ансамбль

Ночью на вершине вулкана шесть телескопов смотрят на одно и то же пятнышко света. Каждый ловит свою копию волны, и если соединить их сигналы, получится изображение, которое не под силу ни одному инструменту в одиночку. Но есть подвох: свет, пойманный разными станциями, нельзя просто сложить, как фотографии. Его нужно измерить, и от способа измерения зависит, насколько чёткой выйдет картинка.

Обычно сложность систем — от движения спутников до сердечных ритмов — оценивают усреднённой энтропией (мерой непредсказуемости, как её понимал Больцман). Но это похоже на оценку океана только по высоте волн: средняя цифра скрывает всё богатство подводных течений. Метод CWMMSE ныряет глубже.

Квантовые устройства перестали быть лабораторными курьёзами. Их собирают, настраивают и чинят как обычную технику — только внутри у них не просто ток, а хитросплетения частиц, которые могут быть в нескольких состояниях сразу. Инженеры чертят схемы, программисты пишут код, физики рассчитывают эффекты. У каждого свой набор моделей, и их нужно сводить воедино, чтобы устройство работало.

В кристаллах нас завораживает идеальный пространственный порядок: атомы замерли в узлах решётки, как бусины на невидимой нити. Но что, если такая же симметрия проявится во времени? Временные кристаллы — это системы, которые без внешней подсказки начинают циклически повторять свои состояния, словно часы, заведённые самой природой. Внутри этого неутомимого ритма, казалось бы, нет места беспорядку.

Крошечный кристалл из заряженных атомов, пойманный в ловушку, дрожит от тепла. Каждый ион колеблется, как шарик на пружинке, и эти колебания мешают использовать кристалл для точных квантовых операций. Обычно лишнюю энергию убирают лазером — луч бьёт по ионам и тормозит их движение, словно поток воздуха, гасящий маятник. Но когда в кристалле десятки ионов, возникает неожиданный эффект.

В квантовом мире атомы и частицы неизбежно теряют энергию, стремясь к равновесию — это напоминает затухание качелей из-за потери энергии, то есть энтропийного трения. Однако работа многих приборов — от водородных мазеров до атомных часов — основана на поддержании повторяющихся циклов, где колебания не должны затухать.

Попытка пересчитать людей в тёмной комнате по звуку дыхания упирается в общий шум — отдельных вдохов не слышно. Похожая задача стоит перед учёными, которые работают с квантовыми спинами в твёрдых телах. Каждый спин (магнитный момент электрона) обладает своим «голосом», но его заглушает технический шум приборов.

Нейтрино часто сравнивают с радиопередачей, которую ловят разные приёмники. Одна станция шлёт сигнал, но антенны в Японии, Антарктиде и на дне Средиземного моря слышат его по-разному — из-за расстояния, помех и поворота антенны. До сих пор считалось, что объединить записи с таких разных «приёмников» в одну осмысленную картину нельзя: слишком много технических тонкостей.

Есть библиотека, где вместо книг — все мыслимые комбинации нескольких десятков квантовых частиц. Число этих комбинаций растёт как снежный ком: добавьте одну частицу — и объём удваивается. Для полусотни частиц полок уже больше, чем атомов в видимой Вселенной. Раньше считалось, что искать в этом хаосе состояния, пригодные для сверхточных измерений, — всё равно что выиграть в лотерею.

Многолюдный зал, где каждый человек — это молекула, а его личный разговор — движение электронов внутри неё. В обычной ситуации все говорят сами с собой, и общий гул хаотичен. Но если в центре зала зажигают яркий прожектор, он начинает дирижировать толпой: люди синхронизируют свои движения, хотя свет лишь отражается от стен.

Пар, поднимающийся над горячим металлом, — привычное зрелище на кухне. Но если взять не воду, а рубидий, то такое облачко превращается в аккумулятор. Работает он не на химических реакциях, а на квантовой слаженности атомов. В эксперименте облачко пара с триллионом атомов рубидия (щелочной металл, похожий на натрий) поместили в стеклянную ячейку.

Толпа людей вдруг начинает двигаться как один человек. В физике такое случается с атомными спинами — крошечными магнитными стрелками. Когда много спинов собираются вместе и общаются через общую среду, они образуют один большой магнит, или макроспин.

Внутри взрывающейся звезды нейтрино мчатся так густо, что начинают влиять друг на друга. Их квантовые состояния переплетаются — как нити в плотном клубке, где уже не разберёшь, где чья. Обычные компьютеры с трудом справляются с такой задачей, ведь число возможных состояний растёт лавинообразно.

Вода в чашке остывает за минуты. Газ в комнате заполняет её равномерно за секунды. Но если загнать атомы в трубу толщиной с луч лазера и хорошенько их возбудить, они будут «остывать» к равновесию несколько секунд — целую вечность по атомным меркам.

Кольцо из магнитных атомов напоминает хоровод, где каждый участник держит за руки соседей. В обычных магнитах каждый атом имеет свой собственный постоянный магнитный момент, и они взаимодействуют как маленькие стрелки, стремящиеся выстроиться противоположно друг другу.

Горячий чай обычно остывает дольше тёплого, но вода порой нарушает это правило: ещё в 1960-х школьник Эрасто Мпемба заметил, что горячее мороженое застывает быстрее холодного. Этот парадокс перекочевал и в квантовый мир: скопление частиц может успокоиться скорее, если изначально было более возбуждённым.

Физики использовали квантовый компьютер Ричарда Фейнмана — устройство, оперирующее кубитами вместо классических битов, — чтобы проследить за 28 квантовыми волчками. Так образно называют частицы, обладающие спином — собственным моментом вращения, фундаментальным свойством вроде заряда.

Квантовые датчики похожи на оркестр, где музыканты играют в унисон: их запутанные состояния позволяют улавливать сигналы, недоступные обычным инструментам. Но стоит начать накапливать сигнал, как нелинейное взаимодействие — словно дирижёр, который вдруг начинает дирижировать вразнобой, — портит всю музыку. Обычно его стараются заглушить, но это сложно и дорого.

Квантовый мир полон неожиданностей: даже простое наблюдение за частицей меняет её поведение. В новой работе физики показали, что постоянное измерение энергии может сделать квантовый хаос более выраженным. Они использовали величину, которая показывает, насколько долго квантовое состояние остаётся похожим на себя при повторных измерениях.

Одиночный источник света в тонком слое нитрида бора вспыхивает и гаснет за пару наносекунд. Таких источников в материале можно создать много, но каждый из них долго работал сам по себе. В новой работе их заставили светиться вместе, как музыкантов, играющих в унисон. Для этого источники разместили на расстоянии меньше длины волны испускаемого света.

Магнитное поле, которое нужно измерить, похоже на мелодию, исполняемую в шумном зале. Квантовый датчик — это микрофон, способный уловить самые тихие ноты, но и он слышит не только музыку: шорохи, скрипы, дыхание соседей. Всё это примешивается к сигналу и портит запись.

Дирижёр управляет оркестром из миллиардов музыкантов, но при этом слышит каждого отдельно. Примерно такую задачу решают физики, когда пытаются подружить свет и спины электронов в твёрдом теле. Новый резонатор, описанный в работе, делает первый шаг к этому: он заставляет огромное количество одинаковых квантовых объектов колебаться в такт, а затем аккуратно подслушивает их хор, не сбивая с ритма.

Оркестр из ста музыкантов играет без дирижёра. Пока партитура знакома, каждый уверенно ведёт свою линию, и вместе они звучат слаженно. Но стоит композитору изменить ритм, как в зале появляется нестройность: одни инструменты продолжают играть по-старому, другие пытаются подстроиться, а третьи замолкают.

Парадокс Мпембы — явление, при котором горячая вода иногда застывает быстрее холодной, — получил квантовое продолжение. В микромире частица, разогнанная дальше от финиша, приходит к нему первой.

Всё стремится к равновесию: чай остывает, маятник затихает. Мерой этого необратимого движения служит энтропия — мера беспорядка в системе, которая, согласно второму началу термодинамики, только растёт. Но иногда горячая вода замерзает быстрее тёплой. Этот парадокс, известный как эффект Мпембы, — не просто курьёз из повседневности: он проявляется и в квантовом мире.

На обычном оптическом столе, среди лазеров и зеркал, облако из ста атомов стронция-87 начинает жить по законам искривлённого пространства-времени. Спустя полсекунды его квантовая интерференция гаснет: гравитационное замедление времени разрушает суперпозицию.

Толпа из тридцати одного квантового датчика шепчет в алмазной пластине. Раньше этот шёпот тонул в гуле прожекторов: случайные всплески фотонов, которыми считывали состояние спинов, заглушали собственный квантовый шум ансамбля. Теперь физики научились выключать прожекторы и слушать саму толпу.

Луч видимого света входит в облако из миллиардов атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля, и выходит с другой стороны уже в телекоммуникационном диапазоне. Так выглядит работа переводчика, который не теряет смысл фразы: атомы принимают фотон на «языке» 795 нанометров и отдают его на «языке» 1367 нанометров, пригодном для путешествий по оптоволокну.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где струнные и духовые играют на разных языках. Сверхпроводящие процессоры оперируют микроволновыми фотонами в сантиметровых контурах, а спиновые кубиты — например, азотно-вакансионные центры — хранят информацию в масштабах отдельных атомов.

Внутри алмаза иногда встречаются крошечные изъяны — место, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Физики называют это NV-центром (дефект из азота и вакансии). Такой дефект ведёт себя как магнитная стрелка, которая может хранить информацию в своём вращении.

Крошечный алмаз с дефектами — атомами азота, занявшими место углерода, — таит в себе необычную особенность. Вокруг каждого дефекта крутится лишний электрон, как волчок, который можно наклонять радиоимпульсами.

В толще алмаза спрятаны крошечные изъяны — места, где атом углерода заменён азотом, а рядом зияет пустота. Эти дефекты, словно маяки, могут хранить и передавать квантовую информацию. Но вокруг бушует магнитная буря: ядра атомов в кристалле колеблются, создавая помехи. Сигнал тонет в шуме. Авторы работы нашли способ пробиться сквозь этот хаос.