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

Биты квантового мира

О том, какие бывают кубиты и какие из них прямо сейчас борются за лидерство в «квантовой гонке»

Гонка за тем, чтобы достичь квантового превосходства, в самом разгаре. Кто в ней участвует? На чем, собственно, гоняются? «Чердак» попросил физика Евгения Глушкова рассказать о базовых «кирпичиках» квантовых вычислительных машин и принципах, которые те используют в своей работе.
Добавить в закладки
Комментарии

Конечная цель этого соревнования заманчива и амбициозна: квантовые алгоритмы сулят существенный выигрыш в скорости решения нескольких весьма ограниченных, но очень важных и насущных задач — от информационной безопасности до моделирования новых материалов и лекарственных соединений. Интерес к области подогревают и все увеличивающиеся объемы инвестиций, причем как на государственном уровне (США, Китай, Россия, Австралия, Великобритания), так и со стороны частных компаний (IBM, Intel, Microsoft). Количество действующих лиц, лабораторий, исследовательских институтов и стартапов начинает зашкаливать, сориентироваться в потоке ежедневно поступающих новостей становится все труднее. Давайте разбираться.

Больше, чем бит

Для начала попробуем наглядно объяснить смысл этих самых так часто встречаемых слов (если он вам и так прекрасно известен, смело прыгайте на три абзаца вперед). Итак, квантовый бит, или, как его часто сокращенно называют, кубит, — это аналог классического бита в квантовом мире. Квантовым миром мы будем называть любые объекты и явления, происходящие на масштабах, где законы классической физики перестают работать и к ним на смену приходят законы квантовой физики. Обычно требуется только для очень-очень маленьких объектов — элементарных частиц, атомов, молекул. На больших масштабах квантовые эффекты размазываются и плавно переходят в законы привычной нам ньютоновской физики (хотя и здесь есть, конечно, исключения, а сама граница такого перехода активно исследуются на переднем крае науки).

С классическом битом мы все знакомы довольно неплохо как минимум на практике — это нули и единички, которыми оперируют наши компьютеры; орел и решка, выпадающие при подбрасывании монетки; выключатели света, которые так сложно бывает найти в темноте. Всех их объединяет возможность находиться в одном из двух состояний, и определить его не составляет особого труда. Берем и проверяем: горит лампочка или нет? Квантовый же бит — объект гораздо более необычный. [ ... ]

Читать полностью

«В стадии мирной коллаборации»

Один из создателей Российского квантового центра — о перспективах квантовых компьютеров

Громких заголовков про успехи квантовых компьютеров появляется все больше: одни ученые сделали рабочий кубит — элемент квантовой информации, другие — собрали компьютер на десяти кубитах, третьи — показали преимущество квантовых компьютеров над обычными в некоторых частных задачах. Как разглядеть за этим гигантскую историю, меняющую весь мир, рассказывает Сергей Белоусов, генеральный директор компании Acronis и один из основателей Российского квантового центра.
Добавить в закладки
Комментарии

Основа обычных компьютеров — бит — это некоторый объект, который может находиться в двух взаимоисключающих состояниях: либо «0», либо «1». Бит может кодироваться, например, напряжением полупроводникового транзистора: если оно больше некоторого значения, то значения бита — логическая «1», а если меньше — то логический «0». Память компьютера — это массив битов, а все вычисления — определенные операции, изменяющие состояния битов.

Кубиты в отличие от битов могут находиться одновременно сразу в двух логических состояниях. Если бы кубит можно было построить на полупроводником транзисторе, то такой транзистор при попытке измерить его напряжение с определенной вероятностью выдал бы логическую единицу, а с другой, тоже ненулевой вероятностью, — логический ноль. Но получить кубит на транзисторе невозможно, поскольку напряжение на нем всегда определяется однозначно — вместо этого их делают на различных миниатюрных системах, поведение которых описывается законами квантовой физики. Здесь есть два основных направления: одни группы работают с кубитами на основе микроскопических сверхпроводящих колец (логические «0» и «1» кодируют направления тока по кольцу, ток в такой системе может одновременно течь как по часовой, так и против часовой стрелки), а другие — на основе атомов, охлажденных до температуры в несколько кельвин («0» и «1» — это разные энергетические состояния атомов).

В перспективе вычислительная мощность квантовых компьютеров значительно превосходит мощности компьютеров обыкновенных. Если система из двух битов кодирует только два состояния, то система из двух кубитов — сразу четыре (каждый кубит по отдельности одновременно и «0» и «1», а значит два кубита одновременно в четырех состояниях — «00», «01», «10», «11»), а система из 10 кубитов будет кодировать 210, то есть 1024 состояний. При этом вычислительные операции над каждым из этих состояний можно совершать параллельно, и поэтому квантовый компьютер в каком-то смысле — это огромный массив параллельных процессоров

В качестве возможных применений квантовых компьютеров разработчики чаще всего говорят о моделировании различных физических процессов — это очень большие вычислительные задачи, которые не под силу классическим компьютерам. Кроме этого, квантовые компьютеры часто упоминают в контексте кибербезопасности, поскольку многие современные методы шифрования могут быть легко взломаны за счет квантовых вычислений. [ ... ]

Читать полностью

Репортаж из облака

Корреспондент «Чердака» побывала в Институте экспериментальной метеорологии, где ученые создают облака и туманы, чтобы их изучать

Ученые интересовались облаками не век и не два: наблюдали, классифицировали, описывали поведение и его эффект на погоду. Но этого им, конечно же, было мало — и они начали создавать облака сами, в лаборатории. В Институте экспериментальной метеорологии «НПО «Тайфун» в Обнинске находится уникальная, единственная в мире установка, которая умеет делать облака и туманы. Корреспондент «Чердака» побывала в институте и посмотрела на то, как именно выглядит создание облаков в лабораторных условиях.
Добавить в закладки
Комментарии

Всю дорогу льет как из ведра.

Под конец пути навигатор не выдерживает и начинает водить нас кругами — то отправляет дворами , то заводит в тупик. Пока мы блуждаем по лабиринту города, за нами пристально следит метеомачта.  

Метеомачта Федорова, ОбнинскСашок / wikimedia commons / CC BY-SA 3.0

Когда мы находим наконец  правильную дорогу и выходим к институту, то нас уже ждут. У входа собралась группа — ее встречают двое: один в возрасте, в плаще, панаме и толстых очках, балагурит и с интересом нас рассматривает, другому — в костюме и с озабоченным лицом — сейчас явно не до шуток. [ ... ]

Читать полностью