Энергия может возникать из ничего, если ненадолго?

            Усиление электрических сигналов с одновременной минимизацией шумов играет ключевую роль во множестве современных технологий. И вот ученым удалось создать устройство, которое усиливает сверхвысокочастотный сигнал практически с минимальным уровнем шума, какого только позволяет достигнуть квантовая механика. Приборы, основанные на этом принципе, однажды могут быть использованы для обработки тонко настроенных сигналов квантовых компьютеров, которые, как ожидается, в ближайшие годы должны будут превзойти знакомые нам обычные компьютеры.

Шумы всегда присутствуют в электрических сигналах. Некоторая часть из них возникает просто потому, что атомы обладают теплом, — беспорядочно двигаясь, они сталкиваются друг с другом. Но даже если в системе нет тепловой энергии, что бывает, когда температура падает близко к абсолютному нулю, — шум остается. Это происходит из-за того, что, как утверждает один из фундаментальных принципов квантовой механики, пространство всегда полно флуктуациями энергии. Они могут появляться, например, за счет постоянно возникающих виртуальных частиц.

Вообще, принцип неопределенности Гейзенберга (см. рис.) гласит, что значение энергии не может иметь точного значения. Эта неопределенность (или погрешность) в определении энергии обратно пропорциональна неопределенности во времени, значение которого также нельзя установить абсолютно точно. В результате, чем точнее мы знаем время, или, иными словами, чем меньший промежуток времени мы рассматриваем, — тем большего значения может достигать неопределенность в энергии. Пространство в странном мире квантовой физики как змеями кишит носителями этой энергии — виртуальными частицами, возникающими, чтобы опять исчезнуть через какое-нибудь наномгновение. Понятно, что в таких обстоятельствах нельзя снизить шум до нуля, и он никогда не опускается ниже определенного «квантового предела».

Снижение шумов хотя бы до уровня этого квантового предела – далеко за рамками возможностей большинства электронных усилителей. Некоторые специализированные устройства достигают неплохих результатов за счет применения сверхпроводников, которые изолируют приборы от окружающей среды. Но у таких устройств есть свои недостатки, в частности, они неспособны усиливать сигналы в широком динамическом диапазоне – от слабых до очень сильных.

Теперь же, физики Франческо Массел и Мика Силланпаа из Университета Аальто в Финляндии с коллегами выдвинули идею усилителя, который способен обрабатывать сигналы в широком динамическом диапазоне, в то же время находясь близко к квантовому пределу по уровню шума. Основной принцип работы усилителя довольно прост и заключается в подъеме уровня СВЧ сигнала за счет заимствования фотонов из соответствующей ему волны «подкачки». На практике, однако, это не так-то просто, поскольку частота сигнала меняется во времени, и фотоны подкачки не всегда им соответствуют.

Массел с коллегами придумали изящное решение для этой проблемы. Исследователи направляют сигнал и волну подкачки в зигзагообразный резонатор, где они скачут вперед-назад. К резонатору примыкает тонкая механическая перекладина, которая начинает резонировать под давлением ударяющих в нее волн подкачки. В результате, по мере того, как часть энергии уходит в механическое движение – снижается энергия фотонов подкачки. Вскоре их частота падает до уровня, соответствующего энергии фотонов сигнала, в момент чего волна подкачки сливается с сигналом и усиливает его.

Судя по публикации в Nature, устройство способно достигнуть усиления в 25 децибел при уровне шумов всего лишь в 20 раз выше квантового предела. Это гораздо лучше, чем у большинства обычных сверхвысокочастотных усилителей, хотя сигнал и не настолько чист, как при усилении с использованием сверхпроводящих устройств, которые работают на уровне шума всего в 2-3 раза выше квантового предела. Тем не менее, Массел указывает, что он и его коллеги лишь только что случайно открыли низкошумные свойства усилителя, и могли бы достичь квантового предела в результате дальнейших усовершенствований.

По мнению физика Николаса Бергеля из ESPCI ParisTech во Франции, эта необходимость дальнейших исследований делает трудным прогноз о возможных применениях таких приборов. Но он полагает, что исследователи выполнили замечательный эксперимент, поскольку никто до сих пор еще не пробовал достигнуть квантового предела по шуму, используя механические резонаторы. «До сего дня все были сосредоточены в основном на сверхпроводящих устройствах, которые зависят исключительно от электрических элементов».

Несмотря ни на что, Массел уверен, что устройства такого типа могут быть применены для усиления слабых сигналов квантовых компьютеров, которые, как ожидается, будут использовать присущие квантовой механике  странности для выполнения вычислений со скоростями гораздо высшими, чем у современных машин. «Кроме общего интереса к усилителю, работающему вблизи квантового предела, — говорит ученый, — это (т.е. квантовые компьютеры) будет наиболее вероятной областью применения».

GD Star Rating
loading...
Механический усилитель для квантовых компьютеров?, 10.0 out of 10 based on 1 rating

Добавить комментарий