квантовый детектор

Длинный путь можно пройти, а можно свернуть его в короткий маршрут, не потеряв ключевых ориентиров. В квантовых вычислениях роль такого пути играет эволюция состояния во времени: она требует всё более длинных цепочек операций, и на реальном процессоре быстро тонет в шуме. Физики нашли способ сжимать каждый шаг эволюции в компактную настраиваемую схему, сохраняя точность выше 99%.

Свет, проходящий мимо микроскопической структуры, меняет направление распространения. Если размеры структуры меньше длины волны света, она действует как линза, собирая свет в пятно, диаметр которого меньше самой длины волны.

Представьте бильярдный шар, висящий в воздухе. По нему из духовой трубки вылетают крошечные горошины. Каждый удар едва заметен, но если шар очень лёгкий и почти не дрожит от тепла, можно разглядеть отдельные толчки. Примерно так устроен эксперимент: стеклянная сфера размером с бактерию парит в вакууме, а на неё летит узкий пучок атомов ксенона.

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.

Когда оркестр из тысяч музыкантов играет слаженно, заслуга не только в таланте каждого, но и в невидимой работе дирижёра. Примерно так же устроен будущий Широкоугольный спектроскопический телескоп (WST) — амбициозный проект с 12-метровым зеркалом, который сможет одновременно снимать спектры тысяч звёзд и галактик.

Пустое пространство не так пусто, как кажется. Согласно квантовой теории, вакуум наполнен непрерывно рождающимися и исчезающими частицами. В 1976 году физик Билл Унру показал: если наблюдатель движется с ускорением, этот «квантовый бульон» превращается для него в настоящую тёплую ванну — эффект Унру.

Низкочастотные радиоволны (от 30 до 300 килогерц) несут информацию сквозь толщу воды и земли. Но поймать их обычной антенной трудно: длина волны достигает нескольких километров, и маленький приёмник почти не чувствует такое поле. Физики нашли выход — они сделали антенной одиночный ион. Ион кальция-40 подвесили в вакууме с помощью электрических полей на поверхности чипа.

В комнате воздух касается кожи, и мы чувствуем его температуру. Но если бы тело вдруг понеслось с колоссальным ускорением, тепло пришло бы даже из абсолютной пустоты. Это не выдумка, а строгое следствие квантовой теории поля: для ускоряющегося наблюдателя вакуум становится тёплой ванной.

Прожектор бьёт прямо в глаза, а в паре шагов от него мерцает крошечный светлячок. Примерно так выглядит охота за землеподобной планетой у соседней звезды: планета в сто миллионов — десять миллиардов раз тусклее своей звезды, и на небе они почти сливаются в одну точку. Свет звезды забивает слабый планетный отблеск, делая обычные телескопы беспомощными.

Тёмная материя не оставляет следа в обычных детекторах — она проходит сквозь них, как ветер сквозь марлю. Чтобы её заметить, нужны приборы, способные ощутить удар комара в бурю. Квантовые датчики с порогом в доли электронвольта (в тысячу раз меньше энергии видимого света) как раз такие.

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.

Точечный дефект в кристаллической решётке нитрида бора работает как миниатюрный оптический индикатор. При возбуждении светом он испускает свечение, цвет которого сдвигается в красную область с ростом температуры: это классическая термометрическая зависимость.

Обычные магнитные датчики теряют чувствительность при уменьшении размеров. Но учёные превратили крошечный алмаз в световой компас. В отличие от ювелирных алмазов, здесь ценны не чистота, а искусственно созданные дефекты — азотно-вакансионные центры (NV-центры), которые и превращают кристалл в компас.

В тёмной комнате на лазерном луче висит стеклянная бусина размером с пылинку. Под ней — два зеркала: алюминиевое и серебряное. Если где-то рядом проносятся аксионы — лёгкие частицы-невидимки, которые могли бы составить таинственную тёмную материю, — они обмениваются ими с атомами зеркал, и бусина чуть-чуть смещается.

Обычный детектор фотометрии — прибора, измеряющего интенсивность света, — не отличает фотон, пришедший слева, от фотона, пришедшего справа. Но стоит детектору начать движение, как ситуация меняется. Представьте лодочника, который гребёт между двумя флейтистами, играющими одну и ту же ноту.

Физики предложили эксперимент, в котором лазерный луч выступает в роли квантового детектора — устройства, способного регистрировать квантовые эффекты, — и расщепляется на два луча, подобных паре ушей.

Четыре крошечные лужицы, и в них плещутся капли сверхтекучей жидкости. Эти капли — атомы, охлаждённые почти до абсолютного нуля и связанные в пары, как маленькие магнитики. Когда вся конструкция поворачивается, жидкость перетекает между лужицами. Достаточно просто посчитать, сколько капель оказалось в каждой, — и угол со скоростью поворота становятся известны.

Обычный дождемер собирает воду в ведро и показывает общий объём осадков. А новый прибор — как чуткая ладонь, ощущающая каждую упавшую каплю и ведущая им счёт, даже когда капель становится несколько тысяч. Именно такой прибор построили физики. Они научились точно подсчитывать фотоны — мельчайшие порции света — в очень слабых лазерных вспышках.

Крошечная стеклянная бусина висит в луче лазера, как пылинка в солнечном свете. Вокруг неё — разреженный газ: атомы криптона, ксенона и тяжёлые молекулы шестифтористой серы. Они сталкиваются с бусиной, и каждый удар передаёт ей крошечный импульс — как горошина, брошенная в натянутую простыню, заставляет её дрожать. Импульс — это мера движения: произведение массы на скорость.

Поиск одиночной светящейся точки в тёмном образце похож на попытку найти иголку в стоге сена: луч микроскопа ползёт строка за строкой, тратя время и свет впустую. Физики заменили этот медленный обход случайными узорами света. Образец освещают сразу широким полем, но каждый раз — новым узором из светлых и тёмных пятен, как будто на него проецируют случайные тени от решётки.

Охранник должен проверить пять комнат, но заходить внутрь ему нельзя. Он стучит в дверь и прислушивается: тишина означает, что внутри кто-то есть, а эхо — что комната пуста. Похоже работает измерение без взаимодействия: квантовая частица, например фотон, проходит мимо объекта и своим поведением выдаёт, был ли на пути поглотитель, хотя сам фотон в него не попал.

Обычная антенна ловит радиоволны, но есть поля, которые она почти не чувствует. Речь о медленных электрических полях — таких, что меняются раз в секунду или реже. Для них физики собрали датчик из пучка атомов рубидия. Пучок летит в вакууме, и атомы в нём ведут себя как крошечные стрелки компаса, только реагируют не на магнит, а на электрическое поле. Атомы в пучке сначала облучают лазером.

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.

Инфракрасный свет не виден глазу, но он повсюду: от пульта телевизора до тепла человеческого тела. Чтобы его поймать, нужны особые материалы. Обычные детекторы громоздкие, жёсткие и плохо настраиваются на нужную длину волны. Исследователи обратились к чёрному фосфору — слоистому материалу, который можно расщепить до плёнки толщиной в несколько атомов.

Чтобы разглядеть тусклую звезду над ярким ночным городом, астрономы применяют метод вычитания кадров: из одного снимка неба вычитают другой, убирая постоянное сияние фонарей и оставляя только переменные объекты.

Один-единственный антипротон, пойманный в ловушку и охлаждённый почти до абсолютного нуля, ведёт себя как камертон, по которому нужно ударить очень точно, чтобы услышать чистый звук. Уловить этот «звук» напрямую почти невозможно — слишком слаб сигнал.

Фотон можно представить как автомобиль на многоэтажной парковке, где каждый этаж соответствует его частоте (цвету). В обычных условиях он «застревает» на одном уровне, но исследователи внедрили «лифт» — программируемый модулятор, который по команде перемещает фотон между этажами.

Рентгеновский аппарат в стоматологии делает один плоский снимок зуба. А если нужно увидеть внутренности микрочипа со всех сторон, приходится везти образец на синхротрон — ускоритель размером с футбольное поле.

На огромном поле светлячков, которые вспыхивают поодиночке, а не роем, ищет новая автоматическая установка. Она водит лазером по образцу, как фонариком, и в каждой точке записывает цвет и яркость свечения. Если где-то вспыхивает одиночный фотон — это и есть тот самый «светлячок», который нужен для квантовых компьютеров и защищённой связи.

На Большом адронном коллайдере физики разгоняют протоны почти до скорости света и сталкивают их. Обычно в таких столкновениях участвуют сами протоны, но иногда они пролетают рядом, не задевая друг друга, а взаимодействуют их электрические поля. Эти поля можно представить как облака из фотонов — частиц света, которые окружают каждый протон.

Частица, пойманная в световую ловушку, ведёт себя как шарик на пружинке: толкни — и она закачается. Если резко сжать пружинку, шарик на мгновение замрёт в самой нижней точке, где его положение известно точнее всего. Именно этот миг использовали физики, чтобы превратить наночастицу в сверхчувствительный акселерометр.

Обычный радиоприёмник ловит волны антенной из металла. А здесь антенной служит один-единственный атом, у которого электрон заброшен на далёкую орбиту — как спутник на высокую орбиту вокруг Земли. Такие атомы называют ридберговскими.

Обычный датчик похож на весы, которые всегда немного трясутся сами по себе. Даже в полной тишине и при нулевой температуре любая частица дрожит — это квантовое дрожание, и оно ограничивает точность любых измерений. Учёные взяли крошечную стеклянную пылинку (меньше толщины волоса), подвесили её в луче лазера и заставили дрожать не как обычно, а в особом режиме.

Свет одной-единственной молекулы — как одинокий голос в огромном хоре. Чтобы услышать его, нужен не микрофон, а тонкий инструмент, который ловит каждый фотон и отмечает время его прихода. Именно такой прибор собрали исследователи: он измеряет не только яркость и цвет свечения, но и то, как часто фотоны приходят парами — это называется статистикой второго порядка.

Свет, независимо от его источника, состоит из фотонов — элементарных частиц, квантов электромагнитного поля. Простейший детектор света, такой как фотометрический измеритель освещённости, работает в бинарном режиме: он лишь фиксирует, попали в него фотоны или нет, выдавая ответ «да/нет».

Тёмная материя не светится и не отражает свет, но её притяжение удерживает галактики от разлёта. Из чего она состоит — загадка. Один из главных кандидатов — аксионы, сверхлёгкие частицы. Их поиск похож на прослушивание очень тихого радиосигнала, но мешает собственный шум приёмника.

Тёмная материя — невидимое вещество, которое держит галактики вместе, но не испускает свет. Поймать её частицы — всё равно что услышать шёпот в шумном зале. Обычные детекторы слышат только громкие удары, а слабые сигналы тонут в помехах. В жидком аргоне частица тёмной материи, столкнувшись с ядром атома, выбивает искру света и облако зарядов. Но при слабом толчке искра едва тлеет.

Тёмная материя — невидимая субстанция, масса которой примерно в пять раз превышает массу обычного, барионного вещества. Её гипотетические частицы крайне слабо взаимодействуют с атомами: они проходят сквозь вещество, почти не оставляя следов, но изредка могут рассеяться на электроне — подобно тому, как порыв ветра задевает натянутую струну, вызывая едва уловимое колебание.

Камера, которая видит ультрафиолет, обычно стоит как хороший автомобиль. Всё потому, что для неё нужен особый кристалл и сложная фабрика. Инженеры из Кореи решили иначе: взяли самый обычный чип, какие миллионами делают для телефонов, и нанесли на него тонкий слой из наночастиц оксида металла — как краску из баллончика.

Цепочка атомов, размещённая на светопроводящем чипе, ведёт себя подобно ряду маятников на общей перекладине: раскачиваясь в противоположных направлениях, они почти не передают энергию воздуху и замирают надолго.