Парадокс квантовой физики: гигантские атомы «заморозили»… при комнатной температуре

Гонка за создание полноценного квантового компьютера напоминает не спринт, а изнурительный марафон. Каждый шаг вперёд — это решение сложнейшей инженерной и фундаментальной задачи. Одна из главных проблем на этом пути — чрезвычайная хрупкость квантовых состояний. Любое случайное воздействие извне — тепловое излучение, столкновение с заблудшей молекулой — способно разрушить хрупкую квантовую информацию, превратив упорядоченную систему в хаос. Недавно команда из Университета Колорадо в Боулдере совершила прорыв, который, возможно, не стал финальным рывком к финишу, но позволил бегунам на этой дистанции перевести дух и набраться сил. Учёным удалось удерживать квантовую систему стабильной почти час — неслыханный результат для установки, работающей при комнатной температуре.

Знакомьтесь, атом-гигант

В центре этого достижения находятся не совсем обычные атомы. Их называют ридберговскими, и по меркам микромира они настоящие гиганты. Чтобы получить такой атом, физики берут обычный атом (в данном случае рубидия) и лазерным импульсом «выбивают» один из его внешних электронов на очень далёкую, высокоэнергетическую орбиту.

Представьте себе Солнечную систему в миниатюре: если в обычном атоме электрон вращается где-то на орбите Земли, то в ридберговском состоянии он улетает в район орбиты Плутона. Из-за этого атом колоссально «раздувается» в размерах и становится крайне чувствительным к любым внешним электромагнитным полям. Эта чувствительность — палка о двух концах. С одной стороны, она делает их идеальными кубитами — элементарными ячейками квантовой информации, которыми легко управлять с помощью лазеров («оптических пинцетов»). С другой — та же чувствительность делает их уязвимыми перед любым случайным «шумом» окружающего мира.

Главный враг — хаос

Основная задача при работе с ридберговскими атомами — создать для них зону абсолютной тишины и покоя. Есть два главных врага, которые постоянно норовят нарушить эту идиллию.

1. Тепловое излучение. Любой объект, температура которого выше абсолютного нуля, испускает фотоны — тепловое, или так называемое чернотельное, излучение. Для нас оно невидимо, но для гигантского и нежного ридберговского атома это всё равно что находиться под постоянным обстрелом. Каждый случайный фотон может сбить электрон с его далёкой орбиты и разрушить квантовое состояние.
2. Блуждающие частицы. Даже в самом глубоком вакууме всегда остаются единичные молекулы газа. Столкновение с одной такой частицей для ридберговского атома — катастрофа, мгновенно обнуляющая всю проделанную работу.

Традиционно с этими проблемами борются, помещая всю экспериментальную установку в громоздкий криостат — по сути, гигантский холодильник, охлаждающий всё до сверхнизких температур. Это эффективно, но дорого, сложно и неудобно.

Изобретательность в вакууме: решение из Боулдера

Команда под руководством Чжэньпу Чжана и Синди Ригал пошла другим, куда более изящным путём. Их идея проста и гениальна одновременно: если нельзя охладить весь мир вокруг атома, нужно создать для него персональный холодный кокон.

Физики поместили свои ридберговские атомы, удерживаемые лазерными пинцетами, в вакуумную камеру, которая сама по себе находилась при комнатной температуре. Но внутренние стенки этой камеры они покрыли слоем меди и охладили его до -269 °C. Этот холодный медный «щит» сработал сразу в двух направлениях.

Во-первых, он стал тепловым экраном. Медь поглощала тепловое излучение от стенок комнаты, создавая внутри камеры зону «температурной тишины». Атомы, находясь в центре, перестали «чувствовать» тёплый окружающий мир.

Во-вторых, щит превратился в сверхэффективную ловушку для частиц. Любая случайная молекула воздуха, залетевшая в эту зону, при столкновении с ледяной медной поверхностью мгновенно к ней примерзала — подобно тому, как пар конденсируется на холодном стекле. Этот эффект, известный как криогенная откачка, позволил создать внутри камеры вакуум исключительной чистоты.

Результат превзошёл все ожидания. Атомы оставались в стабильном, управляемом состоянии в течение 3000 секунд, или 50 минут. Это вдвое больше предыдущего рекорда для «комнатных» установок.

Что это значит для будущего?

Пятьдесят минут в мире квантовых вычислений — это почти вечность. За это время можно успеть провести огромное количество последовательных операций, что открывает дорогу к реализации куда более сложных квантовых алгоритмов. Это всё равно что увеличить объём оперативной памяти компьютера в несколько раз: теперь можно запускать программы, которые раньше просто не помещались.

Конечно, это ещё не конец пути. Как отмечает Клеман Сайрен, эксперт из Франции, масштабирование системы — то есть увеличение числа атомов для роста вычислительной мощности — породит новые трудности. Больше атомов потребует больше управляющих лазеров, а их свет сам по себе может стать источником шума, сокращая драгоценное время жизни кубитов.

Тем не менее, достижение команды из Боулдера — это блестящий пример научного остроумия. Они не просто побили рекорд, а предложили новый, более элегантный и практичный метод борьбы с главной ахиллесовой пятой квантовых систем. Этот шаг значительно приближает нас к тому дню, когда квантовые компьютеры из лабораторной диковинки превратятся в реальный инструмент, способный решать задачи, которые сегодня нам кажутся немыслимыми. Марафон продолжается, и этот этап был пройден блестяще.