском кампусе исследовательский кластер, площадь чистых комнат которого составляет 2500 м², уже спроектированным оборудованием.

Одна из важнейших задач при постановке серийного техпроцесса заключалась в создании наноразмерных элементов сверхпроводниковых устройств — джозефсоновских переходов. Они представляют собой трёхслойную структуру, состоящую из алюминия, туннельного оксида алюминия и алюминия (Al-AlOx-Al), внутри которой «рождается» кубит при переходе чипа в состояние сверхпроводимости (охлаждение процессора до температуры ниже 273 ºС). Специалисты НОЦ ФМН использовали технологию изготовления джозефсоновских переходов с линейными размерами в десятки нанометров с суб-нанометровой точностью. За счёт этого удалось добиться рекордных показателей воспроизводимости электрических характеристик переходов и параметров кубитов процессоров на мировом уровне.

Для постановки технологии в серийное производство на пластине 100 мм командой исследователей предложена и внедрена математическая модель, симулирующая процесс воспроизводимого форматирования джозефсоновских переходов. Полученные результаты позволяют изготавливать квантовые интегральные схемы с высочайшей точностью контроля частот кубитов.

Считается, что в обычных световых импульсах напряженность электромагнитного поля меняется со временем по синусоиде. Другие формы поля считались невозможными, пока недавно российские физики не предложили теоретический подход, меняющий правила игры. Открытие позволит формировать световые импульсы треугольной или прямоугольной формы, что привнесёт много нового в работу схем квантовых компьютеров.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Как установили исследователи из Санкт-Петербургского государственного университета и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), изменить форму напряжённости электромагнитного поля в оптическом диапазоне можно с помощью неравномерного распределения плотности в среде, через которую пропускают импульсы сверхкороткой длительности в несколько фемтосекунд. Чем больше форм и разновидностей оптических импульсов получится создавать, тем более точным будет управление кубитами, например, в виде атомов и даже электронов.

Авторы работы теоретически смоделировали прохождение двух последовательных сверхкоротких оптических импульсов через газообразный натрий. Первичные импульсы были классической дугообразной формы, соответствующей половине периода обычной электромагнитной волны. По условиям моделирования импульсы проходили в среде путь длиной 5 мкм. Первый из импульсов передавал возбуждение атомам натрия, запуская их колебания, а второй останавливал их. Этот процесс вызывал отклик электромагнитного поля в виде двух пиков и с этим уже можно работать.

Исследователи предложили таким образом изменить плотность среды, чтобы плотность размещения атомов натрия менялась от малой к большой, затем шло плато, после чего плотность снова снижалась. Таким образом изменение плотности напоминало трапецию. После этого модель стала выдавать импульсы света строго прямоугольной формы. Меняя переход плотности среды на участках подъёма и спада с линейной на параболическую, учёные заставляли импульсы принимать треугольную форму.

Импульсы прямоугольной и треугольной формы. Источник изображения: Ростислав Архипов

«Мы теоретически показали, что, меняя распределение плотности в среде, через которую проходит оптический импульс, можно управлять его формой. Далее предстоит экспериментально проверить наши выводы. В дальнейшем мы планируем исследовать, как оптические импульсы разной формы будут влиять на состояние квантовых систем, которые лежат в основе квантовых компьютеров», — рассказал руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ростислав Архипов, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник физического факультета СПбГУ.

Добавим, работа по исследованию была опубликована в журнале Optics Letters.

Учёные из Чикагского университета стали первыми свидетелями явления, названного «квантовой суперхимией». Эффект давно был предсказан теоретически, но впервые наблюдался вживую только сейчас. В основе явления лежит коллективное поведение множества атомов, как одного большого атома. Такие «суператомы» будут вести себя иначе в химических реакциях и могут стать источником необычных материалов, что пригодится в сфере квантовых вычислений и не только.

Источник изображения: John Zich / University of Chicago

Отдельные атомы приобретают одинаковые квантовые состояния и становятся неотличимыми друг от друга при сильнейшем охлаждении — возникает так называемый конденсат Бозе–Эйнштейна. Предполагалось, что в таком состоянии облако атомов будет вести себя как один большой атом, что заставит те же химические реакции проходить по-иному. При обычных условиях пара атомов сталкивается и может образовать молекулу. Но что будет, если столкнутся «суператомы» — облака идентичных по своим квантовым свойствам атомов? Как минимум, это ускорит химические реакции, говорит теория. И учёные из Чикагского университета действительно увидели такие процессы.

«Вы больше не рассматриваете химическую реакцию как столкновение между независимыми частицами, а как коллективный процесс, — рассказали авторы исследования. — Все они реагируют вместе, как единое целое».

Прежде всего, отметим, идентичность квантовых состояний ведёт к тому, что атомы становятся квантово запутанными. После реакции взаимодействия «суператомов» образуются «супермолекулы» с такими же идентичными квантовыми состояниями, включая запутанность. Ценность таких «суперреакций» в том, что мы получаем возможность создать достаточно большие кубиты — размером от молекул до вполне осязаемых элементов квантовых компьютеров. Такой «суперкубит» будет меньше бояться случайных помех и сможет дольше удерживать квантовые состояния в процессе вычислений. Это своего рода вторжение или масштабирование квантовых микроявлений в наш макромир.

Это открытие может проложить путь к новым технологиям в области квантовой химии, квантовых вычислений и помочь учёным в изучении законов физики. Пока эта суперхимия проводилась только с двухатомными молекулами, но команда планирует расширить работу и включить в неё более сложные молекулы.

Физики из Университета Рутгерса предложили теоретические взгляды на эксперимент с участием «странного металла», который может сыграть решающую роль в развитии будущих квантовых технологий. Исследователи, изучающие соединение, называемое Y-ball, которое принадлежит к классу «странных металлов», считающихся ключевыми для разработки передовых квантовых материалов, обнаружили новые методы изучения и понимания его поведения.

Источник изображения: freepik

«Странные металлы» — это металлы, которые не подчиняются теории ферми-жидкости, которая описывает поведение электронов в обычных металлах при низких температурах. В странных металлах сопротивление пропорционально температуре вблизи абсолютного нуля, тогда как в обычных после сверх проводящей фазы идет резкий рост сопротивления. Это состояние вещества можно назвать промежуточным между проводником и диэлектриком. В качестве примера «странных металлов» можно привести купраты.

В журнале Science международная группа исследователей из Рутгерса, Университета Хиого и Токийского университета в Японии, Университета Цинциннати и Университета Джона Хопкинса описала детали движения электронов, которые дают новое представление о необычных электрических свойствах Y-ball. Материал, технически известный как соединение YbAlB4, содержит элементы иттербий, алюминий и бор.

Анализируя материал с помощью метода, известного как мессбауэровская спектроскопия, учёные исследовали Y-ball с помощью гамма-лучей, измеряя скорость, с которой колеблется электрический заряд металла. В обычном металле, когда электроны движутся, они переходят из атома в атом, вызывая колебания их электрического заряда, но со скоростью, в тысячи раз превышающей скорость, которую можно увидеть с помощью мессбауэровской спектроскопии. В данном случае изменение произошло за наносекунду, миллиардную долю секунды.

Учёные рассказали, что, когда Y-ball и другие «странные металлы» охлаждаются до низких температур, они часто становятся сверхпроводниками, вообще не проявляя сопротивления. В это семейство попадают материалы с самыми высокими температурами сверхпроводимости. Таким образом, эти металлы очень важны, потому что они обеспечивают основу для новых форм электронной материи и высокотемпературных сверхпроводников.

Ожидается, что сверхпроводящие материалы будут играть центральную роль в следующем поколении квантовых технологий, потому что, устраняя все электрические сопротивления, они позволяют электрическому току течь квантово-механически синхронизированным образом.