Революционный провал. Как ученые случайно совершили прорыв в квантовом программировании

Гипотеза Николаса Бломбергена

В середине прошлого века американский физик нидерландского происхождения Николас Бломберген стоял у истоков открытия метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

За несколько недель до прибытия Бломбергена в Гарвардский университет в 1946-м, его наставник профессор Эдвард Миллз Парселл достиг ЯМР в твердых и жидких телах, за что получил Нобелевскую премию со своими коллегами в 1952-м.

Техника ЯМР позволила ученым определять химическое строение веществ и их внутримолекулярные превращения: это стало возможным благодаря открытию излучения электромагнитной энергии веществом, которое состоит из ядер с ненулевым спином (моментом импульса) в магнитном поле.

Иными словами, изменяя частоту волн магнитного поля, физики из Гарварда заставили ядра реагировать на эти изменения и создавать электромагнитный сигнал.

После этого Николасу Бломбергену поручили создать первое ЯМР-устройство, которое впоследствии привело к открытию магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Сегодня медики используют МРТ для анализа состояния органов человека, а ЯМР стал одним из самых распространенных методов в физике и химии для исследования молекулярных структур.

Но Бломберген пошел дальше и решил изучить, как можно влиять на мельчайшие частицы с помощью не магнитного, а электрического поля.

Дело в том, что магнитные поля трудно ограничить и использовать для точечного контроля состояний тех же атомных ядер. В отличие от этого, электрическое поле можно создать в крошечном пространстве, что сулит огромные перспективы его использования для контроля каждого отдельного атома в наноэлектронных устройствах.

В 1961-м Бломберген выдвинул гипотезу, согласно которой, наравне с ЯМР, можно достичь эффекта ядерного электрического резонанса. То есть, эффективно управлять ядрами атомов с помощью только лишь электрического поля.

Николас Бломберген получил свою Нобелевскую премию по физике в 1981-м, а умер в 2017-м в возрасте 97 лет, и до недавнего времени никому не удалось подтвердить его гипотезу на практике.

Удачная ошибка

На днях группа ученых из Университет Нового Южного Уэльса в Австралии опубликовала исследование, согласно которому они научились управлять атомными ядрами благодаря электрическому полю.

Причем, как заявляют авторы открытия, они это сделали совершенно случайно.

Через 59 лет после появления гипотезы Бломбергена об ядерном электрическом резонансе, австралийские ученые экспериментально подтвердили, что такой метод можно реализовать на практике.

Изначально физики планировали выполнить метод ЯМР на одном атоме сурьмы — химическом элементе, который обладает большим ядерным спином.

Автор исследования доктор Винсент Моурик (Dr. Vincent Mourik) объясняет, что во время эксперимента они заметили, что что-то пошло не так: ядра вели себя очень странно и совсем не реагировали на нужных частотах волн магнитного поля.

«Мы сделали устройство, которое содержит атом сурьмы и специальную антенну, оптимизированную для создания высокочастотного магнитного поля для управления ядром атома. Эксперимент требовал, чтобы это поле было достаточно сильным, поэтому мы направили много энергии на антенне и просто взорвали ее», — говорит Моурик.

По его словам, в случае с меньшими ядрами (такие как у фосфора) взрыв антенны привел бы к непригодности всего устройства.

Но с ядрами сурьмы оно продолжило работать и эксперимент стал более чем успешным: оказалось, что после повреждения антенна создала сильное электрическое поле, которое и позволило управлять состоянием ядра.

Электрическое поле эффективно искажало атомные связи вокруг ядра, что привело к его смещению. По окончанию эксперимента Моурик заявил, что его команда «заново открыла» эффект ядерного электрического резонанса.

«Наше открытие означает, что теперь у нас есть путь для разработки квантовых компьютеров с помощью одноатомных спинов без необходимости какого-либо магнитного поля для их работы. Кроме того, мы можем использовать эти ядра в качестве максимально точных датчиков электрических и магнитных полей для исследования фундаментальных вопросов квантовой физики», — говорит научный профессор квантовой инженерии Университет Нового Южного Уэльса Андреа Морелло (Andrea Morello).

Как известно, главной проблемой квантовых компьютеров остаются трудности в поддержании стабильного состояния сверхпроводников, которые отвечают за функционирование кубитов — единиц квантовой информации, аналогичных битам в обычных компьютерах.

Ученые из Австралии заявляют, что их открытие позволит разработать датчики электрических полей повышенной чувствительности для контроля ядер с помощью обычных электронных устройств из кремния и металлических электродов с небольшим напряжением.

«Я работал над спиновым резонансом в течение 20 лет своей жизни, но, честно говоря, я никогда не слышал о ядерном электрическом резонансе. Эта идея не использовалась в течение более полувека после первых попыток, которые доказали, что это слишком трудно реализовать на практике», — рассказывает профессор Морелло.

Примечательно, что эксперимент австралийских физиков был нацелен на исследование границ между миром квантовых явлений и миром привычных нам законов физики. Эти границы как раз и определяет хаотичное поведение ядерного спина.

Недавно исследователи проекта TEQ (Testing the large-scale limit of quantum mechanics) заявили о разработке аналогичного устройства, которое позволит определить, при каких условиях мельчайшие частицы начинают проявлять квантовые свойства, и как можно использовать их для обработки информации.

Границы квантовой механики

Как уже писало НВ, ученые из TEQ, куда входят несколько европейских университетов под руководством физиков из Университетского колледжа Лондона, работают над устройством для исследований квантовых состояний частиц кварца.

Эксперимент планируют провести над очень мелкими частицами, но они будут больше, чем любые объекты, которые когда-либо использовали в подобных исследованиях до этого.

Главная задача нового устройства TEQ — определить, насколько большими могут быть объекты, которые проявляют квантовые свойства. Ученые хотят провести границу между миром квантовой физики, который во многом описал датский теоретик Нильс Бор, и более привычным для нас макромиром, где действую законы общей теории относительности немецкого физика Альберта Эйнштейна.

Кроме расхождений в объяснении физики между Эйнштейном и Бором, в квантовой механике также есть теории, которые противоречат друг другу. В частности, согласно Копенгагенской интерпретации, одним из авторов которой был тот же Бор, квантовое состояние объекта (в данном случае — суперпозиция) нарушается, когда он взаимодействует с атомами измерительного прибора.

Однако, Копенгагенская интерпретация имеет большой изъян: ее авторы не смогли объяснить, что именно можно назвать процессом измерения и как конкретно наблюдатель нарушает квантовую систему.

Восполнить этот пробел в теории Бора в середине 1980-х попытались итальянские физики Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебер, которые описали свою теорию объективного коллапса волновой функции. Теорию назвали ГРВ, в честь самих ученых.

Согласно ГРВ, суперпозиция квантового объекта нарушается спонтанно, и факт измерения здесь не играет никакой роли. Ученые предположили, что вероятность коллапса суперпозиции будет увеличиваться при переходе к макроскопическим системам. То есть, чем больше объект — тем более вероятно, что он будет находиться в суперпозиции очень короткое время, и сразу же перейдет к однозначному состоянию.

Проверить теорию ГРВ как раз и собираются ученые из TEQ, измеряя коллапс волновой функции в «макроскопическом экспериментальном устройстве».

«Если физики смогут измерить этот коллапс в действии — это означает, что модель верна. Можно сказать, что на этом моменте заканчивается квантовая механика и начинается классическая физика. Это было бы потрясающе», — говорит один из исследователей TEQ физик из Университетского колледжа Лондона Питер Баркер.

Суть эксперимента в следующем: ученые планируют подвергнуть действию электрического поля нанометровую частичку кварца (размером примерно в 1000 раз меньше человеческого волоса) в холодном замкнутом пространстве. Из-за этого колебания атомов объекта должны приблизиться к нулю, проявляя квантовые свойства.

После этого частичку кварца атакуют лазерным пучком, и рассеивание света должно засечь движение или спокойное состояние диоксида кремния, из которого состоит кварц. Если движение объекта подтвердят — теория ГРВ будет доказана, и ученые смогут определить, на каком именно этапе происходит коллапс волновой функции квантовой частицы.

Наиболее сложным в этом эксперименте будет изолирование объекта от внешнего физического воздействия — фоновых шумов, которые ученые могут по ошибке принять за квантовые движения. Эксперимент планируют провести в течение следующего года в Университете Саутгемптона в Великобритании.