Александр Спирин
Квантовая схема с охладителем. Фото Physorg
Сегодня все более уверенно говорят о квантовом компьютере и устройствах толщиной с лист бумаги формата А4. Осуществлению этих прогнозов может способствовать нанорефрижератор, то есть холодильник для охлаждения квантовых сетей-цепей. Эти схемы способны «думать» не в терминах «0» и «1», а как нечто слитное, существующее одновременно.
В университете финского г. Аальто создали первый такой нанохолодильник для квантовой цепи, который может быть интегрирован с различными электронными устройствами. Сантиметрового размера чип, имеющий наноохладитель, представляет собой схему из двух каналов – сверхпроводящий и стандартный с обычным сопротивлением.
Электроны с достаточно высокой энергией могут «перескакивать», преодолевая энергетический барьер, в сверхпроводящий канал. Рядом с обычным проводником расположен оптический резонатор, который представляет собой квантовый бит (кубит). Фотон резонатора может осуществлять «накачку» «обычного» электрона, давая ему толчок для преодоления энергетического барьера между двумя каналами. Получается нечто обратное лазеру, в котором накачка электронами приводит к рождению пучка когерентных фотонов. За счет чего же достигается охлаждающий эффект?
Первые атомные часы представляли собой облако цезиевых атомов, имевшее суммарную частоту в миллиард колебаний, что дало наносекундную точность. Но затем будущий нобелевский лауреат Джеймс Чу, сотрудник Национального Института стандартов и мер в колорадском г. Боулдер, предложил «охлаждать», то есть замедлять тепловое движение атомов с помощью лазерных фотонов. Их поток можно сравнить с теннисными шариками-корпускулами: попадание одного шарика бегущего по коридору человека не остановит, но вот если установить шариковую «пушку», обрушивающую на бегущего лавину…
Электрон из обычного электропроводного канала, имеющий достаточно большую энергию или получивший подпитку резонаторного фотона, уносит часть энергии, то есть понижает температуру. Ее снижение способствует поддержанию суперпозиции в кубите, уменьшая вероятность ее нарушения под действием внешней среды. Вполне возможно, что такие наноохладители позволят отказаться от вентиляторов в ноутбуках и сделать последние сверхтонкими.
Чу однако мыслит более масштабными категориями, а именно молекулярными ионами. Еще в 1978 году в Боулдере сумели охладить лазером атомный ион, то есть атом с «нехваткой» электрона. Дело в том, что технически удобнее манипулировать электронными свойствами и вибрациями более тяжелых ионов. Умение, наработанное за 40 лет, позволило, по словам Чу, применить полученные навыки и к молекулярным ионам, первым из которых стал ион гидрида кальция (СаН+).
Метод представляет собой смешение ионов СаН+ и Са+, отталкивающих друг друга вследствие одинакового положительного заряда. «Подсветка» маломощным инфракрасным лазером охлаждает смесь до состояния двух – из ста возможных – вибрационных транзиций-переходов. Последующий импульс более мощного лазера позволил ученым ориентировать вращение молекулы СаН+ в желаемом направлении.
Технология перспективна для применения в самых разных областях, поэтому сейчас идет работа по налаживанию контроля над сотнями ионов, что повысит уровень сигнала над шумами и тем самым разрешение. Сообщение об этой работе публикует журнал Nature. Молекулярные ионы, по словам Чу, предпочтительнее атомных, например при передаче квантовой информации.
В свое время, в середине XVI века, Иоганн Гутенберг революционизировал управление потоками информации, использовав для тиснения текстов винный пресс, изобретя наборную печать. Возможно, что революцией может обернуться и печать на кончике оптоволокна, предложенная исследователями из Национальной лаборатории Беркли. Они предложили новый подход к «конструированию» так называемого пробника Кампанелла (Campanile probe), названного так за пирамидальную форму вершины часовой башни-кампанилы в университетском кампусе Беркли, пригороде Сан-Франциско.
Пробник Кампанелла представляет собой пирамиду со стороной основания пять микрометров (микрон) и такой же высотой, сооружаемой на конце стекловолокна. На вершине пирамиды имеется продолговатая полость с отверстием диаметром не более 70 нанометров (нм). Подаваемый по оптоволокну свет пробник фокусирует в точку, которая в 100 раз меньше всех имеющихся на сегодня «фокусников».
Ничтожность световой точки позволяет резко уменьшить размер несущих смысл ямок и канавок на поверхности жестких дисков, что сразу же резко увеличивает их емкость. Такие пробники повысят и эффективность солнечных панелей. Имеющуюся технологию создания пробников ученые сравнивают с работой Микеланджело, новый же способ – с печатью Гутенберга. Для защиты пирамидки из хрупкого материала исследователи применили напыление тончайшего слоя золота. Результаты этой работы опубликованы в одном из последних выпусков журнала Scientufic Reports.
Нобелевский лауреат, сотрудник Манчестерского университета сэр Андрэ Гейм нашел еще одно применение открытому в его лаборатории графену – графеновое сито. Оно может использоваться для быстрого и гораздо более быстрого получения тяжелой воды (D2O), а также трития (публикация в журнале Nature Communications). Сегодня производство килограмма тяжелой воды, широко используемой в ядерной промышленности, требует энергии, которая достаточна для энергоснабжения среднего дома в течение года.
Атомные станции ежегодно производят в мире тысячи тонн изотопных смесей, разделение которых высокозатратно и небезопасно. Не за горами и пуск в строй ТОКАМАКов для термоядерного синтеза с его большим выходом радиоактивного трития. Не следует забывать и о больших прудах охлаждения радиоактивной воды, сооружаемых у АЭС, которую перед сбросом в реки и озера также необходимо дезактивировать. Именно поэтому использование графеновых мембран обещает решение многих нынешних проблем, связанных с предупреждением возможных техногенных катастроф.
