Науке давно известен туннельный эффект, когда частицы преодолевают энергетический барьер, не имея для этого энергетических оснований. Это явление из квантового мира, которое нашло широкое применение в электронике. Теперь учёные расширили возможности туннелирования до группового поведения частиц, что стало повторением опыта 100-летней давности на квантовом уровне. Оказалось, группы электронов могут подталкивать одна другую к коллективному туннелированию.

Образец «квантового» материала для эксперимента. Источник изображения: Lance Hayashida/Caltech

В 1919 году немецкий физик Генрих Баркгаузен (Heinrich Barkhausen) поставил опыт, впоследствии названный его именем. На примере помещённого в катушку ферромагнитного материала он показал, что в процессе внешнего воздействия на материал происходит скачкообразное изменение его намагниченности. В процессе опыта Баркгаузена в подсоединённом к катушке громкоговорителе, например, возникал треск, когда к ферромагнетику подносили магнит. Намагниченность отдельных доменов затрагивала соседние, и это распространялось как лавина и, в то же время, скачками, пока материал полностью не становился намагниченным.

Учёные из Калтеха (Технологического института Калифорнии) решили обнаружить такой же эффект на квантовом уровне без внешних воздействий чисто за счёт квантовых явлений. Фактически это была проверка на спонтанное групповое туннелирвоание. Они поместили в катушку такой ферромагнитный материал, как литий-гольмий-иттрий фторид, и охладили его до температуры вблизи абсолютного нуля. Катушка нужна была для измерения напряжения, которое там возникнет в случае, если в материале начнёт меняться намагниченность.

После старта эксперимента учёные начали регистрировать скачки напряжения, аналогичные по природе шумам Баркгаузена. Это указало на то, что квантово-механическое туннелирование отдельных электронов привело к групповому или совместному туннелированию частиц.

«Классически каждая из мини-лавин, в которых группы спинов меняют направление, происходит сама по себе, — говорят авторы работы. — Но мы обнаружили, что благодаря квантовому туннелированию две лавины синхронизируются друг с другом. Это результат взаимодействия двух больших групп электронов друг с другом, и благодаря своему взаимодействию они производят эти изменения. Этот эффект совместного туннелирования стал неожиданностью».

Открытие даёт надежду на создание квантовых датчиков и других электронных приборов. Фактически квантовые явления в виде группового взаимодействия электронов можно использовать как макрообъекты, что упростит эксперименты в области квантовой физики и позволит использовать эти явления в обычной электронике и не только.

Квантовые технологии находят применение не только в сфере вычислений и защищённой связи. Радарные технологии тоже ждут квантового превосходства. Классические радары слепнут в условиях сильных помех, тогда как эффект квантовой запутанности способен прорвать эту пелену. Французские учёные заявили, что они добились успеха на новом направлении и показали 20-процентное превосходство квантовых радарных технологий над классическими.

Источник изображения: Quantum Circuit Group (ENS de Lyon)

О разработке в журнале Nature Physics сообщила группа исследователей из Высшей нормальной школы Лиона (Ecole Normale Supérieure de Lyon, CNRS). Учёные создали схему, в которой происходит запутывание двух микроволновых фотонов (квантов энергии), один из которых летит к цели, отражается от неё и в окружении шумов возвращается к источнику, где сравнивается с «холостым» фотоном, с которым он находится в состоянии квантовой запутанности. Эффект запутанности позволяет с большой точностью детектировать сигнал и выделяет его даже на фоне очень сильных помех.

Измерение характеристик квантового радара показало, что опытная установка на 20 % превосходит возможности классических радаров определять цели. В теории эта разница может достигать четырёхкратного превосходства квантовых радаров, но для эксперимента даже такого преимущества достаточно, чтобы дальше работать в этом направлении.

Схема экспериментальной установки

Следует сказать, что до этого никто не заявлял о создании схемы квантового радара для микроволнового диапазона. Предыдущие эксперименты были основаны на запутывании пар фотонов видимого или близкого к нему диапазонов, что наука освоила довольно хорошо. Но фотоны видимого или инфракрасного света, как нетрудно догадаться, будут бесполезны в дождь, снег и в густой облачности. Поэтому работающая схема квантового радара с фотонами микроволнового излучения в гигагерцовом диапазоне, где работают классические радары, это определённый прорыв, которым можно гордиться.

Но также не следует забывать о разработках китайцев, которые тоже заняты серьёзными исследованиями в области квантовых радаров. Они также преуспели в экспериментах с запутыванием фотонов в оптическом диапазоне и представили альтернативу микроволновым фотонам в виде излучения запутанных электронов, разогнанных до скорости, близкой к световой. Во всех случаях серьёзным недостатком таких решений было и остаётся необходимость сильнейшего охлаждения запутанных частиц, что было также в случае схемы французских учёных.

Современные детекторы с разрешением по числу фотонов (PNR) могут определять от одного до десяти фотонов за раз, что ограничивает чувствительность квантовых устройств. Группа учёных из США создала на порядок более чувствительный датчик PNR, который может одновременно детектировать до 100 фотонов в луче — это на порядок расширит возможности квантовых приборов от криптографии до вычислений, что позволит шагнуть в новые области науки и техники.

Источник изображения: hpcwire.com

Разработку от начала до конца провели исследователи из Йельского университета, о чём рассказали в статье в журнале Nature Photonics. Важной особенностью проекта стало то, что детектор доведён до образца в виде блока для интеграции в чипы. Для каких приложений и в какие микросхемы его интегрировать — будут выбирать специалисты в области квантовых вычислений, квантовой криптографии, дистанционного зондирования и других направлений в квантовой науке.

«Детекторы с разрешением по числу фотонов (PNR) считаются самой востребованной технологией для измерения света. Обладая очень высокой чувствительностью, они могут определять количество фотонов даже в очень слабом световом импульсе», — докладывает источник.

«Проблема в том, что если у вас больше одного фотона, детектор будет насыщен, и вы не сможете определить, сколько фотонов у вас есть», — объяснил один из авторов исследования. Новое устройство позволяет не только увеличить возможность разрешения до 100 фотонов, но также на три порядка увеличивает скорость подсчёта фотонов. Кроме того, оно работает при условно высокой температуре, чего не скажешь о детекторах предыдущих поколений, требующих глубокого охлаждения.

На следующем этапе группа планирует уменьшить детектор и ещё увеличить его разрешающую способность — до 1000 фотонов за раз или около того. Наконец, будут проведены работы по интеграции на кристалл одновременно детектора и квантового источника света, что приведёт к снижению потерь (в месте сопряжения с оптоволокном, когда сигнал поступает извне) и к увеличению точности измерения.