криогенное микроволновое измерение

Крошечный алмаз, невидимый глазу, лежит на чипе и чувствует тепло так, как не может ни один обычный градусник. Внутри него спрятаны два дефекта — места, где атом углерода заменён атомом азота, а рядом пустота. Эти дефекты работают как пара чувствительных стрелок: под действием микроволн они колеблются, и частота их колебаний меняется, когда алмаз нагревается или остывает.

Вместо ледяной ванны — тёплая газовая рубашка. Именно так теперь охлаждают криогенный компаратор тока в Национальном метрологическом институте Японии. Раньше этот прибор, сверяющий электрические токи с точностью до миллиардных долей, требовал погружения в жидкий гелий. Сегодня он работает в замкнутом холодильнике, где его греет не жидкость, а газ.

Кораблик в бутылке собирают не снаружи, а внутри: через узкое горлышко протаскивают мачты и паруса, и внутри стекла они сами встают в нужную позу. Примерно так же химики поступили с отдельной молекулой кобальтоцена, которую затянули в щель между слоями двумерного кристалла.

Микроволновая печь греет еду, но в лаборатории микроволны сделали нечто иное: превратили сверхпроводник в постоянный магнит. Плёнка из оксида иттрия-бария-меди толщиной 300 нанометров, охлаждённая до 80 кельвинов, откликнулась на излучение частотой 5 гигагерц.

Сверхпроводящий детектор обычно работает как честная линейка: поглотил фотон — выдал импульс, амплитуда которого строго пропорциональна энергии. Такой режим удобен, но у него есть потолок: слабый сигнал легко теряется в шуме усилителя. Теперь представим качели.

Обычная лампа светит ровно, а маяк — короткими вспышками. Учёные из Лондона заставили крошечный алмаз работать как маяк, но не для света, а для радиоволн. Для этого в кристалл добавили немного азота, а затем осветили его зелёным лазером.

Квантовая лаборатория похожа на кухню, где повар ждёт сутки, пока остынет плита. Сверхпроводящие кубиты работают только при температуре в сотые доли кельвина, и каждый цикл «охладить — измерить — согреть» съедает день. Группа инженеров построила холодильник размером с дыню и массой 3 кг, который справляется за два часа.

Чёрная дыра — это лабиринт, из которого не выбраться. Но что происходит с информацией внутри? Чтобы проверить это, физики не полетели к ближайшей дыре, а собрали её крошечную копию на квантовом процессоре. Роль лабиринта сыграла цепочка из 32 сверхпроводящих кубитов, где каждый шаг ведёт только вперёд — как в коридоре с односторонним движением.

Сверхпроводящий квантовый интерферометр — это прибор, чувствующий магнитное поле в миллиарды раз слабее, чем стрелка обычного компаса. Внутри него есть узкий мостик, где сверхпроводимость на мгновение прерывается. Этот мостик работает как турникет для магнитного потока: считая, сколько квантов потока прошло, прибор измеряет поле.

Микроволновая плазма в вихревом потоке — это своего рода высокотемпературный миксер: газ закручивается в реакторе, а микроволновое излучение разогревает его до тысяч градусов, разрывая молекулы углекислого газа (CO₂) на составные части. Учёные построили компьютерную модель такого реактора, чтобы понять, как давление влияет на процесс расщепления.

Квантовые компьютеры ошибаются. Каждый кубит — как шарик на кончике карандаша: чуть дрогнет рука, и он скатывается. Чтобы шарики не падали, нужен кто-то, кто заметит дрожание и вовремя поправит. В квантовых вычислениях эту работу делает декодер — программа, которая смотрит на результаты измерений и решает, где произошла ошибка. Snowflake — один из таких декодеров.

Короткая вспышка света похожа на музыкальную фразу: в ней можно различить отдельные ноты, если слушать очень внимательно. Но в квантовом мире такие «ноты» — временны́е моды — сжаты до пикосекунд (триллионных долей секунды), и обычная оптика их почти не различает.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

Полярная молекула — это микроскопическая гантель с разнесёнными электрическими зарядами: на одном конце положительный, на другом отрицательный. Такая асимметрия делает их агрессивными: при сближении молекулы либо слипаются, либо разлетаются на большие расстояния, потому что электрические силы между ними очень сильны.

Два крошечных грузика, каждый с песчинку весом, висят в темноте при температуре холоднее открытого космоса. Они не касаются друг друга, но между ними есть невидимая нить — гравитация. Эксперимент, который сейчас строят физики, должен поймать момент, когда эта нить дёргает один грузик из-за движения другого.

Живая клетка непрерывно испускает слабые магнитные сигналы – словно ведёт беззвучный шёпот. Учёные подслушивают этот шёпот с помощью двух микроскопических «микрофонов» – датчиков магнитного поля. Один создан природой (белок), другой – рукотворная алмазная пылинка с изъяном (чистый углерод), который и превращает её в антенну.

Квантовые технологии остро нуждаются в универсальном «переводчике» между языками микроволн и света. Сверхпроводящие кубиты общаются на сантиметровых волнах, тогда как фотоны в оптоволокне — на оптических частотах. Мостом могут стать квантовые состояния магнонов — коллективных возбуждений спинов в магнитных кристаллах.

Слаженный оркестр электронов в сверхпроводнике легко сбить с ритма. Тепловые толчки разрушают хрупкий порядок, и сопротивление возвращается. Десятилетиями учёные искали способы укрепить этот ансамбль — в основном меняя состав материала или сжимая его до немыслимых давлений. Но есть и третий, почти бестелесный инструмент: пустота, наполненная электромагнитным гулом.

Магнит размером с рисовое зёрнышко парит в пустоте, не касаясь стенок. Его удерживает магнитное поле сверхпроводящей ловушки — кольца, охлаждённого до такого состояния, где ток течёт без сопротивления. Парение нужно, чтобы убрать трение: без него даже слабый толчок заставляет магнит колебаться очень долго, как камертон после удара.

Квантовые законы безраздельно управляют микромиром, но макроскопические объекты обычно ведут себя классически: тепловое движение атомов заглушает квантовые эффекты. Чтобы крупное тело проявило квантовые свойства, его традиционно охлаждают почти до абсолютного нуля в криостатах, подавляя тепловые флуктуации.

Крошечный шарик массой в доли миллиграмма, подвешенный в магнитном поле и охлаждённый почти до абсолютного нуля, совершает колебания на протяжении 110 часов без остановки — это рекордный уровень изоляции от внешней среды.

Камертон звучит всё тише не потому, что его перестали держать, а потому, что сама рука, ударяющая по нему, создаёт вокруг невидимую взвесь, гасящую колебания. Примерно так ведёт себя сверхпроводящий резонатор — крошечная дорожка, по которой почти без потерь бегает микроволновый сигнал.

Ряды проводов, тянущихся из тёплой комнаты в холодильник с квантовым чипом, напоминают запутанный телефонный узел прошлого века. Каждый кубит требовал своего аналогового канала для точной настройки, а кабели несли лишнее тепло и путались под руками. Теперь исследователи поставили цифро-аналоговый преобразователь прямо в холодную зону, рядом с кубитами.

Обычная флешка в кармане греется, даже когда просто лежит. А теперь представьте память, которая в холоде почти ничего не тратит — как термос, который не остывает. Сверхпроводник при температуре жидкого гелия проводит ток без потерь, но хранить данные он не умел. Новая ячейка меняет это. Внутри — слоёный бутерброд из ниобия и магнитных плёнок.

Хирург убирает опухоль груди, но как узнать, что по краю не осталось ни одной больной клетки? Сейчас ткань отправляют в лабораторию, и ответ приходит через несколько дней. Если край оказался нечистым — нужна вторая операция. Новый метод обещает дать ответ прямо в операционной, пока пациентка ещё на столе.

Сотни людей на танцполе стоят на равном расстоянии друг от друга — строгий порядок, как в кристаллической решётке. Медленная музыка — это тепловые колебания, от которых танцоры начинают слегка покачиваться. Если музыка становится громче и быстрее, порядок рушится: все смешиваются. Так тепловое движение разрушает упорядоченные состояния электронов в твёрдых телах.

Толпа на узкой улице движется медленно, потому что люди натыкаются друг на друга. В кремнии тепло переносится похожими «толчками» — колебаниями атомов, которые называют фононами. Если прорезать в кремниевой плёнке крошечные отверстия, фононы будут натыкаться на них, как пешеходы на столбы, и тепло пойдёт хуже.

Магнитное поле Земли, которое поворачивает стрелку компаса, — сильное. Новый датчик ловит поля в сто тысяч раз слабее, и для этого ему не нужны ни жидкий гелий, ни громоздкие установки. Всё умещается на печатной плате — такой же, как внутри смартфона. Секрет — в паре из медного резонатора и кристалла железо-иттриевого граната.

Струна гитары звучит дольше, если её не трогать лишний раз. Примерно так же ведёт себя резонатор — устройство, которое вибрирует на одной частоте, как камертон. Группа инженеров сделала такой «камертон» из нитрида алюминия, размером меньше песчинки, и заставила его колебаться 16 миллиардов раз в секунду.

Кубиты в сверхпроводящем квантовом компьютере похожи на туго натянутые струны. Когда мимо пролетает частица из космоса или от распада радиоактивного элемента, она ударяет по этим струнам, и они начинают дрожать. Это дрожание ломает хрупкие квантовые состояния, и вычисления сбиваются.

В ускорителе Фермилаба пучок частиц бьёт по мишени из замороженного аммиака. Ядра водорода в нём — как крошечные волчки, и физикам нужно, чтобы все они крутились в одну сторону. Тогда столкновения расскажут, как устроен спин протона.

Обычный лазер — это усилитель света, в котором атомы, получив энергию, дружно испускают волны одной частоты. Мазер делает то же самое, но для микроволн — невидимого излучения, которое греет еду в микроволновке и передаёт сигналы в телефонах.

Повар на кухне знает: прилипнет ли тесто к сковороде, зависит от того, что происходит на границе двух сред. Для расплавленных металлов эта граница долго оставалась невидимой — температура выше 200 °C не давала рассмотреть отдельные атомы.

Светлячки вспыхивают в тёмном лесу — видно каждую вспышку, но не видно полёта. Квантовый газовый микроскоп умеет показывать отдельные холодные атомы, как те светлячки. Но до сих пор он не мог сказать, с какой скоростью они движутся. Теперь учёные нашли способ это исправить. Они предлагают подсвечивать атомы особым образом, чтобы те как бы «отбрасывали тень» на соседние вспомогательные частицы.

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой «суп» из фундаментальных частиц — кварков, глюонов, лептонов, пребывавших в состоянии кварк-глюонной плазмы. По мере расширения и остывания этот суп испытывал фазовый переход, подобный кристаллизации: кварки объединялись в протоны и нейтроны.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но стоит дирижёру взмахнуть палочкой чуть сильнее — и тончайшие инструменты расстраиваются от лишнего тепла. Управлять кубитами при температуре 10 мК (в 300 раз холоднее морозилки) — всё равно что дирижировать оркестром в ледяном зале, где даже дыхание может всё испортить.

Один электрон в магнитном поле — как крошечный волчок, который крутится и слабо «пищит» на своей частоте. Услышать этот писк напрямую почти невозможно: он тонет в шуме. Учёные придумали резонатор — сверхпроводящую микроволновую полоску, которая работает как камертон, настроенный на ту же ноту.

Электрический ток в сверхпроводнике похож на толпу, бегущую по коридору без трения. Но в сверхпроводниках второго рода есть препятствия — крошечные вихри магнитного поля, которые ток сдвигает с места. Сдвинулся вихрь — появилось сопротивление, и ток падает.

Квантовый магнитометр на основе ядер водорода работает по принципу, напоминающему наушники с активным шумоподавлением. Он попеременно «слушает» магнитное поле двумя разными способами: шум для них одинаков, а полезный сигнал различен. Вычитая одно из другого, прибор выделяет сигнал, ослабляя помехи более чем в 1000 раз.

Обычная пайка не подходит для квантовых схем: при охлаждении до температуры жидкого гелия металл трескается, а сами контакты вносят шум. Инженеры из исследовательской группы попробовали другое — каплю галлиевого сплава, которая остаётся жидкой при комнатной температуре, как ртуть в старом градуснике.