Текст уведомления здесь

Большое, но квантуется

Как физики пытаются нащупать границу между макро- и микромиром, создавая «котят Шредингера»

Что такое «квантовый объект»? Можно ли сделать такой объект видимым хотя бы в микроскоп и если можно, то зачем это надо? «Чердак» этим летом посетил лекцию Михаила Фейгельмана, заведующего кафедрой «Проблемы теоретической физики» факультета общей и прикладной физики МФТИ, и задал исследователю ряд вопросов о возможных приближениях к коту Шредингера.
Добавить в закладки
Комментарии

Мысленный эксперимент, предложенный Эрвином Шредингером, выглядит так: в закрытой коробке находятся кот и механизм, который с вероятностью 50% может убить животное. Пока коробка не открыта, кот одновременно жив и мертв, и лишь после того, как коробку вскрывают, кот оказывается либо мертвым, либо живым. В результате эксперимента, конечно, ни одного кота не пострадало. Этим рассуждением физик хотел всего лишь показать проблематичность переноса принципов квантового мира на привычные нам масштабы. Настоящий кот не может быть в двух состояниях одновременно, а вот квантовые системы действительно возможно описать только с использованием понятия «суперпозиции состояний». Иными словами, квантовая частица — скажем, фотон — может проходить через два отверстия одновременно или иметь одновременно и вертикальную, и горизонтальную поляризацию.

Квантовая частица может и проникать через барьер, который для нее должен быть непроницаем с точки зрения классической механики — мяч строго всегда отскакивает от стены, а если бы макромир «квантовался», то все было бы не так. Еще квантовые системы скачком переходят из одного состояния в другое — например, увеличивая или уменьшая свою энергию без того, чтобы в какой-то момент принять промежуточное значение.

Квантовый лифт, например, никогда бы не находился между этажами, он мог бы быть только на втором или на первом, но никак не посередине.

Несмотря на то что многие квантовые модели кажутся противоречащими здравому смыслу, они очень хорошо работают, то есть с их помощью можно рассчитать характеристики реальных объектов и сделать это очень точно. Квантовая электродинамика на сегодня является самой точной теорией в истории человечества, а на практических следствиях из законов квантовой механики построены массовые технологии — без нее не было бы ни компьютеров, ни интернета, ни всех привычных нам гаджетов.

Квантовое, но большое

Квантовая механика изначально описывала молекулы, атомы или еще меньшие объекты — например, электроны. Однако в последние десятилетия физики находят все больше систем, которые ведут себя как квантовые, при этом будучи крупнее, чем отдельные молекулы или атомы. Если один атом имеет размер порядка десятой доли нанометра (0,032-0,235 нм), то некоторые из квантовых систем могут иметь и десятки микрометров (1 мкм = 1000 нм) в поперечнике!

Правда, увидеть «квантовые чудеса» — пусть даже под микроскопом — не выйдет.

Квантовая природа таких больших квантовых систем — как их иногда называют, «котят Шредингера» — проявляется не в том, что они как единое целое внезапно туннелируют сквозь препятствия или расплываются облачком своих вероятностей подобно электронным оболочкам с рисунков в учебнике химии.

Заметить «квантовость» подобных объектов можно только в результате измерений, причем часто довольно тонких и неочевидных.

В качестве примера большой квантовой системы Михаил Фейгельман (профессор, доктор физико-математических наук, выпускник МФТИ 1977 года) называет наночастицу алюминия — шарик диаметром в 20 нанометров. Если ее использовать в качестве обкладки электрического конденсатора и заземлить через очень большое сопротивление, то она будет отдавать или принимать электрический заряд не непрерывно, а отдельными электронами. «Из таких шариков поначалу пытались делать кубиты, вычислительные элементы квантовых компьютеров, — рассказывает физик, — однако потом нашлись гораздо более удачные примеры». Этот наношарик можно сфотографировать при помощи электронного микроскопа, его форма вполне определена — с точки зрения механики перед нами именно классическое тело, которое никуда не исчезает и демонстрирует привычное для нашего мира поведение.

Квантовые свойства можно также обнаружить у сверхпроводящего контура, разделенного на несколько частей тонкими зазорами из диэлектрика. Зазоры, также называемые джозефсоновскими контактами, должны были бы полностью блокировать прохождение тока, однако в квантовой механике носители заряда способны проникать через подобные преграды за счет туннельного эффекта. Квантовые свойства электронов приводят к тому, что и джозефсоновский контакт ведет себя «по-квантовому», и сверхпроводящее колько с двумя такими контактами превращается в объект, чьи электрические (но не механические!) свойства уже невозможно понять без квантовой механики.

Схематическое изображение джозефсоновского контакта: серые детали из сверхпроводника разделены изолятором (черный). С точки зрения классической электродинамики ток через контакт течь не может, но «квантующиеся» электроны иногда туннелируют через барьерИзображение: Tls60 / wikimedia commons / CC BY 4.0

Холодные недотроги

На сегодняшний день физики научились создавать устройства, которые при гигантских (по меркам отдельных атомов) размерах проявляют отдельные свойства квантовых объектов. Но чем больше система, тем сложнее заставить ее продемонстрировать подобное поведение — большинство экспериментов такого рода ставят в криостатах, охлаждаемых до близких к абсолютному нулю температур, а эффекты вида «накопление заряда идет не плавно, а порциями» или «при изменении магнитного поля резко меняются показания вольтметра» очевидно проигрывают в зрелищности тому, что можно увидеть в фантастических фильмах. С этим уже ничего не сделать: «квантовость» пропадает при переходе к мало-мальски привычным нам масштабам.

Где же именно находится грань между мирами? Михаил Фейгельман дает следующий ответ: граница проходит не столько по размерам системы, сколько по ее энергетическим характеристикам. «Квантовые объекты имеют дискретный спектр энергии, — пояснил ученый, показав диаграмму с серией горизонтальных линий. — У них есть отдельные энергетические уровни. Если теперь мы возьмем систему побольше, то спектр становится непрерывным, энергия может быть какой угодно». Именно это, а не масса или размер играет, по словам исследователя, ключевую роль в разделении квантового и классического.

Второй, не менее важный, момент — взаимодействие рассматриваемого объекта с внешним миром. Чем оно активнее, тем менее «квантовой» оказывается система; ее состояние разрушается тем быстрее, чем сильнее контакт с окружающей средой. Поэтому настоящие квантовые объекты вряд ли получится потрогать руками. Кроме того, их необходимо охлаждать до очень низких температур, чтобы нужные эффекты — скажем, квантование заряда на наночастице — не потонули в тепловых шумах. Температура таких систем в большинстве случаев составляет всего несколько градусов Цельсия выше абсолютного нуля (-273°C). Но есть и исключения.

Как уточнил Михаил Фейгельман, в отдельных экспериментах удалось продемонстрировать эффект кулоновской блокады даже при комнатной температуре. Суть эффекта заключается в том, что заключенная между двумя туннельными контактами наночастица из-за наличия на ней дополнительного электрона не пропускает через себя ток: электроны, которые могли бы попасть на частицу, отталкиваются создаваемым ей электрическим полем. Такие наночастицы ведут себя подобно отдельным атомам, однако при этом имеют гораздо большие размеры — около нескольких нанометров в поперечнике.

От рекордов к практике

Пример квантовой системы в виде сверхпроводящего кольца с джозефсоновскими контактами показал, что даже не самый интересный квантовый эффект можно использовать не только для поисков границы перехода квантовой механики в классическую. Проскакивание электронов через изолирующие барьеры за счет туннельного эффекта уже приходится учитывать при создании современной микроэлектроники, не говоря уж о перспективных вычислительных системах.

Особая логика поведения квантовых объектов — пусть даже их «квантовость» проявляется не во всем — позволяет реализовать алгоритмы, основанные на логических операциях с суперпозициями состояний, то есть не с нулями и единицами, а с их комбинацией. Если классическая вычислительная ячейка в обычном компьютере пребывает в строго определенном состоянии и хранит либо 0, либо 1, квантовый компьютер будет иметь элементы, которые одновременно находятся и в нулевом, и в единичном состоянии.

Квантовые алгоритмы, вопреки часто встречающемуся мнению, не обещают тотальной революции нашей повседневности. Так, они вряд ли когда-нибудь заменят процессоры в телефонах, планшетах и настольных компьютерах. Однако есть ряд задач, где переход от классических вычислений к квантовым обещает ускорение расчетов на уровне «займет две минуты вместо тысячи лет», причем это не только задачи, интересные исключительно математикам. Это и расшифровка тех криптографических ключей, что повсеместно используются сегодня, и, что вполне закономерно, моделирование квантовых систем. Первое сулит переворот в криптографии вкупе с необходимостью менять существующие протоколы, а второе сулит переворот в науках о материалах и смежных областях — вплоть до фармакологии, где часто нужно предсказать взаимодействие молекул лекарств с теми или иными мишенями в организме.

Зачем гнаться за размерами?

К квантовым системам, которые были бы больше отдельных молекул, человечество подходит со стороны микроэлектроники. С одной стороны, уже сегодня серийные микропроцессоры содержат транзисторы с характерным размером 14 нанометров, в то время как квантовые эффекты вроде туннелирования тока между проводниками серьезно вмешиваются в работу устройств и больших размеров. С другой же стороны, ученые хотят создать квантовые компьютеры, а для них нужны квантовые объекты, которыми удобно манипулировать.

Мы уже умеем изолировать отдельные атомы: при помощи магнитных ловушек и лазеров можно прицельно управлять их энергетическим состоянием. Но такие ловушки имеют вовсе не микроскопические размеры сами по себе, и, главное, большим количеством таких кубитов управлять очень сложно. Кубиты для квантового компьютера хорошо бы иметь в виде миниатюрной системы с возможностью непосредственно соединять отдельные элементы напрямую, как классические транзисторы, и на эту роль гораздо лучше подходят те же сверхпроводящие системы.

Кроме того, квантовые эффекты удалось продемонстрировать даже на микроскопических механических системах. Так, весной 2018 года международная группа физиков описала способ «запутать» два колеблющихся зеркала диаметром менее десятой доли миллиметра каждое. «Запутывание» означает, что эти два объекта начали вести себя как одно целое — с точки зрения квантовой механики это одна система, причем обладающая всеми подобающими квантовому миру свойствами.

Запутанные фотоны, посылаемые одновременно в два разных места — иногда за сотни километров друг от друга и даже со спутника на Землю — позволяют реализовать квантовую связь, которая абсолютно защищена от подслушивания. При попытке перехватить сообщение злоумышленник неизбежно разрушит запутанность спаренных фотонов, и это будет обнаружено получателем. Опытные образцы линий квантовой связи уже испытываются на практике, причем это уже не связь между лабораториями, а, например, испытания в двух московских отделениях Сбербанка. Как можно видеть, вопрос о том, где проходит граница между квантовым миром и классическим, уже вышел за пределы сугубо теоретического.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Рождение объектива

Фоторепортаж с Красногорского завода имени С.А. Зверева — родины знаменитых «Зенитов»

Марка «Зенит», знакомая каждому российскому фотолюбителю, недавно напомнила о себе: в сотрудничестве с германской Leica российский производитель создал цифровой фотоаппарат премиум-сегмента. Собирается новый «Зенит М» в Красногорске, на знаменитом заводе, входящем сегодня в состав холдинга «Швабе». Корпус аппарата приезжает из Германии, а объектив с нуля собирается в России; отсюда же выходят готовые фотоаппараты с надписью «designed in Krasnogorsk». «Чердак» съездил на завод, чтобы своими глазами посмотреть на производство.
Добавить в закладки
Комментарии

Стекло для производства объективов приезжает на Красногорский завод с другого завода холдинга — Лыткаринского завода оптического стекла. Это не обычное стекло, из которого делают стекла или стаканы. Главная особенность оптического стекла — высокое пропускание света и максимальная чистота, то есть отсутствие каких бы то ни было посторонних включений.

Подробнее о том, как производится стекло на ЛЗОС, читайте в другом фоторепортаже «Чердака»

Стеклянные заготовки, подготовленные к обработке в оптическом цехеВалерий Шарифулин/ТАСС
[ ... ]
Читать полностью

Огонь, металл, люди

Фоторепортаж о металлургических заводах и лабораториях НИТУ «МИСиС»

Нет ничего привлекательнее, чем смотреть на огонь. Нет ничего приятнее, чем смотреть на огонь укрощенный. Нет ничего полезнее, чем работающий на человека огонь. «Чердак» решил выяснить и рассказать, что происходит с огнем в лабораториях, как и чем он может послужить науке.
Добавить в закладки
Комментарии
Сергей Гнусков / НИТУ «МИСиС»

[ ... ]

Читать полностью

Диджитальные гуманитарии и где они обитают

Репортаж с III Московско-тартусской школы по цифровым гуманитарным исследованиям

На III Московско-тартусской школе сотня гуманитариев на протяжении четырех суток программировала, работала с базами данных, занималась сетевым анализом. Зачем? Корреспондент «Чердака» тоже побывала на школе, чтобы ответить на этот вопрос.
Добавить в закладки
Комментарии

От детской поэзии до списков НКВД

Впрочем, просто понаблюдать не удалось. «Приезжайте участвовать», — ответили организаторы. Оправдания, что я журналист, а по образованию и вовсе психолог, не помогли.

Выбираю одно из направлений и сразу получаю указания — установить среду программирования на Python и еще парочку программ для обработки и визуализации данных с незнакомыми мне названиями.

Школа по digital humanities проводится здесь уже третий год подряд. Формат устоявшийся: лекции о том, как трансформируется гуманитарное знание в цифровом мире, и практика. [ ... ]

Читать полностью