Ученым-физикам из Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) удалось охладить микроскопический механический объект столь глубоко, что его температура упала ниже точки так называемого квантового предела. Этим объектом являлся крошечный «барабан», вибрирующая алюминиевая мембрана, энергия которой после охлаждения составила одну пятую от энергии одного кванта. Новая технология охлаждения теоретически может использоваться для того, чтобы охладить объекты до температуры абсолютного нуля, температуры, при которой любая материя полностью лишается всей тепловой энергии и движения.
«Чем меньшую температуру может иметь объект, тем это лучше для некоторых областей» — рассказывает Джон Теуфель (John Teufel), ученый-физик из NIST, — «Датчики, в которых такие объекты являются чувствительными элементами, смогут обрести большую точность и разрешающую способность. А если использовать такие объекты в квантовых вычислениях, то это позволит избежать возникновения ошибок».
Алюминиевый барабан представляет собой диск, диаметром 20 микрометров и толщиной 100 нанометров, который включен в сверхпроводящую электронную схему. Эта схема сделана так, что колебания мембраны оказывают влияние на микроволновые лучи, отражающиеся от электромагнитной впадины. Микроволновые лучи являются одной из форм электромагнитного излучения, это вид своего рода «невидимого света», только с меньшей, чем свет, частотой и большей длиной волны соответственно.
Фотоны микроволнового излучения, попавшие внутрь впадины, изменяют свою частоту. Эти изменения частоты соответствуют частоте колебаний мембраны. В результате этого возникает колебательная система, имеющая определенную резонансную частоту.
Ученым из NIST ранее удалось охладить мембрану «барабана» до низкоэнергетического состояния, при котором его энергия соответствует одной третьей части от энергии кванта. Для этого использовалась технология, имеющая мудреное название «sideband cooling», в которой используется микроволновое излучение с частотой ниже резонансной частоты системы. Под влиянием этого излучения в цепях вокруг впадины начинают двигаться электрические заряды, под воздействием которых возникают фотоны света, имеющие более высокую частоту, нежели резонансная частота системы. Когда впадина заполняется фотонами больше определенного предела, некоторые из фотонов покидают ее, унося с собой частичку энергии, что и приводит к охлаждению элементов системы.
Такая технология охлаждения очень похожа на технологию лазерного охлаждения, которая была разработана в 1978 году и которая достаточно широко используется для охлаждения отдельных атомов в атомных часах.
Для достижения более низкой температуры, ученые NIST использовали так называемое «сжатие» света. Сжатие является квантово-механическим явлением, в котором шум и другие нежелательные колебания отделяются и изолируются от основной частоты колебаний света, не затрагивая ход эксперимента. Для реализации сжатия ученые использовали специальную схему, действующую как шумоподавитель и которая производит фотоны, полностью лишенные посторонних колебаний, таких, как колебания их интенсивности.
«Шум, заключенный в фотонах, приводит к нарушению гармоничности колебаний системы и, следовательно, к ее нагреву» — рассказывает Джон Теуфель, — «Мы сжали свет до самого высокого уровня и получили фотоны с необычайно стабильной интенсивностью. Эти фотоны сильны и хрупки одновременно». Теоретические расчеты и проведенные эксперименты указывают на то, что использование сжатого света позволяет избавиться от общепринятого предела охлаждения. При этом, все это затрагивает более крупные объекты, имеющие более низкую резонансную частоту, которые очень трудно поддаются охлаждению до температур, близких к точке абсолютного нуля.
Ученые из NIST считают, что такой охлажденный «барабан» может стать кубитом (квантовым битом) гибридного квантового компьютера, компьютера, в котором используются и квантовые, и механические элементы.
Источник: