Прорыв в квантовых технологиях: учёные заморозили движение наночастиц без охлаждения

Исследователи из ETH Zurich удерживали нанообъект (в центре изображения) с помощью лазерной ловушки. Лазерный свет, сфокусированный линзой, показан красным. Автор: Лоренцо Дания / ETH Zurich

Три наносферы из стекла слиплись друг с другом, образуя структуру, напоминающую башню — как если бы вы сложили три шарика мороженого, только в гораздо меньшем масштабе. Диаметр этого нанокластера в десять раз меньше толщины человеческого волоса. С помощью оптического устройства и лазерных лучей исследователи из ETH Zurich смогли почти полностью остановить движение таких объектов в состоянии левитации. Это важный шаг для будущего развития квантовых сенсоров, которые, наряду с квантовыми компьютерами, считаются наиболее перспективными приложениями квантовых технологий.

В ходе эксперимента по левитации команда под руководством адъюнкт-профессора фотоники Мартина Фриммера смогла нейтрализовать силу гравитации, действующую на стеклянные сферы. Однако вытянутый нанообъект всё ещё дрожал, подобно тому, как колеблется стрелка компаса при поиске направления. В случае нанокластера это дрожание было очень быстрым, но слабым: объект совершал около миллиона колебаний в секунду, каждое из которых составляло всего несколько тысячных долей градуса. Это крошечное вращательное колебание — фундаментальное квантовое движение, присущее всем объектам, которое физики называют «нулевыми колебаниями».

«Согласно принципам квантовой механики, ни один объект не может оставаться абсолютно неподвижным», — объясняет Лоренцо Дания, постдок в группе Фриммера и ведущий автор исследования. «Чем крупнее объект, тем слабее эти нулевые колебания и тем сложнее их наблюдать».

Несколько рекордов

До сих пор никому не удавалось зафиксировать эти микроскопические движения для объекта такого размера с такой точностью, как это сделали исследователи ETH. Им это удалось благодаря тому, что они смогли практически исключить все движения, обусловленные классической физикой, которые мешают наблюдению квантовых эффектов. По оценкам учёных, 92% колебаний кластера в их эксперименте объясняются квантовой физикой, и лишь 8% — классической. Это означает чрезвычайно высокую «квантовую чистоту» системы.

«Мы не ожидали достичь такого уровня квантовой чистоты», — признаётся Дания.

Но и это не всё: эксперимент проводился при комнатной температуре. Обычно квантовые исследования требуют охлаждения объектов почти до абсолютного нуля (-273°C) с помощью специального оборудования. В данном случае этого не потребовалось. Фриммер проводит аналогию:

«Это как если бы мы построили новый транспорт, который перевозит больше груза, чем обычные грузовики, и при этом потребляет меньше топлива».

Крошечный и огромный одновременно

В то время как многие учёные изучают квантовые эффекты в отдельных атомах или небольших группах, команда Фриммера работает с относительно крупными объектами. Их нанокластер может казаться крошечным в бытовом понимании, но он состоит из нескольких сотен миллионов атомов, что делает его гигантским с точки зрения квантовой физики. Интерес к объектам такого размера отчасти связан с перспективами их применения в будущих квантовых технологиях, где требуется контроль над более крупными системами.

Исследователи смогли добиться левитации наночастиц с помощью так называемых «оптических пинцетов». В этом методе частица помещается в вакуумную прозрачную камеру, а линза фокусирует поляризованный лазерный свет в определённой точке внутри неё. В фокальной точке частица выравнивается вдоль электрического поля лазера и остаётся стабильной.

«То, чего мы достигли, — это идеальный старт для дальнейших исследований, которые однажды могут привести к практическим применениям», — говорит Фриммер.

По его словам, для таких приложений сначала нужна система с высокой квантовой чистотой, в которой можно подавить все внешние помехи и контролировать движения. Теперь это достигнуто. Далее можно будет детектировать квантово-механические эффекты, измерять их и использовать систему для квантовых технологий.

Применение в навигации и медицине

Среди возможных применений — фундаментальные исследования в физике, например, эксперименты по изучению связи между гравитацией и квантовой механикой. Также можно разрабатывать сенсоры для измерения сверхслабых сил, таких как воздействие молекул газа или даже элементарных частиц. Это может быть полезно в поисках тёмной материи.

«Теперь у нас есть относительно простая, экономичная и хорошо подходящая для этого система», — отмечает Фриммер.

В отдалённом будущем квантовые сенсоры могут найти применение в медицинской визуализации, где они смогут улавливать слабые сигналы в условиях сильного фонового шума. Ещё одно возможное применение — датчики движения, которые смогут облегчить навигацию транспортных средств даже без контакта со спутниками GPS.

Для большинства этих применений потребуется миниатюризация квантовой системы. По словам исследователей ETH, это в принципе возможно. В любом случае, они нашли способ достичь желаемого контролируемого квантового состояния без трудоёмкого, дорогостоящего и энергозатратного охлаждения.

Источники:

Материалы предоставлены ETH Zurich.