Новые эксперименты раскрывают возможности крупномасштабных квантовых устройств

Исследователи впервые продемонстрировали квантовую запутанность в механических системах. Концепцию одного из таких экспериментов художник изображает, как световое поле интерферометра, «переносящего» запутанное состояние. Фото предоставлено: Институт нанонауки им. Кавли, Делфтский технологический университет / Мориц Форш.

Запутанность — противоречивая идея состоящая в том, что частицы могут быть связанными независимо от расстояния между ними. Это явление остается одним из самых странных и наименее понятных следствий квантовой механики. Если измерить квантовое свойство одной из пары запутанных частиц, то свойство другой мгновенно изменится.

Такие странные явления обычно возникают на субатомном уровне. Но недавно физики продемонстрировали запутанность и другие квантовые эффекты в крайних формах, наблюдая их в больших системах, включая облака атомов, квантовые барабаны, проводники и кремниевые чипы. Устройство за устройством они переносят квантовый мир на новую территорию — в макроскопический мир.

Эти работы находят новые приложения. Некоторые экспериментальные квантовые компьютеры используют петли сверхпроводящих проводников в качестве кубитов хранящих квантовую информацию. Большие квантовые объекты уже использовались, чтобы помочь обнаружить гравитационные волны; они могут появиться в устройствах следующего поколения, таких как сверхчувствительные датчики и системы шифрования. Эти инновации, однако, выходят далеко за рамки передовых технологий. Построение все больших и больших квантовых объектов повышает возможности исследования некоторых из неразгаданных тайн на пересечении между квантовым и классическим мирами, и между квантовой механикой и гравитацией.

Два мира

С тех пор, как австрийский физик Эрвин Шредингер впервые описал дуализм волны и частицы 90 лет назад (1), физики исследуют границу между наблюдаемым, предсказуемым макроскопическим миром и миром, в котором действуют вероятностные квантовые законы. В квантовом мире частица существует как волна описывающая вероятность ее местоположения. Однако после измерения частица локализуется в определенной точке пространства.

Кроме того, квантовая частица может находиться в суперпозиции двух квантовых состояний с некоторой вероятностью нахождения в каждом из них. Например, электрон может находиться в суперпозиции высокого и низкого энергетических уровней. Когда производится измерение, это состояние разрушается, и наблюдается, что электрон находится только на одном из уровней. Согласно квантовой механике акт измерения изменяет систему.

То же и с запутанными парами. Измерение свойства одной приводит к изменению свойства другой, независимо от того, как далеко они находятся. Все это противоречит надежным ньютоновским законам, которые управляют нашим макроскопическим миром, в котором объект может быть надежно обнаружен в одном месте.

Квантовые правила применяются к отдельным атомам и другим частицам микромира, но из крошечных атомов состоит все вокруг, поэтому понятно, что эти эффекты должны масштабироваться. Но насколько далеко?

«Большинство людей полагает, что нет жесткой границы, за которой внезапно все меняется и квантовая механика перестает действовать», — говорит физик Саймон Греблахер из Университета Делфта (Нидерланды). «Но если мы столкнемся с жестким ограничением, — отмечает Джон Тойфель из Национального института стандартов и технологий (Боулдер, Колорадо), — это будет одной из самых захватывающих находок в этой области».

Некоторые физики предложили такой предел. Согласно так называемым теориям объективного коллапса ВФ, еще неоткрытые законы природы объясняют эту загадку не прибегая к идеи, что наблюдение изменяет систему. Английский математик и физик Роджер Пенроуз предположил, что коллапс ВФ является следствием гравитации, поэтому системы больше определенной массы никогда не должны демонстрировать квантовое поведение (2). Теория Гирарди-Римини-Вебера (GRW), опубликованная в 1986 году, гласит, что ВФ частицы может просто спонтанно коллапсировать (3). Это очень редкое событие для отдельной частицы, но в большой системе, состоящей из миллиардов или более запутанных частиц, коллапс для одной из них вскоре приведет к коллапсу остальных. «Поскольку коллапс носит случайный характер, можно только догадываться, какой должна быть подходящая система», — говорит Мика Силланпяя из Технологического университета Лахти (Миккели, Финляндия) — «Она может быть массой в миллиграмм или с массой Земли».

Квантовый беспредел

Физики продолжают спорить о том при каких размерах микроскопический мир переходит в макроскопический, и как количественно оценить это изменение. «Это сложный вопрос, и вы получите разные ответы от разных специалистов», — говорит физик Джонатан Фридман из колледжа Амхерст (Массачусетс).

Несмотря на это физики-экспериментаторы демонстрируют квантовые эффекты во все более сложных областях. Это вовсе не просто. Квантовые эффекты быстротечны, тонки и чувствительны, заглушаются даже малейшей вибрацией или термодинамическими флуктуациями. Чтобы их наблюдать требуются экспериментальные установки полностью изолирующие систему от тепла и шума внешнего мира.

В течение многих лет исследователям удавалось успешно уменьшать этот шум, наблюдая отдельные субатомные частицы и даже крупные атомы в запутанных состояниях. Выделение квантовых эффектов — это вопрос не столько размера, сколько сложности. Наблюдение за любой системой от отдельных атомов, до микроскопических барабанов означает подавление шума всех движущихся частей, чтобы квантовые эффекты могли выйти на сцену. Самой шумной переменной обычно является тепло: «температура одна из причин шума, который будет маскировать некоторые из тех эффектов и сигналов, которые вы ищете», — говорит Тойфель. И продолжает, что многие недавние демонстрации крупномасштабных квантовых эффектов основываются на методах, использованных для замораживания шума в отдельных атомах: «мы используем те же самые изящные методы, но не для отдельных атомов, а для квадриллионов атомов, чтобы сделать вещи, которые ближе к инженерным устройствам, которые мы можем наблюдать и использовать.»

Один из подходов использует петлю из сверхпроводящей проволоки, диаметром обычно около микрометра, прерываемую соединениями из несверхпроводящего материала. Сверхпроводимость означает, что электроны текут по контуру без сопротивления, и ток может быть измерен в этих переходах.

Физики могут использовать магнитные поля, чтобы заставить ток течь в обоих направлениях вокруг кольца одновременно. Это не означает, что половина течет в одну сторону, а половина в другую; все электроны действуют как один и одновременно движутся по часовой и против часовой стрелки. В 2000 году Фридман был участником группы, которая добилась наибольшей величины магнитного потока в суперпозиции. «Я думаю, что все еще держу мировой рекорд, хотите верьте, хотите нет», — говорит он.

Совсем недавно физики использовали сверхпроводящие петли для создания кубитов, которые хранят квантовую информацию с помощью магнитного потока. При правильной настройке эти потоковые кубиты могут показывать квантовые эффекты удивительного уровня. В 2016 году международная группа физиков использовала эти кубиты, чтобы исключить теории, которые предсказывали коллапс ВФ для определенных токов и временных масштабов (4). В частности, квантовые законы продолжали действовать в их кубите при токе 170 наноампер, по крайней мере, в течение 10 наносекунд. Эти измерения опровергают теории, которые требуют, чтобы коллапс ВФ происходил на этих или меньших масштабах.

Механические системы также являются привлекательными мишенями для воспроизведения квантовых явлений. В Делфте Греблахер достиг запутанности в масштабах приближающихся к макромиру, используя мембраны диаметром 1 миллиметр, которые могут вибрировать в течение нескольких минут после толчка, что делает их привлекательными для тестирования механической запутанности. Греблахер предполагает использовать такую систему в будущем, чтобы поместить живой организм в квантовую суперпозицию. Для этого эксперимента потребуется чрезвычайно маленькое существо вроде тихоходки. «Это показало бы, что даже такие сложные системы могут подчиняться законам квантовой физики», — говорит он.

Совсем недавно группа Греблахера проводила эксперименты на устройстве, состоящем из двух кремниевых чипов, охлажденных почти до абсолютного нуля. Каждый чип имеет вытравленный крошечный канал длиной всего около 10 микрометров. Эти каналы действуют как механические генераторы, которые могут преобразовывать свет в движение. Когда на них падает свет они расширяются и сжимаются с почти идеально подобранной частотой. Также они переводят движение обратно в свет: генератор испускает фотон в той же точке, где он поглотился, но движется в противоположном направлении.

После размещения чипов на расстоянии 20 сантиметров друг от друга исследователи посылали лазерные импульсы через светоделитель, который посылал свет на генераторы. Этот свет заставлял вибрировать один из двух генераторов. Затем он испустил фотон, который прошел через другой светоделитель, и дальше к детектору. Эксперимент был поставлен таким образом, что одно возбуждение было разделено между осцилляторами. «Мы точно знаем, что один из них возбужден, но мы не можем сказать в принципе, какой именно, пока не измерим их», — говорит Греблахер. Исследователи не могут сказать, какой осциллятор был возбужден, не разрушая запутанное состояние (5).

Запутанность была продемонстрирована ранее, но в гораздо меньших системах — от отдельных атомов, до облаков охлажденных газов состоящих из тысяч атомов. В последующих результатах, опубликованных в ноябре прошлого года, физики использовали ту же схему, чтобы доказать, что запутанность удовлетворяла теореме Белла (6). Грубо говоря, теорема гласит, что запутанные квантовые состояния более сильно коррелируют, чем допускают законы классической физики. Для такой большой системы подобное исследование было первым, которое удовлетворяет теореме Белла. «Это один из способов, с помощью которого механические системы расширяют границы», — говорит Греблахер.

Греблахер считает, что это показывает способ использования волоконной оптики и кремниевых чипов для построения квантовых сетей. В этом году его группа показала, как эта экспериментальная установка может работать с излучением в диапазоне частот используемом в телекоммуникации (7).

Но есть и препятствия. Когда дело доходит до таких демонстраций главной проблемой является уменьшение воздействия тепла. Например, система Греблахера требует, чтобы температура была близка к абсолютному нулю. Температура — это мера того, как быстро движутся отдельные атомы, и чем больше движение, тем труднее наблюдать квантовые эффекты. Физики разработали инструменты для уменьшения этого движения, включая лазерное охлаждение, при котором лазерные лучи захватывают атомы и обменивают электроны с высокой энергией на электроны с более низкой энергией, и испарительное охлаждение, которое откачивает атомы с самой высокой энергией, подобно тому, как испаряющийся пар охлаждает чашку чая.


Охлаждая этот алюминиевый барабан, который имеет диаметр всего 20 микрометров и толщину 100 нанометров, почти до абсолютного нуля, исследователи уменьшили тепловой шум, позволив проявиться квантовым эффектам. Этот метод может быть полезен в таких приложениях, как квантовые датчики или квантовые компьютеры. Изображение представлено: Национальный институт стандартов и технологий / Джон Тойфель.

Ударяя в квантовый барабан

В апреле прошлого года группа, возглавляемая Силланпяя из Технологического университета Лахти, представила еще один способ показать запутанность механических систем. Его группа использовала крошечные барабаны: алюминиевые мембраны, состоящие ~10^12 атомов и имеющие ~15 микрометров в диаметре, которые могли вибрировать. Они охлаждались почти до абсолютного нуля. Физики гасили механические колебания с помощью микроволн, так чтобы оставались только квантовые флуктуации (8).

Анализируя микроволны и вибрации физики установили, что мгновенные положения барабанов были запутаны. Если один барабан был измерен в положении 1, то другой сразу же принимал положение 2. Запутанность сохранялась до тех пор, пока барабаны оставались под действием микроволн.

Поначалу этот эффект был не очевиден. «Это было не то, что мы могли увидеть сразу. Мы не понимали этих данных, поэтому пригласили в команду несколько хороших теоретиков, которые занялись поиском объяснения», — говорит Силланпяя. По его словам, спустя более года работы, анализ показал, что одну вибрацию невозможно измерить, не воздействуя на другую.

Эти большие квантовые системы подкрепляют веру в странность квантовых правил. Они указывают на то, что разделение между квантовым и классическим мирами это не столько граница, как в теориях объективного коллапса, сколько маскировка. «Люди пытались найти какие-то фундаментальные принципы, которые ограничивали бы квантовую механику», — говорит специалист по конденсированным состояниям Алексей Безрядин из Иллинойского университета (Урбана-Шампейн, Иллинойс). «Но до сих пор ни один эксперимент не может найти этот фундаментальный предел.» Подобные тесты подтверждают идею того, что для квантовой когерентности нет предела, а если и есть, то он выходит далеко за рамки проведенных экспериментов.

Также эти эксперименты не могут позволить человеческому глазу непосредственно наблюдать, как выглядит система находящаяся в двух квантовых состояниях одновременно. Например, независимо от того насколько велики эти механические системы и насколько сильны квантовые эффекты, человеческий глаз никогда не увидит объект в двух местах одновременно (однако можно собрать статистику исходов таких измерений, как, например, планируется в этих экспериментах с однофотонным источником, и посмотреть результат — прим. переводчика).

Поиск подходящих материалов

Силланпяя говорит, что теперь его цель показать запутанность в миллиметровом масштабе. Большой проблемой является поиск подходящих материалов.

«Хотя многие вещи легко работают на бумаге, они не такие, когда вы приносите их в лабораторию», — говорит Силланпяя. До тех пор, пока материал не будет идентифицирован, очищен, исследован, охлажден и облучен лазерами, физики не будут знать, имеет ли он структуру, которая может использоваться в больших квантовых устройствах. В Иллинойском университете Безрядин разрабатывает материалы и методы, для разработки таких квантовых устройств, как сверхпроводящая нанопроволока (9).

Он говорит, что наиболее полезными материалами, на которых исследуются квантовые эффекты являются те, которые могут сохранять когерентность, как можно дольше. Даже при охлаждении почти до абсолютного нуля некоторые материалы по-прежнему сохраняют слишком много шума, возникающего из-за взаимодействия атомов или загрязнений, что не позволяет использовать их для исследования квантового поведения.

Создание больших квантовых устройств зависит от важного баланса. С одной стороны, атомы должны быть изолированы, чтобы квантовые эффекты не исчезали. С другой стороны, они должны быть чувствительны к командам и данным. Например, в квантовом компьютере кубит должен «общаться» с другими кубитами, и одновременно взаимодействовать с внешним миром.

«Если он абсолютно недоступен для окружающей среды, его невозможно использовать», — говорит Безрядин. По его словам, поиск материалов соответствующих этим критериям, является „бутылочным горлышком“ этой области. Но физики используют вычислительные средства и модели для прогнозирования и разработки материалов, которые помогают преодолеть это препятствие. Безрядин надеется, что, как и узкие места в прошлом, физики преодолеют и это.

В дополнение к поиску подходящих материалов, физики должны усовершенствовать свои рецепты для создания устройств и больших систем, которые демонстрируют квантовые эффекты. Например, в NIST Теуфель потратил годы на разработку способа получения квантовых эффектов на алюминиевых барабанах, которые, по крайней мере для квантовых систем, является гигантским — он содержит ~10^15 атомов (10). Его группа нашла способы охладить эту систему до все более низких температур приближающихся к абсолютному нулю. Их подход состоит в том, чтобы медленно устранять шумовые флуктуации, которые могут затенять квантовое поведение. А поскольку барабан встроен в схему, он может быть полезен в таких приложениях, как компьютеры, которые имеют квантовые и классические части.

Запрягая квантового коня

Квантовые компьютеры являются приложениями, которые получат выигрыш от использования квантовых эффектов в макромире в первую очередь. Запутанные потоковые кубиты позволяют создать экспериментальные квантовые компьютеры, которые могут делать то, что не могут делать классические.

Кроме того, существуют детекторы фотонов, такие как сверхпроводящая нанопроволока, созданная в 2017 году инженерами из Университета Дьюка (Дарем, Северная Каролина). Безрядин был пионером в создании подобных сверхпроводящих нанопроволок с использованием углеродных нанотрубок. Будущая квантовая коммуникационная сеть может потребовать ретрансляторы, и эти устройства могут использовать крупномасштабные квантовые эффекты, для ретрансляции запутанных состояний. Точность атомных часов связана с облаком запутанных частиц, и чем больше запутанных частиц, тем стабильнее часы.

Потрясающая возможность также открывается в связи с важным вопросом фундаментальной физики: как квантовая механика связана с гравитацией, наименее понятной из всех сил природы? Сверхпроводящие петли вряд ли помогут ответить на этот вопрос, потому что ток не обладает достаточной массой, чтобы гравитация стала заметной. Более крупные механические устройства, однако, не смогут избежать влияния гравитации. «Если поместить массивный объект в два места одновременно, — говорит Тойфель, — гравитация должна сыграть свою роль. А когда у вас есть гравитация и квантовые эффекты вместе, люди приходят в восторг».

Физики всего мира предлагают эксперименты с использованием механической запутанности на пределе, где действует гравитация. Две последние работы в этом направлении были опубликованы в 2017 году (11, 12), когда две независимые группы теоретиков, одна из Оксфордского университета, а другая из Университетского колледжа Лондона, предложили эксперименты, которые используют механически запутанные системы, чтобы выяснить, является ли гравитация квантовым феноменом. Идея этих экспериментов связана с тем, что если берутся два объекта, которые взаимодействуют только гравитационно, и могут создавать запутанное состояние, то сама гравитация должна проявить квантовое поведение.

Физик из Оксфордского университета Влатко Ведрал, разработавший одно из этих предложений, видит две основные проблемы: контроль того, как система может коллапсировать в классическое состояние, и дифференцирование гравитационных и электромагнитных эффектов. «Я считаю, что это не является непреодолимыми проблемами», — говорит Ведрал отмечая, что исследователи из Венского университета продвигаются вперед с дизайном подобного эксперимента.

Теоретик Сугато Бозе из Университетского колледжа Лондона, работавший над другим предложением говорит, что он сотрудничает с другими группами в создании интерферометра, который может гравитационно запутать две массы. Их план состоит в том, чтобы начать с наночастиц и постепенно увеличивать их размер, вплоть до порядка сотен микрон или долей миллиметра. Он отмечает, что группы в Монтане и Франции готовят подобные эксперименты.

Но не все с этим согласны. Некоторые физики утверждают, что предлагаемые экспериментальные конструкции используют слишком много предположений, чтобы окончательно решить вопрос о том, является ли гравитация квантовым явлением.

Несмотря на загадки квантовой гравитации, физики заинтригованы последствиями изучения запутанности в наблюдаемом и предсказуемом мире. То, что механическая система может находиться в двух местах одновременно, или то, что измерение одной вибрирующей системы оказывает заметное влияние на другую, указывает на то, что граница между классическим и квантовым мирами является не только теоретическим результатом, но и чем-то, что можно наблюдать и понимать.