Кавалерийская осада

Лихая кавалерийская атака последнего десятилетия на бастионы квантовых вычислений захлебнулась и перешла в длительную осаду без ясных надежд на успех.

Лихая кавалерийская атака последнего десятилетия на бастионы квантовых вычислений захлебнулась и перешла в длительную осаду без ясных надежд на успех. Сильные мира сего, поначалу испугавшись, что квантовый компьютер будет способен щелкать стойкие шифры, как семечки, и обрушит систему банковских транзакций, успокоились и перестали сорить деньгами. Начался нормальный научный процесс.

Нельзя сказать, что у научной кавалерии совсем не было успехов. Квантовое шифрование и передача информации по оптоволокну даже успело выйти из стен научных лабораторий и бодро движется по направлению к рынку. Но собственно квантовые вычисления, требующие манипуляций не с одним-двумя кубитами (единицами квантовой информации), а по крайней мере с десятками и сотнями (чем их больше, тем мощнее квантовый компьютер), уперлись в фундаментальнейшую проблему современной физики. Ни одна из нескольких десятков разнообразных лабораторных реализаций квантовых вычислений не продвинулась дальше нескольких кубит. И проблема у всех одна и та же — быстрое разрушение нежной квантовой информации внешним шумом и отсутствие полноценной теории для описания этого процесса. А если нет теории, то и не ясно, как можно обойти эти трудности. Собственно, сама проблема была осознана еще в начале прошлого века на этапе становления квантовой механики — дело в том, что в ней отсутствует четкая граница между квантовым и классическим миром. Казалось бы, более общая квантовая механика не может обойтись без классического прибора для таинственного и малопонятного процесса измерений — преобразования квантовой информации в классическую. Это отнюдь не значит, что на сей счет совсем нет науки. Теорий-то как раз предостаточно. И для некоторых даже есть экспериментальное подтверждение. Но ни одна из них толком не объясняет, каким образом при увеличении числа элементарных частиц любой квантовый объект постепенно переходит в классический и тем самым теряет способность оперировать с квантовой информацией.

Физики надеялись, что квантовый компьютер позволит им «из первых принципов» просчитать структуру многоэлектронных атомов и молекул, описать их столкновения, ход химических реакций, механизмы ионизации и рекомбинации. Эти явления лежат в основе большинства физических, химических и биологических процессов. Дело в том, что как только в деле участвует несколько сильно влияющих друг на друга «запутанных» квантовых частиц, их поведение не в состоянии просчитать ни один современный компьютер. Это происходит потому, что размерность квантового пространства катастрофически (экспоненциально) увеличивается с ростом числа частиц. Поэтому все современные расчеты в этой области, называемой квантовой химией, в той или иной степени приближенные, а значит, приходится как-то усредненно учитывать влияние многих частиц друг на друга. И хотя методы вычислительной математики позволяют успешно решать многие задачи, без точных расчетов из первых принципов ученые и инженеры остаются жестко привязанными к дорогостоящим экспериментам.

Пока нет надежды на скорое появление квантовых компьютеров, физики решили непосредственно увидеть то, что не удается точно рассчитать. Двум независимым группам ученых из Канзасского университета и международной команде из Европы и США впервые удалось непосредственно наблюдать квантовые волновые функции, то есть внешние электронные облака простейших молекул дейтерия, кислорода и азота.

Дети часто ломают игрушки, чтобы посмотреть, как они устроены. Так же поступают и физики. Обе группы использовали импульс мощного лазера, чтобы «разбить» молекулу и, проследив за разлетающимися осколками, восстановить ее устройство.

Канзасская команда работала с молекулами кислорода O2 и азота N2 (использовался лазерный импульс длительностью восемь фемтосекунд с энергией пятнадцать микроджоулей — достаточной, чтобы расколоть ровно одну молекулу). Положение и время прилета ионов определялось детекторами. По этим данным удалось восстановить ориентацию молекул относительно луча лазера во время удара и нарисовать карту их внешних электронных облаков, которая хорошо совпала с теорией (на рис. вверху — О2, внизу — N2). В следующих экспериментах ученые планируют разобраться с внешней электронной структурой более сложных молекул вроде CO2 или C2H2. Более сложное и точное оборудование позволит исследовать этим методом даже длинные молекулы белков.

Международная команда ученых из США, Германии, Австралии и Испании в похожем эксперименте работала с более простой молекулой дейтерия, у которой всего два ядра и два электрона, и продвинулась гораздо дальше.

В качестве источника частиц ученые применили синхротрон Advanced Light Source Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли. Чтобы расколоть молекулу на четыре составные части, пользовался фотон с энергией 75,5 электрон-вольта. Этого достаточно для отрыва сразу двух электронов. Оставшиеся «голыми» положительно заряженные ядра разлетались за счет кулоновского отталкивания. Процесс происходил в однородном внешнем электрическом и магнитном поле, которое ускоряло отрицательные электроны в одном направлении, а положительные ядра — в обратном. Детекторы определяли положение и время прилета электронов и ядер, что позволило вычислить скорости всех четырех частиц в момент фотонного удара и построить трехмерную карту этого миниатюрного «взрыва».

Результаты эксперимента свидетельствуют, что поведение разлетающихся электронов сильно зависит от взаимного положения ядер дейтерия в момент фотонного удара. Это позволяет не только восстановить волновые функции, но и детально проследить динамику квантовой системы, состоящей из четырех частиц. В следующих экспериментах ученые будут работать с несимметричной молекулой, состоящей из одного атома водорода и одного атома дейтерия (с более тяжелым дейтерием работать проще, чем с водородом-протием).

По мнению специалистов, эти тонкие эксперименты дадут новую пищу теоретикам и помогут лучше понять квантовую динамику сложных систем, лежащую в основе многих физических и химических процессов.