низкая температура

Квантовое туннелирование — способность частиц проходить сквозь барьеры, запрещённые классической физикой, — питает звёзды термоядерным синтезом, зажигает первичный нуклеосинтез и дарит нам флеш-память.

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.

В центре многих галактик прячется невидимое гало из тёмной материи — оно удерживает звёзды на окраинах, не давая им разлететься. Долгое время его описывали как разреженный газ частиц, но новая работа предлагает иной взгляд: тёмная материя может собираться в квантовую каплю.

Обычная чёрная дыра — как печка, которая греет тем сильнее, чем меньше её масса. Крошечная дыра должна раскаляться до немыслимых температур и мгновенно испаряться. Но этот сценарий не учитывает квантовых поправок — того, что происходит, когда сама ткань пространства-времени начинает дрожать.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная представляла собой кипящий суп из элементарных частиц. Даже нейтрино — легчайшие частицы-призраки, почти не взаимодействующие с веществом — тогда активно сталкивались со всем подряд.

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.

Сверхпроводник — это материал, по которому ток течёт без потерь, как вода по идеально гладкой трубе. Но чтобы труба стала идеальной, её нужно охладить до очень низкой температуры. Физики давно ищут способы сделать такую трубу при температуре потеплее, и одна из подсказок — квантовая критическая точка.

В сверхтекучем гелии вихрь похож на смерч в бутылке, но вместо воды — квантовая жидкость, которая течёт без трения. Такой вихрь не рассеивается сам по себе, поэтому вопрос, куда девается его энергия, долго оставался открытым. Теперь физики впервые увидели ответ: вихрь испускает квант звука — ротон.

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.

В гелии, охлаждённом почти до абсолютного нуля, жидкость перестаёт тереться сама о себя и начинает течь без малейшего сопротивления. Физики запустили в такой сверхтекучий гелий крошечные полимерные шарики — от одного до шести микрометров, как бактерии, — и следили за их падением сквозь лазерную подсветку. Шарики светились, и их пути записывала камера.

В тёмной камере, где температура лишь на четыре градуса выше абсолютного нуля, лежит кристалл сапфира размером с рисовое зерно. Когда сквозь него пролетает нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещество, — кристалл вздрагивает и нагревается на ничтожную долю градуса. Этот тепловой отклик ловят сверхчувствительные датчики на краях кристалла.

Крошечное облако из 300 тысяч атомов иттербия, охлаждённое почти до абсолютного нуля, прокатили на световой дорожке длиной 34 сантиметра — как будто перевезли хрупкий груз по ухабистой дороге, не растряся.

Квантовая запутанность — нелокальная связь между частицами, при которой изменение состояния одной мгновенно отражается на другой, — хрупка, как тонкий лёд в топке: даже слабый нагрев разрушает её.

Свет и вещество в крошечном мире ведут себя по законам, которые трудно просчитать даже на суперкомпьютере. Физики строят специальные «квантовые тренажёры» — установки, где холодные атомы играют роль частиц и полей. Но до сих пор такие тренажёры могли изображать поле лишь в самом простом виде: как будто оно либо есть, либо нет. Настоящий же свет обладает бесконечным числом оттенков.

Охлаждение часто ассоциируется с наведением порядка: при замерзании молекулы воды выстраиваются в жёсткую кристаллическую решётку. Однако в квантовом мире снижение температуры способно порождать порядок куда более причудливый.

Обычный свет — это поток фотонов, летящих как попало: одних больше, других меньше, и в этом хаосе теряется точность измерений. Физики научились «причёсывать» этот поток, создавая сжатый свет — в нём шум одной характеристики становится меньше, чем у пустоты. Это как натянуть струну: она всё ещё дрожит, но уже не болтается.

Квантовый компьютер похож на оркестр, который играет только в полной тишине. Малейший шум — и хрупкая мелодия рассыпается. Для квантовых устройств таким шумом становится тепло: даже слабое инфракрасное излучение от соседних деталей нагревает кубиты и стирает их квантовые состояния.

Пространство-время на сверхмалых расстояниях напоминает цифровой экран: оно не гладкое, а состоит из мельчайших «пикселей». Эту минимальную длину вычислил Макс Планк — так называемую планковскую длину, фундаментальный предел, за которым привычная геометрия теряет смысл.

Кубит — фундаментальная единица квантовой информации — подобен мыльному пузырю: малейшее возмущение разрушает его хрупкое состояние. На Земле гравитация тянет «пузыри» вниз, порождая вибрации, а тепловое движение атомов добавляет дестабилизирующую дрожь.

Квантовая запутанность — хрупкий ресурс. Нагрейте систему, и тепловые флуктуации разорвут тонкие нити корреляций: при достаточно высокой, но конечной температуре гиббсовское состояние локального гамильтониана становится сепарабельным, то есть представимым как вероятностная смесь произведений локальных состояний.

В лабораториях на Земле конденсат Бозе — Эйнштейна получают, охлаждая облако атомов до миллиардных долей кельвина. Атомы теряют индивидуальность и сливаются в одну квантовую волну, которая ведёт себя как единое целое. Но в космосе такие условия не нужны: гравитация сама создаёт глубокие колодцы, где вещество сжимается и остывает до состояния квантового тумана.

В тёмной комнате луч лазера рисует на стене яркую точку. Свет кажется чем-то тёплым и неуправляемым, но физики уже три десятилетия используют его как дирижёрскую палочку, заставляя атомы танцевать в унисон. Всё началось с простого наблюдения: если направить на облако атомов встречный свет, он будет тормозить их, как поток воды, бьющий в лоб пловцу.