криостат

Библиотекарь в хранилище редких книг берёт том с полки и кладёт его обратно, не разбудив задремавшего рядом кота. Примерно так работает новая квантовая память: она ловит фотон, прячет его в механическое колебание крошечного кремниевого мостика и возвращает по первому требованию.

Сцена залита ледяным светом, и на ней стоят кремниевые зрители. Каждый из них — матрица крошечных лавинных диодов, способных заметить одиночный фотон, но только если температура вокруг опустится до 165 К. Раньше такие зрители готовили к выступлению в одиночку, вручную, и никто не мог поручиться, что на большой сцене они сработают одинаково.

Магнитный бит, который переключается от лёгкого дуновения тока, а не от сильного магнита. Именно так работает новое устройство из Института полупроводников Китайской академии наук: слоистый магнит Fe3GaTe2 с платиновым каналом меняет своё состояние под действием короткого электрического импульса.

Крошечная чёрная дыра пролетает сквозь облако водорода и растягивает атомы, как ириску. Так выглядит сверхпроводник, когда в нём заперт незатухающий ток: вещество, в котором электричество течёт без потерь, превращается в миниатюрный постоянный магнит.

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.

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.

В сканирующем туннельном микроскопе, способном видеть отдельные атомы, поддерживаются экстремальные условия: температура около -268°C и сверхвысокий вакуум. Чтобы осадить одиночные атомы железа на исследуемую поверхность, обычно требуется прямой путь от испарителя к образцу.

Горячая вода после душа, тёплый воздух из вентиляции, нагретые стенки двигателя — всё это низкопотенциальное тепло с температурой ниже 100°C. Обычно оно рассеивается в окружающей среде, не совершив полезной работы. Теперь появилась технология, которая позволяет улавливать такое тепло и превращать его в электричество. Внутри нового устройства — проволока из никель-титанового сплава.

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.

В мире квантовых частиц есть свои «интроверты» — энионы. Это квазичастицы, которые не похожи на привычные электроны или протоны: если двух таких «интровертов» поменять местами, они запоминают этот манёвр, словно оставляя невидимый след в квантовом состоянии системы.

Квантовый компьютер на нейтральных атомах напоминает город, где курьеры — лазерные пинцеты — физически перемещают посылки между адресами. Пока один курьер тащит атом через весь чип, остальные простаивают. Это медленно и порождает ошибки. Новая архитектура заменяет курьеров общей радиоволной.

Горячий чай остывает, а мороженое тает — тепло всегда переходит от тёплого к холодному, и этот закон казался нерушимым. Но в квантовом мире даже привычные правила можно переписать. Физики поместили крошечный механический резонатор (вибрирующую перемычку размером с микроб) в оптическую полость между двумя зеркалами.

Два танцора на сцене должны двигаться безупречно синхронно, но стоит одному замешкаться — и весь номер испорчен. Примерно так работают квантовые компьютеры на нейтральных атомах: два атома запутывают, переводя в ридберговское состояние (огромное, как воздушный шар по сравнению с обычным атомом), и ждут, пока они «станцуют» свою партию.

В квантовом мире частицы могут сливаться в единую жидкость, которая течёт без трения. Одна из самых загадочных её форм — дробная квантовая жидкость Холла. В ней электроны или атомы двигаются как единый вихрь, а их заряд дробится на части, словно пирог, нарезанный на идеально ровные куски.

Кусочек сахара, зажатый пальцами, почти наверняка раскрошится, а не сожмётся ровно. Похожая задача стоит перед создателями квантовых компьютеров. Им необходимо слегка растягивать или сжимать миниатюрные кремниевые пластинки — на них потом размещают кубиты.

Обычный полевой транзистор похож на кран с очень чувствительной ручкой: чуть повернул — вода пошла. В холодных недрах квантового компьютера, где всё охлаждено почти до абсолютного нуля, такой кран должен открываться строго по команде.

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.

В кастрюле с супом каждая крупинка — крошечный магнит, который хочет развернуться в противоположную сторону от соседа. Нагрейте суп — и магнитики начнут метаться, подчиняясь теплу. Но как узнать, насколько они непослушны при каждой температуре? Для обычного вещества это считают на мощных компьютерах, перебирая варианты.

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.

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант должен играть свою партию идеально, иначе мелодия рассыплется. Раньше для управления кубитами — квантовыми «музыкантами» — требовалась целая комната оборудования, и каждый лишний провод добавлял шума.

Кристалл, который обещал проводить ток без потерь при комнатной температуре, оказался похож на карточный домик: тронь — рассыплется. Два соединения — с серебром и с золотом — считались кандидатами в сверхпроводники, но проверка показала, что оба не выдерживают даже обычных условий. В серебряном варианте решётка просто схлопывается.

Медный кристалл сжимают в алмазных тисках. Давление растёт, и внутри материала разворачивается борьба двух состояний: одно готовит электроны к сверхпроводимости, другое, наоборот, мешает им объединяться. Учёные следили за этой борьбой с помощью сверхкоротких лазерных вспышек.

Нужно рассмотреть снежинку, не дав ей растаять и не повредив. Примерно такая задача стоит перед учёными, которые хотят изучать отдельные белки — крошечные молекулярные машины жизни. Белок в растворе постоянно дрожит и слипается с соседями, а в электронном микроскопе его разрушает луч.

Металлическая игла опускается на кусочек сверхпроводника. Всё это происходит внутри холодильника, который остужает образец до 30 тысячных градуса выше абсолютного нуля — в сто раз холоднее, чем открытый космос. Через иглу пропускают слабый ток, и по тому, как электроны проходят сквозь крошечное пятнышко контакта, физики читают, что творится внутри материала.

Датчик, который ищет редкие частицы, похож на ухо, пытающееся расслышать шёпот в шумной комнате. Чем тише сигнал, тем труднее отличить его от случайного шума. В эксперименте NUCLEUS такие датчики — криогенные калориметры — охлаждают почти до абсолютного нуля, чтобы они могли уловить даже слабый всплеск тепла от одной частицы.

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.

Кубик льда в чае тает без следа — так и квантовые системы обычно быстро забывают своё прошлое, переходя в состояние термодинамического равновесия. Однако при сильном беспорядке возникает явление локализации многих тел: частицы словно застывают на месте, сохраняя память о начальной конфигурации.

Сверхпроводимость — это способность материала проводить электричество без потерь. Обычные провода греются, и часть энергии уходит в тепло, а сверхпроводник пропускает ток без сопротивления. Но до сих пор такое состояние удавалось получить лишь при очень низких температурах или под огромным давлением, что мешает применять его в быту.

Квантовые материалы — как капризные цветы: распускаются только в холоде. При комнатной температуре они прячут свои необычные свойства, а при сильном охлаждении становятся сверхпроводниками или меняют магнитное поведение. Чтобы понять, как они работают, нужно рассмотреть их атомы в том самом холоде, где эти свойства живут.

В лабораториях, где атомы охлаждают почти до абсолютного нуля, даже крошечное изменение магнитного поля сбивает все настройки. Обычные датчики — пластинки Холла или катушки с ферритовым сердечником — стоят в нескольких сантиметрах от вакуумной камеры, потому что сами создают помехи. Но расстояние означает, что они не чувствуют поле именно там, где находятся атомы.

Вода в кастрюле при нагреве не закипает, а превращается в лёд. Примерно так ведут себя ультрахолодные атомы в оптической решётке — световой кристаллической сетке, удерживающей атомы на местах. Учёные смоделировали эту систему на компьютере, чтобы понять, как меняется порядок при повышении температуры.

Тонкая плёнка полупроводника толщиной в один атом напоминает коммунальную квартиру: в ней живут отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки».

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен вступать точно в такт. Малейший шорох в зале сбивает скрипача, и мелодия рассыпается. В кремниевых чипах роль таких шорохов играет электрический шум: случайные колебания заряда внутри материала. Они заставляют квантовые биты ошибаться. Инженеры решили выяснить, как устройство самого чипа связано с этим шумом.

Сейсмометр — это ухо планеты. Он улавливает малейшие дрожания почвы и превращает их в электрический сигнал. Но ухо это не идеально: его чувствительность зависит от температуры. На морозе и в жару прибор слышит чуть по-разному, и это вносит ошибку в измерения.

Сверххолодные молекулы — перспективный материал для квантовых вычислений, но собрать их в аккуратный массив, как яйца в коробке, непросто. Предложен способ загружать по одной молекуле в оптические пинцеты или решётки прямо из газа. Молекулы при этом сразу оказываются в самом спокойном состоянии движения.

При температуре 0,1 К — это на три десятых градуса выше абсолютного нуля — вещество перестаёт подчиняться привычным правилам. Гелий становится сверхтекучим: он течёт без трения, просачивается сквозь щели и ведёт себя как одна гигантская квантовая жидкость. Увидеть, что происходит внутри такого холода, — задача на грани возможного.

Квантовый бит — как юла, которая должна крутиться долго, не шатаясь. В германии такие юлы научились запускать, но вокруг всегда дрожит пол: электрические помехи сбивают вращение. Чтобы пол был ровнее, сверху обычно кладут толстый слой кремний-германия — он как ковёр, приглушающий шаги.