квантовая термическая стабильность

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная напоминала кипящий котёл — сверхплотную, горячую плазму элементарных частиц. Согласно одной из гипотез, именно в этой среде могла родиться тёмная материя — невидимое вещество, которое своим гравитационным притяжением удерживает галактики от развала.

Брошенный в чай кусочек сахара растворяется, и вскоре вся жидкость становится одинаково сладкой. Этот путь к равновесию настолько привычен, что кажется очевидным. Но если заглянуть в мир атомов, где всё подчиняется квантовой механике, картина размывается: частицы запутанно колеблются, а тепло и холод — лишь усреднённые ощущения от миллиардов отдельных движений.

В кипящей воде можно увидеть прообраз квантового фокуса: если часть жидкости превратить в долгоживущие пузыри пара, основная масса остынет. Именно это происходит при резком ударе по системе взаимодействующих электронов: вспыхивают дублоны — связанные пары частиц, которые вбирают в себя лишнюю энергию и не распадаются поразительно долго.

В центре внимания — черная дыра, но не простая. Она несет в себе магнитный монополь и окружена дилатоном — полем, которое размывает привычные границы пространства. Авторы проверили, насколько такая система устойчива к тепловым толчкам. Магнитный монополь — гипотетическая частица с одним магнитным полюсом.

Тонкая плёнка из оксида иттрия-бария-меди греется в потоке инфракрасных лучей — и вдруг перестаёт рассеивать энергию. Это сверхпроводимость: электроны объединяются в пары и движутся единым квантовым роем. Но в недодопированных образцах согласие нарушается задолго до того, как пары распадутся. Они уже есть, а общий ритм ещё нет.

Пламя свечи дрожит от сквозняка, но не гаснет — язычок лишь на миг меняет очертания и возвращается. Примерно так же ведут себя световые скирмионы — крошечные вихри в поле луча, напоминающие закрученные водовороты. До недавнего времени их получали только в идеальном, ровном свете лазера. Малейшая рябь — и вихрь рассыпался.

Магнитная ловушка в форме бублика удерживает плазму из бора и водорода. Внутри неё температура поднимается выше ста миллионов градусов — жарче, чем в центре Солнца. При такой жаре ядра сталкиваются и сливаются, выделяя энергию.

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.

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 проволочка из кристалла α-Bi₄Br₄ — смесь висмута и брома — проводит ток не как обычный провод. Внутри неё электричество движется только по краям, словно вода по желобу, не задевая дно и стенки. Такое поведение называют топологической изоляцией: внутри материал не проводит, а по поверхности или краям электроны скользят без потерь.

Квантовый компьютер — как оркестр, где каждый музыкант должен играть с точностью до миллиардной доли секунды. Если один инструмент расстроится, вся симфония рухнет. Поэтому учёные целый год наблюдали за 27 кубитами — простейшими ячейками квантовой памяти.

Магнитное поле окружает нас повсюду: от компаса в телефоне до томографа в больнице. Чтобы измерить его с высокой точностью, нужны особые материалы, которые реагируют на малейшие изменения поля. Один из таких материалов — молекулярные кристаллы, в которых спины электронов (своеобразные «волчки») могут долго сохранять своё состояние.

Квантовые устройства обычно держат в криостатах — больших термосах, где температура ниже, чем в открытом космосе. Ион эрбия, запертый в крошечной ловушке на кремниевом чипе, ломает эту традицию. Он работает прямо на столе, при комнатной температуре, и помнит квантовое состояние полмиллисекунды.

Любая машина, будь то автомобильный мотор или крошечный нанохолодильник, работает с дрожью. Топливо сгорает неравномерно, электроны проскакивают через контакты не по расписанию — и стрелка мощности на приборах мелко вибрирует. Эти вибрации называют флуктуациями. Они не просто шум: по ним можно судить, насколько стабильно устройство и сколько энергии оно тратит впустую.

Квантовые компьютеры опираются на ГКП-состояния (состояния Готтесмана–Китаева–Прескилла), предложенные Алексеем Китаевым, Джоном Прескиллом и Дэниелом Готтесманом.

Топологические фазы обычно прячутся в криостатах. Сверхпроводящие цепи, ультрахолодные атомы, лазерные импульсы — все они оберегают квантовый порядок от теплового шума.

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.