Фізикам вдалося охолодити об’єкт нижче точки квантової межі

Вченим-фізикам з Національного інституту стандартів і технологій (National Institute of Standards and Technology, NIST) вдалося охолодити мікроскопічний механічний об’єкт настільки глибоко, що його температура впала нижче нуля так званого квантової межі.

Цим об’єктом був крихітний “барабан”, вібруюча алюмінієва мембрана, енергія якої після охолодження склала одну п’яту від енергії одного кванта. Нова технологія охолодження теоретично може використовуватися для того, щоб охолодити об’єкти до температури абсолютного нуля, температури, при якій будь-яка матерія повністю позбавляється всієї теплової енергії і руху.

“Чим меншу температуру може мати об’єкт, тим це краще для деяких областей” – розповідає Джон Теуфель (John Teufel), вчений-фізик з NIST, – “Датчики, в яких є такі чутливі елементи, зможуть здобути більшу точність і роздільну здатність. А якщо використовувати такі об’єкти в квантових обчисленнях, то це дозволить уникнути виникнення помилок “.

Алюмінієвий барабан являє собою диск, діаметром 20 мікрометрів і завтовшки 100 нанометрів, який включений в надпровідних електронну схему. Ця схема зроблена так, що коливання мембрани впливають на мікрохвильові промені, що відбиваються від електромагнітної западини. Мікрохвильові промені є однією з форм електромагнітного випромінювання, це вид свого роду “невидимого світла”, тільки з меншою, ніж світло, частотою і більшою довжиною хвилі відповідно.

Фотони мікрохвильового випромінювання, що потрапили всередину западини, змінюють свою частоту. Ці зміни частоти відповідають частоті коливань мембрани. В результаті цього виникає коливальна система, що має певну резонансну частоту.

Вченим з NIST раніше вдалося охолодити мембрану “барабана” до низькоенергетичного стану, при якому його енергія відповідає одній третій частині від енергії кванта. Для цього використовувалася технологія, що має мудре назву “sideband cooling”, в якій використовується мікрохвильове випромінювання з частотою нижче резонансної частоти системи. Під впливом цього випромінювання в ланцюгах навколо западини починають рухатися електричні заряди, під впливом яких виникають фотони світла, що мають більш високу частоту, ніж резонансна частота системи. Коли западина заповнюється фотонами більше певної межі, деякі з фотонів залишають її, несучи з собою частинку енергії, що і призводить до охолодження елементів системи.

Така технологія охолодження дуже схожа на технологію лазерного охолодження, яка була розроблена в 1978 році і яка досить широко використовується для охолодження окремих атомів в атомних годинниках.

Для досягнення більш низької температури, вчені NIST використовували так зване “стиснення” світла. Стиснення є квантово-механічним явищем, в якому шум і інші небажані коливання відокремлюються і ізолюються від основної частоти коливань світла, не зачіпаючи хід експерименту. Для реалізації стиснення вчені використовували спеціальну схему, що діє як шумопонижувач і яка виробляє фотони, повністю позбавлені сторонніх коливань, таких, як коливання їх інтенсивності.

“Шум, укладений в фотонах, призводить до порушення гармонійності коливань системи і, отже, до її нагрівання” – розповідає Джон Теуфель, – “Ми стиснули світло до найвищого рівня і отримали фотони з надзвичайно стабільною інтенсивністю. Ці фотони сильні і тендітні одночасно” . Теоретичні розрахунки і проведені експерименти вказують на те, що використання стисненого світла дозволяє позбутися від загальноприйнятого межі охолодження. При цьому, все це зачіпає більш великі об’єкти, які мають більш низьку резонансну частоту, які дуже важко піддаються охолодженню до температур, близьких до точки абсолютного нуля.

Вчені з NIST вважають, що такий охолоджений “барабан” може стати кубітом (квантовим бітом) гібридного квантового комп’ютера, комп’ютера, в якому використовуються і квантові, і механічні елементи.