Кванты становятся ближе

Вот уже целый век, с самого рождения квантовой теории, физики изо всех сил пытаются постичь пределы применимости квантовых эффектов в макромире нашей реальности. Реальности, в которой по неясным причинам у материи совершенно иные свойства, нежели у частиц, ее образующих.

Вот уже целый век, с самого рождения квантовой теории, физики изо всех сил пытаются выстроить «разумную» интерпретацию странных свойств микромира и постичь пределы применимости квантовых эффектов в макромире нашей реальности. Реальности, в которой по неясным причинам у материи совершенно иные свойства, нежели у частиц, ее образующих.

Главными показателями успехов науки на этом «пути постижения» служат, вероятно, экспериментальные приборы и аппараты, демонстрирующие нашу способность управлять тонкими квантовыми эффектами и находить им полезное применение. В частности, весьма показателен прогресс в таких областях, как квантовые вычисления и квантовые коммуникации (криптография), где практически ежегодно отмечаются новые заметные достижения.

Группа физиков-экспериментаторов Венского университета под руководством Антона Цайлингера и Маркуса Арндта (Anton Zeilinger, Markus Arndt) уже много лет ставит впечатляющие опыты, которые наглядно показывают, как осваиваются феномены, имеющие принципиальное значение для новых типов компьютеров и коммуникаций, — массовое квантовое сцепление частиц, квантовая телепортация и пр. (подробности см. на сайте www.quantum.univie.ac.at). В свежем номере журнала Nature опубликована новая статья ученых этой группы, свидетельствующая о лучшем понимании того загадочного процесса, в ходе которого молекулы материи, по отдельности имеющие выраженные волновые свойства и «размытость» в пространстве, в совокупности становятся «твердыми» частицами («Decoherence of matter waves by thermal emission of radiation», by Lucia Hackermuller, Klaus Hornberger et al., Nature 427, 2004, p. 711). Австрийские исследователи еще в 1999 году на опытах с интерференцией массивных углеродных молекул-фуллеренов C60 и C70 показали, что даже столь крупные по масштабам микромира объекты отчетливо демонстрируют квантовую «делокализацию», когда волновое присутствие молекулы одновременно обнаруживается в точках пространства, расстояние между которыми в тысячу раз больше линейного размера сферической молекулы фуллерена (1 нм). В новой работе группы Цайлингера и Арндта показано, как тепловое излучение (электромагнитные волны, исходящие от любого сложного нагретого объекта) ослабляет квантовые свойства молекул фуллеренов C70 и приводит к появлению макроскопических свойств. Используя мощный лазер, ученые добились управляемого разогрева молекул, свободно летящих в интерферометре. Установлено, что при температурах ниже 700 °C фуллерены ведут себя квантовым образом. С ростом температуры квантовые эффекты постепенно ослабевают, и при нагреве выше 2800 °C полет молекул становится совершенно неотличим от полета крошечных сферических пуль (здесь, правда, возможна и другая интерпретация, без апелляций к действительно фундаментальным проблемам: нагретая молекула начинает спонтанно испускать в разные стороны фотоны, и случайный шум импульсов отдачи, естественно, разрушает интерференционную картину. — Г.А.).

Другая группа ученых — из Jet Propulsion Laboratory (JPL, совместный научно-исследовательский центр НАСА и Калифорнийского технологического института) — разработала перспективное устройство для создания протяженных квантовых коммуникационных каналов. В обычных оптоволоконных линиях, как известно, свет без затухания энергии может переносить информацию лишь на расстояния порядка 100 км, а связь на больших дистанциях достигается только благодаря ретрансляторам (репитерам). В квантовых же коммуникационных каналах, где принципиально важно в целостности сохранять квантовые свойства конкретных фотонов света, обычные «грубые» репитеры совершенно не годятся, поэтому на дальность связи квантово-криптографических систем до последнего времени накладывалось жесткое физическое ограничение.

Теперь же команда JPL нашла способ построить тонкий квантовый репитер на базе обычного оптического оборудования. Такой ретранслятор, по оценкам изобретателей, способен привести к экспоненциальному увеличению протяженности квантово-коммуникационных каналов. В основе работы устройства лежит эффект квантового сцепления (entanglement) пар фотонов. (Благодаря этому сугубо квантовому эффекту находящиеся в «сцепленном» состоянии частицы одновременно изменяют свои свойства независимо от разделяющего их расстояния.) Линейная оптика квантового репитера использует такие стандартные элементы, как зеркала, расщепители луча и фотодетекторы, для «очистки» и передачи квантового сцепления между фотонными парами. Так называемая очистка (purification) сцепления преобразует два или более частично сцепленных состояния в одно полностью сцепленное. А процесс переброса (swapping) сцепления позволяет делать так, что сцепление между парой частиц A-B и парой C-D преобразуется в сцепление частиц A и D.

Все эти эффекты в той или иной степени уже продемонстрированы экспериментально, однако достичь их согласованной работы в рамках единого компактного устройства — задача архисложная. На ее решение, которое должно воплотиться в оптоэлектронные чипы, сейчас отводится около двадцати лет. Спонсорами работ выступают НАСА, Агентство национальной безопасности США и две военные исследовательские организации — DARPA и ONR (Office of Naval Research).