ионная ловушка

В газовой камере, где обычно регистрируют быстрые электроны, вдруг пошли медленные носители заряда — отрицательные ионы. Они движутся как тяжёлые носильщики, которые не разбегаются по сторонам, а идут ровным строем. Именно такая аккуратность нужна детекторам, которые ищут тёмную материю: чем меньше размытие следа частицы, тем точнее можно восстановить её направление.

Канарейку брали в шахту не ради песен. Птица падала с жёрдочки раньше, чем шахтёр замечал угарный газ. В сверхвысоком вакууме роль канарейки играет облако из ста тысяч атомов лития или рубидия. Лазер охлаждает их до десятков микрокельвинов, и они повисают в неглубокой магнитной ловушке, глубина которой всего около одной тысячной кельвина.

В тёмной камере ловушки тысячи заряженных частиц танцуют под электрическими полями. Сначала они движутся свободно, как толпа на площади, но стоит охладить облако, и танец замедляется: ионы начинают чувствовать друг друга, их шаги становятся скованными. В какой-то момент движение замирает совсем, и облако превращается в подобие жидкости, где каждая частица колеблется на месте, но не может уйти далеко.

Регистрировать свет по одному фотону — всё равно что расслышать шёпот в грохочущем цехе. Камера с электронным умножением (EMCCD — Electron Multiplying Charge-Coupled Device) умеет именно это: единственный фотон, попавший в пиксель, она превращает в лавину электронов, которую уже можно измерить.

Магнитный волчок, который не падает. Маленький шарик из железо-иттриевого граната висит в воздухе, удерживаемый невидимыми силами. Это не фокус, а магнитная ловушка Пауля — переменное магнитное поле, которое быстро меняет направление и не даёт шарику упасть, как жонглёр, подбрасывающий мячи. Шарик дрожит, но не падает.

Магнитное поле удерживает микроскопическую частицу в подвешенном состоянии, словно невидимый партнёр в танце. Особая конфигурация поля формирует ловушку с двумя устойчивыми «позициями» — потенциальными ямами. В классической физике танцор занимает лишь одну из них, но в квантовом мире частица способна находиться в обеих одновременно — это явление называется квантовой суперпозицией.

Лазер — это не только свет. Если заставить частицу колебаться, как маятник, и эти колебания сами себя поддерживают, получается фононный лазер. Звучит сложно, но суть проста: вместо волн света прибор испускает стройные волны механических колебаний — фононы. В новой работе таким «маятником» стал один-единственный ион кальция, пойманный в электромагнитную ловушку.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый ион — музыкант, а лазерные импульсы — дирижёрские палочки. Но стоит кому-то в зале зашуршать, и тонкая мелодия квантовых состояний сбивается. В ионных ловушках роль такого шороха играет электрический шум от поверхности электродов.

Квантовый симулятор на ионных ловушках похож на оркестр, где каждый ион — музыкант, а фононная шина (общие колебания) — дирижёр, передающий сигналы. Пока все играют одну мелодию, всё идёт гладко. Но если попросить музыкантов одновременно исполнять две разные партии, дирижёр начинает сбиваться — возникают помехи, искажающие звук.

В алмазе, как и в любом кристалле, неизбежно возникают дефекты кристаллической решётки: вакансии (пустые узелки, где отсутствует атом) или примесные атомы, занявшие чужое место.

Сотни волчков сидят на карусели. Каждый крутится сам по себе, но вся карусель ещё и вращается. Задача — дотронуться до любого волчка и повернуть его ось, пока он проносится мимо. В квантовом мире роль такой карусели играет кристалл из заряженных атомов (ионов) в ловушке Пеннинга — устройстве, где электрические и магнитные поля удерживают ионы и заставляют их вращаться.

Толпа людей заперта в узком коридоре между двумя рядами зеркал. Время от времени кто-то с силой толкает стену, и по коридору прокатывается гул — так и в плазме галактических скоплений появляются волны-свисты и ионно-циклотронные волны. Их создают заряженные частицы, оказавшиеся в ловушке магнитных ям (областей с ослабленным полем, где частицы отражаются, как от зеркал).

Мощный фен, который дует не тёплым воздухом, а раскалённой добела плазмой, — такие установки называют плазменными аэродинамическими трубами. Они нужны, чтобы на Земле проверить, как космический корабль войдёт в атмосферу. Внутри трубы газ разогревается до тысяч градусов, и часть энергии уходит не с потоком газа и не в стенки, а просто улетает в виде света — как от лампочки.

Свет в оптоволокне бежит по сердцевине, почти не выходя наружу. Но если подойти вплотную, можно почувствовать слабое дрожание поля у поверхности — затухающую волну. Именно в таком «световом тумане» над поверхностью крошечного кремниевого кольца физики поймали одиночный атом рубидия. Ловушка работает как невидимая рука, которая гасит скорость атома одним касанием.

Представьте идеально гладкий пруд: малейшее дуновение ветерка порождает рябь на его поверхности. В роли такого пруда выступает плоский кристалл из заряженных атомов — ионов, удерживаемых в электромагнитной ловушке.

Физики пытаются услышать шёпот в шумной комнате. Они строят звуконепроницаемую кабинку, но даже в ней собственное дыхание и биение сердца создают помехи. Примерно так же ищут признаки квантовой гравитации: хотят увидеть, как сила тяжести связывает две частицы в единое целое — запутывает их. Частицы помещают в вакуум и закрывают проводящим экраном, чтобы убрать электрические силы.

В электромагнитной ловушке исследователи сформировали ионный кристалл — упорядоченную структуру из 150 ионов, охлаждённых до сверхнизких температур. Каждый ион ведёт себя как элементарный магнит, спин которого — вектор, способный ориентироваться в пространстве произвольно.

В тёмной комнате вспыхивает невидимая лампа. Её свет не похож на привычный: у него нет постоянной яркости, только редкие, но мощные всплески. Это яркий сжатый вакуум — состояние света, в котором нет обычной волны, но есть сильные квантовые флуктуации. Именно таким светом физики обстреляли атомы ксенона. Каждый всплеск выбивает из атома электрон.

Лист графена — это сетка из атомов углерода толщиной в один атом. На нём видны малейшие загрязнения, как пылинки на стекле очков. Десять лет назад графен научились прятать между слоями нитрида бора — это как положить хрупкий лист между двумя кусками пищевой плёнки.

Когда свет выбивает электрон из атома, тот улетает, как мяч, брошенный в толпе. Учёные давно хотели узнать, в какой именно момент каждый электрон покинул атом, но прямое измерение мешало самому процессу. Теперь физики предложили способ, который использует вторую вспышку света, чтобы «сфотографировать» момент рождения электрона.

Луч углеродных ионов бьёт точно по опухоли, как хирург, который видит только до кожи. Внутри тела луч останавливается, и где именно — раньше было загадкой. Теперь в тот же луч подмешивают гелий: он проходит тело насквозь, как рентген, и по его следу видно, куда попал углерод.

Квантовый компьютер на ионах похож на люстру с десятком подвесок: дёрнешь одну — закачаются все. Каждый ион — это кубит, но когда их много, их совместные колебания переполняют сцену. Любое воздействие на одну пару задевает соседей, и вычисление портится. Авторы нашли способ толкать ионы сбоку, а не спереди.

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.

Остриё сканирующего туннельного микроскопа подходит к поверхности кристалла так близко, что между ними проскакивает электрический ток. Электроны из иглы впрыскиваются в слоистый полупроводник и попадают в атомную вакансию — место, где в решётке не хватает одного атома. Эта пустота работает как крошечная ловушка для заряда.

Представьте детектор тёмной материи как комнату, где исследователи пытаются расслышать едва уловимый шёпот, но всё вокруг заполнено треском статического электричества. Этот треск создают атомы радона — радиоактивного газа, который непрерывно просачивается из конструкционных материалов и воздуха.

Обычный магнит заставляет стрелку компаса поворачиваться, но не мешает ей двигаться вперёд. А если магнитное поле скрутить в узел, оно может запереть частицу на месте, как ловушка. Такое явление называется «клеткой Ааронова–Бома»: волны частицы гасят друг друга в одних точках и усиливают в других, оставляя ей лишь крошечные «островки» для жизни.

Три заряженных атома иттербия выстроены в треугольник внутри электромагнитной ловушки. Обычно они все общаются друг с другом, как три человека за одним столом, которые постоянно обмениваются репликами. Но если один из них выйдет в соседнюю комнату, беседа продолжится уже между оставшимися двумя.

Ион кальция в магнитной ловушке напоминает шарик, который постоянно подрагивает от тепла. Чтобы заставить его замереть, физики обычно бьют по нему лазером с разных сторон. Но в новом эксперименте хватило одного луча, направленного вдоль оси ловушки. Сначала ион охлаждают обычным способом — лазер слегка притормаживает его движение, как встречный ветер гасит скорость бегуна.

Горячая плазма — как стая быстрых светлячков, мечущихся в банке. Удержать её в открытой магнитной ловушке — всё равно что заставить светлячков не касаться стенок. Новая компьютерная модель показывает, как это сделать точнее. Ионы и электроны в плазме постоянно сталкиваются, обмениваясь энергией. Раньше в расчётах такие столкновения часто упрощали или вообще не учитывали.

Футбольный мяч, закрученный ударом, летит не по прямой, а сгибает траекторию вбок. Примерно так же ведёт себя луч света, если его сильно сфокусировать: он начинает толкать атом не только вперёд, но и в сторону. Физики измерили этот сдвиг на одиночном ионе кальция, пойманном в световую ловушку. Луч направляли на атом, как прожектор на песчинку.

Рентгеновский телескоп ловит свет от раскалённого газа вокруг звёзд, но этот свет приходит «смазанным» — как голос через плохую телефонную связь. Чтобы разобрать слова, нужен словарь точных частот, на которых светятся атомы. Такой словарь пишут не только расчётами, но и прямыми опытами.

Одиночный ион кальция парит в вакуумной ловушке, удерживаемый электрическими полями, как горошина в невидимой чаше. Вокруг него — два зеркала, образующие оптическую полость: свет мечется между ними, усиливая взаимодействие с ионом.

В холодных разреженных облаках космоса частицы встречаются редко, но иногда ион и нейтральная молекула пролетают достаточно близко, чтобы слипнуться. При этом они испускают свет — как приглушённая вспышка, уносящая лишнюю энергию. Этот процесс называют радиативной ассоциацией, и он отвечает за появление многих молекул в межзвёздном пространстве.

Пять заряженных атомов кальция парят в ловушке, удерживаемые электрическими полями. Лазерное охлаждение забирает у них лишнюю энергию, и они выстраиваются в крошечную пирамиду с квадратным основанием. Но эта пирамида не стоит на месте: время от времени она переворачивается, как будто кто-то подбрасывает её вверх и ловит вверх ногами.

Обычная квантовая связь напоминает почту, которая отправляет письма строго по одному. Если путь длинный, ответа приходится ждать неприлично долго. Физики ускорили процесс, запуская сразу десять «почтовых грузовиков» — световых импульсов — в одно оптоволокно, но в разные временные окна.

Одиночный ион, удерживаемый в электромагнитной ловушке, дрожит подобно качелям, и каждое колебание вносит ошибку в квантовые вычисления. Традиционно эту дрожь подавляют охлаждением почти до абсолютного нуля — громоздкое и дорогое решение.

Два маятника на одной стене, качнувшись вразнобой, через час уже идут в ногу. Такую синхронизацию заметил ещё Христиан Гюйгенс в 1665 году, глядя на часы в своей мастерской. Сегодня его наблюдение повторяют в лаборатории, но с одной оговоркой: маятники там не деревянные, а квантовые.