Квантовые теории о главном

Пентацен конвертирует импульс в возбуждение двух молекул.  Иллюстрация Physorg

Объекты пространственно-временного континуума постоянно теряют энергию – звезды, например, расходуют водород в ходе термоядерного синтеза. Теряют энергию в процессе своего движения и планеты, постепенно приближающиеся к звезде. Поэтому Эйнштейн, предсказавший – за век до экспериментального подтверждения! – существование гравитационных волн, был против предложенной в 1911 году Эрнестом Резерфордом планетарной модели атома. Создатель ОТО считал, что электроны должны «упасть» на ядро.

Датчанин Нильс Бор, один из отцов-основателей квантовой физики, в пику Эйнштейну постулировал, что электрон вращается вокруг ядра на исходном (ground) уровне, но может подниматься и на более высокий уровень при возбуждении, то есть при поглощении энергии. После этого электрон быстро релаксирует, возвращается на исходный уровень. Но при этом излучает фотон, энергия которого меньше затраченной на «подъем» электрона. «Нехватка» энергии показывает, что часть ее истрачена на работу по «подъему» электрона на более высокий уровень – все в лоне классической механики.

Много позже был открыт ядерно-магнитный резонанс (генерируемый благодаря глубокому охлаждению), представляющий собой излучение радиосигнала после нарушения когерентности ядер водорода – протонов. В военные годы советский физик Евгений Завойский открыл и электронно-парамагнитный резонанс (ЭПР), возникающий при поглощении радиоволн. ЭПР связан с квантовыми переходами между магнитными, а не энергетическими уровнями парамагнитных атомов и ионов. Сегодня ЭПР широко используется в исследованиях структуры твердого тела, химических соединений и, например, кислородных радикалов в живой клетке.

Квантовая физика очень не нравилась Эйнштейну. Так, Эйнштейн не признавал явление энтенглмента, теоретически предсказанное Эрвином Шредингером. Суть его – спутывание квантовых свойств пребывающих на расстоянии друг от друга объектов. Тем более что этот самый объект может пребывать одновременно в разных местах.

В последние десятилетия физиками овладела идея фикс. Речь о продемонстрированном в начале декабря 2023 года одной из американских компаний чипе с 1121 кубитом, каждый из которых соединен с другими в вершинах пчелиной соты. Это напоминает эмпирический закон Гордона Мура, основателя компании Intel: плотность расположения транзисторов на кремниевом чипе удваивается чуть ли не каждый год. Создатели нового чипа с кубитами говорят, что они могут «исправлять» возникающие в ходе вычислений ошибки.

Теоретические открытия Нильса Бора довольно долго не воплощались в инструменты и различные приборы. Но затем были созданы мазеры и лазеры, электронный микроскоп и МРТ, а также и сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Так, стали доступны 3D-изображения молекул и даже атомов.

Американский физик Артур Эшкин, автор полусотни патентов, «сделал» в 1986 году с помощью лазерного луча оптическую ловушку (trap), которой можно было удерживать мелкие объекты – бактерии и даже вирусы – и манипулировать ими. Почти 30 лет ученые не знали, к чему бы «пристроить» создание Эшкина, поэтому Нобелевскую премию 2018 года он получил в 96 лет! Сегодня лазерный пинцет-tweezer активно применяется в самых разных областях.

Квантовая теория и практика синкретичны и используют весь арсенал инструментов. Так, лазерный пинцет использовали в Гарварде и Принстоне, чтобы осуществить энтенглмент молекулы монофторила кальция (CaF) и продемонстрировать диполярный обмен спинами. Молекулы-диполи CaF оказались «спутанными» – соединенными за счет квантовых свойств – благодаря лазерным пинцетам. Авторы работы, опубликованной в журнале Science, подчеркивают, что связанные на расстоянии «кандидаты» являются непременным условием построения блоков обработки квантовой информации, то есть кубитов.

Иным путем пошли сотрудники университета в немецком Регенсбурге, которые объединили ЭПР и микроскоп атомной силы. Работа опубликована в журнале Nature. Объединение позволило немецким физикам уловить нарушение когерентности одиночных электронных спинов в так называемом пентацене, представляющем собой совокупность «пента» (пяти) органических колец. Прогресс налицо, поскольку обычно с помощью ЭПР получают усредненный ответ не менее 10 млрд молекул.

Редакция Nature в своем отклике на статью, полученную из Регенсбурга, отметила, что впервые одиночный резонанс удалось точно измерить с помощью высокочувствительного микроскопа атомной силы. Там, где повышается разрешение, там открываются новые перспективы реального воплощения квантовых физических феноменов.

В другом комментарии на статьи из Гарварда и Принстона редакция отметила, что движение в направлении создания работающего квантового компьютера началось в 90-е. За прошедшие три десятилетия физики научились получать энтенглмент квантовых состояний объектов на чрезвычайно больших расстояниях. Были использованы разные способы получения кубитов, начиная от полупроводниковых квантовых точек и заканчивая отдельными ионами и атомами.

Путь к вожделенной мечте и сегодня больше усыпан шипами и терниями, но и отдельные достижения свидетельствуют о том, что ученые двигаются в правильном направлении. Когда-то электричеством и магнетизмом занимались чуть ли не в одиночку Гемфри Дэви (1778–1829) и его ученик Майкл Фарадей (1791–1867). А ко времени Томаса Эдисона (1847–1931) было уже несколько типов электрических ламп.