Физики предложили способ наблюдать за крупными квантовыми системами на протяжении более чем суток, практически не вмешиваясь в их состояние. Это важный шаг, потому что в мире квантовой механики само измерение обычно искажает объект наблюдения: акт "подсматривания" меняет квантовое состояние частицы или системы, а иногда полностью разрушает тонкие квантовые эффекты.
Чем больше частиц объединено в одну систему, тем труднее получить от нее "чистый" сигнал. В больших ансамблях усиливаются шумы, возрастает количество взаимодействий с окружением, и квантовое поведение быстро переходит в классическое. Поэтому физики обычно работают с крошечными, тщательно изолированными системами: несколькими атомами, ионами или сверхпроводящими кубитами, которые охлаждают почти до абсолютного нуля и защищают от света, вибраций и электромагнитных помех.
Однако для реальных технологий - квантовых сенсоров, вычислителей, линий связи - нужны не отдельные атомы, а большие ансамбли частиц, которые можно использовать в приборах и устройствах. Главная проблема: как одновременно сохранить квантовую природу таких систем и при этом получать с них информацию.
Исследователи из Университета Джонса Хопкинса в США предложили экспериментальную схему, которая позволяет решать сразу обе задачи. Они разработали установку, способную работать с макроскопическими спиновыми ансамблями - системами, в которых участвует огромное число атомных ядер. При этом квантовое поведение этих спинов сохраняется, а сами измерения оказывают минимальное влияние на систему.
Ключевая особенность работы в том, что ученые смогли непрерывно наблюдать эволюцию спинов во времени и регистрировать их естественные флуктуации, не разрушая при этом квантовые эффекты. Чувствительность нового метода настолько высока, что подходит к фундаментальной границе, которую задают сами законы квантовой механики: дальше упираются уже не в технические ограничения приборов, а в принципиальный квантовый шум.
Основой экспериментальной установки служит сверхпроводящая схема, подключенная к СКВИД - сверхпроводящему квантовому интерферометру. Это один из самых чувствительных детекторов магнитного поля, создаваемого даже ничтожно малыми магнитными моментами частиц. По сути, СКВИД фиксирует крайне слабые изменения магнитного потока, которые возникают из-за коллективного поведения спинов в образце.
В приемную катушку этой сверхпроводящей схемы ученые поместили два типа образцов: ядра фтора-19 в тефлоне и ядра водорода в нейлоне. Сами материалы выступают как носители ядерных спинов, а катушка улавливает суммарный магнитный отклик этих спинов. Затем катушку подключили к СКВИДу, создав систему, способную "слушать" магнитные колебания без активного воздействия на образец.
Вся установка была охлаждена до температур ниже одного кельвина. Такие экстремально низкие температуры необходимы, чтобы подавить тепловой шум, уменьшить хаотическое движение частиц и обеспечить сверхпроводимость схемы. В этом режиме сопротивление проводников исчезает, а малейшие магнитные изменения передаются почти без потерь и искажений.
Классический подход к ядерному магнитному резонансу (ЯМР) предполагает внешнее возбуждение образца - его облучают радиочастотным полем, чтобы "раскачать" спины и получить от них отклик. В новом эксперименте ученые пошли по другому пути. Они не стали специально возбуждать систему, а использовали естественные тепловые флуктуации спинов. То есть регистрировали самопроизвольные магнитные колебания, возникающие в образце при низкой температуре.
Такой режим можно сравнить с прослушкой комнаты, в которой никого не заставляют говорить - прибор просто ловит любой естественный шорох. В квантовой системе роль таких "шорохов" играют спиновые флуктуации, и именно они становятся источником информации. Это позволяет свести внешнее вмешательство к минимуму и сохранить квантовую когерентность - согласованность состояний в системе.
Главное достижение работы в том, что наблюдение удалось растянуть на очень продолжительное время - свыше суток. Для квантовых систем это почти вечность: обычно квантовые состояния разрушаются за доли секунды или, в лучшем случае, за минуты. Здесь же большой спиновый ансамбль оставался доступным для измерений и сохранял квантовый характер на беспрецедентно длинном промежутке.
С научной точки зрения это открывает новые возможности. Во‑первых, становится доступным изучение медленных процессов в квантовых системах - релаксации, спиновой диффузии, редких флуктуаций, которые трудно поймать в коротких экспериментах. Во‑вторых, появляется шанс протестировать предсказания квантовой теории на масштабах, близких к макроскопическим, где особенно интересен переход от квантового к классическому поведению.
С практической стороны метод может стать основой для нового класса квантовых сенсоров. Большие спиновые ансамбли, работающие на пределе квантовой чувствительности, способны регистрировать сверхслабые магнитные поля, изменения температуры или давления через их влияние на спиновое состояние. Такие устройства пригодятся в материаловедении, медицине, геофизике, фундаментальной физике.
Важно и то, что предложенная схема масштабируема. В отличие от хрупких одиночных кубитов, макроскопические ансамбли проще интегрировать в реальные приборы. Если удастся надежно управлять их спиновыми состояниями и считывать их без существенного разрушения, появится шанс создавать устойчивые квантовые регистры и долговременную память.
Работа также показывает, что квантовые эффекты не обязательно привилегия исключительно микромира. При грамотном подходе их можно наблюдать и в системах, содержащих огромное число частиц. Это подталкивает к пересмотру привычной границы между "квантовым" и "классическим" и помогает лучше понять, как именно окружающая среда и измерения превращают хрупкое квантовое состояние в привычную нам реальность.
Перспективным направлением развития подобного подхода может стать сочетание пассивного наблюдения за тепловыми флуктуациями с мягким управлением спиновыми состояниями. Если научиться аккуратно подталкивать систему в нужное состояние и столь же аккуратно читать его, это приблизит создание сложных квантовых устройств, в которых информация хранится и обрабатывается на уровне коллективных спиновых ансамблей.
Еще одно важное следствие - возможность проверки различных моделей декогеренции, описывающих, как и с какой скоростью квантовые состояния теряют свою "квантовость" из‑за взаимодействия с окружением. Длительное наблюдение за практически незатронутой системой дает редкий экспериментальный материал для таких теоретических моделей.
Не менее интересна и технологическая сторона. СКВИД‑детекторы уже давно используются в сверхчувствительных магнитометрах и медицинских диагностических установках. Интеграция их с большими спиновыми ансамблями, работающими почти на фундаментальном квантовом пределе, может привести к созданию приборов нового поколения, превосходящих по чувствительности многие нынешние методы измерения.
В итоге разработка американских физиков демонстрирует, что мы постепенно учимся не только создавать квантовые системы, но и "разговаривать" с ними более бережно. Чем меньше измерение разрушает объект, тем ближе мы подходим к полноценному использованию квантовых эффектов в реальных устройствах - от сенсоров до вычислительных машин. И чем лучше мы умеем наблюдать за большими квантовыми системами, тем яснее становится, как устроен фундаментальный мир на границе между микроскопическим и макроскопическим масштабами.
