рубидий

Квантовая лаборатория похожа на кухню, где повар ждёт сутки, пока остынет плита. Сверхпроводящие кубиты работают только при температуре в сотые доли кельвина, и каждый цикл «охладить — измерить — согреть» съедает день. Группа инженеров построила холодильник размером с дыню и массой 3 кг, который справляется за два часа.

Мост, по которому пешеходы и велосипедисты движутся в одном потоке, не мешая друг другу. Примерно так работают гибридные системы из сверхпроводников и полупроводников: одни переносят ток без потерь, другие управляют этим током. Но чтобы построить такой мост, нужен сверхпроводник, который не боится сильного магнитного поля и не разрушает хрупкую полупроводниковую основу при изготовлении.

Маятник в этих часах качается не от пружины или гири, а от крошечного толчка внутри атомного ядра. Обычные атомные часы отсчитывают время по колебаниям электронов, но здесь маятником служит само ядро — плотный шарик из протонов и нейтронов. У тория-229 есть особый ядерный переход — изменение энергетического состояния ядра, — который можно «завести» светом.

Радиоприёмник размером с ладонь способен измерить мощность сигнала точнее дорогих лабораторных стендов. Внутри нет катушек и антенн — только стеклянная головка и облачко атомов рубидия, охлаждённых почти до абсолютного нуля. Атомы парят в перекрестье лазерных лучей, удерживаемые не магнитами, а силой света — как мошка в капле сиропа.

Два танцора на сцене должны двигаться безупречно синхронно, но стоит одному замешкаться — и весь номер испорчен. Примерно так работают квантовые компьютеры на нейтральных атомах: два атома запутывают, переводя в ридберговское состояние (огромное, как воздушный шар по сравнению с обычным атомом), и ждут, пока они «станцуют» свою партию.

Электроны в твёрдом теле обычно либо свободно бегают (металл), либо заперты на месте (изолятор). Но иногда сильное взаимное отталкивание запирает их в половинчатом состоянии: заряды стоят, а спины — маленькие магнитные стрелки — продолжают жить своей жизнью. Это называют моттовским изолятором.

Создать узел квантовой сети — всё равно что научить танцора балансировать на углеродной нити над пропастью. Одна нога должна легко отрываться от опоры, метая фотоны-вестники во внешний мир. Другая — намертво цепляться за канат, храня драгоценную квантовую информацию.

Квантовый мир полон перевоплощений. Иногда система, собранная из одних частиц, начинает вести себя так, будто в ней завелись совсем другие. Например, в цепочке бозонов — «общительных» частиц, любящих собираться в одном состоянии — могут неожиданно проявиться фермионы, которые обычно держатся особняком.

В квантовом мире частицы могут сливаться в единую жидкость, которая течёт без трения. Одна из самых загадочных её форм — дробная квантовая жидкость Холла. В ней электроны или атомы двигаются как единый вихрь, а их заряд дробится на части, словно пирог, нарезанный на идеально ровные куски.

Самый точный маятник в мире — не стальной стержень, а крошечное атомное ядро. У изотопа тория-229 есть особое возбуждённое состояние: чтобы перевести ядро в него, нужно совсем немного энергии — примерно как у ультрафиолетового лазера.

Маятник, который почти ничто не может сбить, не боится ни тряски, ни тепла, ни магнитных полей — потому что спрятан в самой сердцевине атома. Именно такой маятник использовали физики, впервые запустив ядерные часы. Раньше лучшие часы — оптические — работали на переходах электронов. Но электроны живут на периферии атома, как бабочки на ветру: любое внешнее воздействие их тревожит.

Самые точные современные часы — атомные — отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями. Однако их ход можно нарушить: подобно тому, как тряска сбивает ритм механического маятника, внешние поля влияют на электронные оболочки. Физики нашли более стабильный осциллятор — атомное ядро.

Квантовый бит, или кубит, — фундаментальная единица квантовой информации — представляет собой крайне нежную конструкцию. Даже слабое тепловое воздействие способно разрушить его состояние, подобно тому как случайный толчок опрокидывает хрустальный бокал, разбивая его вдребезги.

Маятник качается с такой точностью, что, отсчитывай он секунды от Большого взрыва, к сегодняшнему дню ошибся бы всего на полсекунды. Такова стабильность нового портативного ультрафиолетового лазера — сердца алюминиевых атомных часов. Этот лазер работает как сверхточная линейка для измерения частоты атомного перехода.

Крошечные магнитики внутри атомов — ядерные спины — в холодном кристалле могут «застыть» на долгие минуты. Это мешает быстрой настройке квантовых датчиков: слишком медленно всё приходит в нужное состояние. Физики нашли способ подтолкнуть их светом.

Квантовые частицы способны проходить сквозь препятствия, словно мяч, внезапно оказывающийся внутри холма и вылетающий с другой стороны. Этот туннельный эффект — прямое следствие волновой природы материи — объяснил Георгий Гамов, разгадывая механизм альфа-распада: как частицы покидают атомное ядро, преодолевая потенциальный барьер.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр пытается уловить общую мелодию. Примерно так физики смотрят на электроны в купратах — керамических материалах, которые проводят ток без сопротивления при температуре выше жидкого азота. Главные действующие лица — атомы меди и кислорода. Между ними электроны перепрыгивают, взаимодействуют и создают удивительный эффект.

Оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, а дирижёр управляет всеми сразу. В квантовом компьютере на нейтральных атомах роль дирижёра выполняет лазерный луч, который должен попадать точно в цель, не сбиваясь ни на долю секунды. Атомы при этом не стоят на месте — они дрожат в ловушке, как музыканты на скользкой сцене, и луч иногда промахивается.

Квантовый компьютер на нейтральных атомах напоминает библиотеку, где книги нужно не просто прочитать, но и быстро вернуть на полку. Долгое считывание результата — как медленный библиотекарь, который задерживает всю очередь. Учёные нашли способ ускорить этот процесс, добавив помощников.

Внутри медных сверхпроводников — материалов, которые проводят ток без потерь при неожиданно высоких температурах — есть скрытая фаза. Она ведёт себя как обычный металл, но её не видно в стандартных измерениях.

Обычная алюминиевая кастрюля на плите не испускает молекулы, которые можно поймать светом. Но если взять алюминий и соль алюминия, нагреть их вместе в маленькой печи, получится поток молекул фторида алюминия — как струя пара из носика чайника, только вместо капель воды летят крошечные частицы.

Треугольные качели никогда не успокоятся: в системе трёх взаимодействующих атомов один всегда остаётся в подвешенном состоянии. Это и есть фрустрированный магнит — вечный танец без покоя, где спины (магнитные моменты атомов) не могут одновременно занять энергетически выгодное положение.

Обычный кухонный термометр показывает температуру, при которой ртуть перестаёт сопротивляться электричеству. Для сверхпроводников, из которых делают квантовые компьютеры, критическая температура — как паспорт качества: чем выше, тем лучше. Тантал в форме альфа — отличник, а его близнец бета считался двоечником.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но все должны звучать слаженно. До сих пор большинство квантовых схем строились из одинаковых атомов — как если бы в оркестре были одни скрипки. Теперь физики научили работать вместе два разных элемента: рубидий и цезий.

В герметичной стеклянной колбе размером с палец кипит металлический пар. Основной компонент — цезий, но в нём прячется один процент рубидия. Лазерный луч на длине волны 795 нанометров находит эту примесь и заставляет её светиться. Рубидий в одиночку дал бы слабый сигнал: атомы быстро пролетают сквозь луч.

Молекула воды похожа на крошечную гантель: два атома водорода крепятся к атому кислорода под углом. Эта гантель не стоит на месте — она растягивается, сжимается и вращается. Каждое такое движение имеет свою энергию, как ступеньки лестницы. Чтобы понять, как вода поглощает свет или участвует в химических реакциях, нужно знать высоту этих ступенек.

Атом водорода — как крошечные часы, тикающие с точностью, о которой инженеры могут только мечтать. Когда электрон перескакивает между орбитами, он поглощает или испускает свет строго определённой частоты — это и есть «тик».

Обычные атомные часы тикают, когда электрон перескакивает между уровнями энергии. Но внешние поля и толчки могут сбить этот ритм. Высокозаряженные ионы — атомы, у которых оторвали много электронов, — почти не замечают таких помех: их электроны сидят глубоко и крепко. Поэтому из них получаются сверхстабильные «маятники». Ион Cf17+ — это атом кюрия, у которого забрали 17 электронов.

Квантовый компьютер похож на капризный оркестр: каждый кубит — музыкант, который слышит малейший шум и сбивается. Чтобы сыграть сложную симфонию вычислений, нужны сотни инструментов, настроенных в унисон.

Обычные сообщения можно перехватить незаметно для отправителя и получателя. Физики разработали метод создания общего секретного ключа, который разрушается при любой попытке перехвата. Носителем информации служат одиночные частицы света — фотоны.

Подброшенная монета — простейший генератор случайности. Но если монету подпилить, она начнёт жульничать. В квантовом мире роль монеты играет свет: его свойства принципиально непредсказуемы. Проблема в том, что прибор, который «бросает» квантовую монету, может быть неисправен или даже подменён злоумышленником. Авторы работы собрали генератор, который не требует полного доверия к деталям.

Квантовые компьютеры обещают точно описывать молекулы, но их главная беда — шум. Каждый лишний кубит и каждая лишняя операция добавляют ошибки. Химики и физики придумали способ считать молекулы с половинным числом кубитов: метод HSQD. Он берёт квантовую выборку — как пробу грунта из скважины — и передаёт её классическому компьютеру для точной обработки.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где электроны и ядра играют на разных инструментах. Обычно дирижёру нужны две палочки: микроволны для электронов и радиоволны для ядер. Учёные из Японии нашли способ обойтись одной палочкой — они заставили микроволновые импульсы управлять и ядром, и электроном одновременно.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но чуть что — сбивается. Ошибки в кубитах возникают постоянно: то инструмент расстроится, то музыкант пропустит ноту. Обычно дирижёру приходится угадывать, кто именно ошибся, и это очень трудно. В новой работе учёные сделали кубит, который сам поднимает руку, когда ошибся.

Термометр, который не врет годами. Обычные термометры сопротивления, даже очень точные, со временем начинают ошибаться: материал стареет, контакты окисляются, и показания уплывают. Новый квантовый термометр устроен иначе — он использует сами атомы рубидия как эталон.

Представьте устройство размером с песчинку: крошечное параболическое зеркало-тарелка удерживает одиночный атом рубидия и собирает его свечение — фотоны, испускаемые атомом под лазерным лучом.

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.

Квантовый компьютер похож на оркестр, где каждый музыкант играет свою партию, но иногда берёт фальшивую ноту. Ошибки накапливаются, и нужен кто-то, кто быстро поправит звук. В квантовой памяти роль такого настройщика играет охлаждение: оно убирает лишние фотоны — частицы света, которые остаются после вычислений.

Нагрейте обычные кварцевые часы на десять градусов — и они начнут убегать на секунды в сутки. Атомные часы точнее, но занимают целый шкаф. Алмаз с крошечным дефектом — азотной вакансией — обещает точность атомных часов в объёме песчинки. Одна беда: этот дефект очень чувствителен к теплу, как камертон, который меняет тон от температуры воздуха. В новой работе дефект заставили петь на два голоса сразу.

В новом процессоре Helios 98 ионов бария движутся по замкнутому маршруту в электромагнитной ловушке, словно лошадки на карусели. Такая архитектура — кольцевой регистр — позволяет любому иону обмениваться квантовой информацией с любым другим напрямую, делая систему гибкой и масштабируемой.