Научная
деятельность
Университет ИТМО

«Квантовый мир наполнен магией»: аспирант ИТМО Дмитрий Царёв ― о работе физика-теоретика и о том, что общего у квантовой физики и спорта высших достижений

Ученые ИТМО совместно с коллегами из Тайваня опубликовали исследование, которое может лечь в основу сверхточных метрологических приборов, которые превзойдут детектор LIGO, сумевший засечь гравитационные волны. В интервью ITMO.NEWS один из авторов работы, аспирант ИТМО Дмитрий Царёв рассказывает о том, как шла работа, и перспективах исследований.

Ваша недавняя работа посвящена квантовой метрологии. Не могли бы вы рассказать для начала, что это за раздел науки?

Перед тем как углубляться в дебри квантовой науки, я приведу простой пример из спорта высших достижений. Я имею в виду прыжки с шестом, которые вполне можно отнести к предельным возможностям человека. Здесь важна не только подготовка спортсмена (предельная по всем параметрам), но и правильно выбранный шест, который сделан из подходящего материала ― он должен быть упругим и не ломаться. Также большую роль играет рассчитанный до мелочей прыжок, и … удача. Так как это все должно сойтись в одной точке и в одно время, то установить новый мировой или олимпийский рекорд крайне сложно. Они тут, как правило, держатся долго (вспомним легендарного Сергея Бубку).

То же самое можно сказать и про квантовую метрологию. Это наука об измерении различных физических величин с такой высокой точностью, какую только допускают фундаментальные ограничения, определяемые квантовыми флуктуациями, которые в принципе неустранимы. Что это значит? В квантовой физике действует принцип неопределенности Гейзенберга, который можно сформулировать так: если у вас есть квантовая частица, то в каждый момент времени вы можете с уверенностью указать, либо где она находится, либо как она движется, но не оба параметра одновременно. То есть координата частицы и ее импульс подчинены принципу неопределенности.

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

Это фундаментальный закон природы, который мы не можем «отменить» ― мы можем только им правильно пользоваться и управлять. Управлять в квантовом мире ― это значит использовать такие состояния материальных объектов, которые нам «выгодны» с точки зрения измерения описывающих их величин. Именно на этом и построена квантовая метрология и сенсорика. Понять, почему так устроен мир и что сделать на практике, означает сделать следующий шаг в развитии квантовых технологий и понимании физики вообще.

Теперь, что касается измерений. Например, когда мы хотим измерить скорость объекта, мы используем лидар. Это прибор наподобие радара, только с оптическим излучением вместо радиоволн, который любят использовать инспекторы ДПС. По своей сути лидар является интерферометром. Он излучает два лазерных пучка, один опорный, он остается в приборе, а другой отправляется по воздуху, отражается от объекта и возвращается обратно.

Когда в приборе эти два пучка смешиваются, или, говоря корректнее, интерферируют, то получается картина, позволяющая сделать вывод о скорости объекта. После этого на экране отображается цифра, которую показывают водителю, если он превысил скоростной режим. И подобных приборов, сопровождающих нашу повседневную жизнь, очень много. Их стоимость определяется, по сути, точностью, с которой они могут проводить такие измерения.

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

А при чем здесь квантовая физика?

Квантовая метрология ― это как спорт высших достижений. Считается, что все технические несоверешенства даже самой совершенной измерительной аппаратуры преодолены; измерения проводят на уровне квантовых шумов. Точность измерения любого интерферометра фундаментально зависит от того, какое квантовое состояние мы будем использовать в качестве исходного.

Классический подход заключается в том, чтобы посветить на вход прибора традиционным (когерентным) лазерным источником света. Это известная процедура, она надежна, но она ограничивает точность наших измерений так называемым стандартным квантовым пределом. Пока мы используем такие «классические» состояния, мы не можем преодолеть этот предел, как бы мы ни улучшали прибор технически. Это потолок точности. В мире вокруг нас такой точности хватает «почти» всегда, и ничего квантового тут, можно сказать, нет.

Однако за последние десятилетия было неоднократно предсказано теоретически и экспериментально, что можно преодолеть эту отметку и попробовать достичь нового «рекорда» ― так называемого предела Гейзенберга. Но для этого надо использовать неклассические, запутанные (entangled) состояния. Что это такое?

Источник: shutterstock.com
Источник: shutterstock.com

Предположим, у нас есть квантовая частица ― двухатомная молекула с нулевым спином, она распадается на две частицы ― два атома с ненулевым спином каждый, которые начинают отдаляться друг на друга в разные стороны. Так вот, если мы измерим какой-то параметр у одной из них, то мы «автоматически» узнаем этот же параметр у другой частицы, исходя из законов сохранения. По той причине, что они квантовым образом запутаны. Разделенные в пространстве, они остаются единым квантовомеханическим объектом.

Например, ориентация спина атомов может быть любая, и результат его измерения носит вероятностный (случайный) характер. Однако, если мы измерим ориентацию спина одного атома, то спин второго как бы «подстроится» под этот результат, исходя из того, что суммарный спин был равен нулю. Свойство запутанности важно во всех приложениях квантовых технологий, которые основаны на так называемом квантовом превосходстве устройств, по сравнению с их классическими аналогами: в квантовых вычислениях, квантовых коммуникациях и криптографии. Важен он и для квантовой метрологии.

Дело в том, что, во-первых, любое измерение в квантовой физике имеет разрушающий характер. Частица, которую мы измеряем, прекращает свое существование, поглощается детектором. Однако вторая частица продолжает движение, и теперь мы о ней кое-что знаем за счет измерения первой. Во-вторых, явление запутанности позволяет повышать точность измерений.

Каким образом?

Мы можем эти частицы пустить по каналам (плечам) интерферометра и таким образом за счет квантовой интерференции улучшить видность результирующей интерференционной картинки, которая как раз подчиняется следующему сугубо квантовому ограничению ― пределу Гейзенберга для измерения разности фаз в каналах интерферометра. Он квадратично (по числу частиц) точнее стандартного квантового предела, и его достижение ― цель современной квантовой метрологии. Однако даже его можно преодолеть, измеряя параметры, нелинейно зависящие от числа частиц, что мы в том числе показали в нашей работе.

Квантовая запутанность. Источник: shutterstock.com
Квантовая запутанность. Источник: shutterstock.com

Сложность всего этого в том, что необходимо уникальное запутанное состояние, содержащее сразу много частиц. Запутать две частицы ― не проблема. Можно запутать три, четыре и даже пять частиц. То есть до пяти частиц одновременно как бы находятся и в первом, и во втором канале интерферометра. Понятно, что на самом деле они в каком-то одном из них, но законы квантовой физики обязывают нас к тому, что до самого измерения мы ничего определенного сказать не можем и исходим из того, что они находятся в суперпозиции, то есть в двух каналах сразу.

Такие состояния называют N00N-состояниями, то есть N частиц в одном плече и ноль ― в другом, и наоборот, и это все одновременно! Такое состояние позволяет достичь предел Гейзенберга на любом двухканальном устройстве: лидаре, гироскопе, интерферометре. Но получить его в эксперименте для большого числа частиц пока не удавалось. Более того, даже в теории прогноз пессимистичен: небольшие потери в интерферометре сводят на нет все магические свойства таких состояний.

И как быть?

Вот, здесь к нам пришла удача! Мы с моим научным руководителем, профессором Александром Алоджанцем некоторое время назад обратили внимание на то, что квантовые солитоны, которые давно хорошо известны и в оптике, и в квантовых коммуникациях, и в науке о материалах, в силу своих нелинейных свойств могут сильно помочь. При определенных условиях их запутанные состояния остаются весьма устойчивыми к потерям, и это мы доказываем в нашей работе, опубликованной в ноябре в журнале New Journal of Physics. Конечно, мы чуть-чуть проигрываем в точности (чудес в природе не бывает), но этот проигрыш не критичен, мы по-прежнему находимся в самой близи предела Гейзенберга.

Иллюстрация из статьи
Иллюстрация из статьи

В разы точнее современных приборов

Уточните, как это все работает, непосредственно в вашей работе, опубликованной в журнале New Journal of Physics?

Мы придумали способ запутывать до тысячи частиц. Для этого мы используем солитоны конденсата Бозе-Эйнштейна. Тут, наверное, нужны пояснения. Во-первых, Бозе-конденсат это особое состояние материи, при котором вещество проявляет квантовые свойства на макроскопическом уровне. Грубо говоря, у нас есть несколько сотен частиц, которые в виде конденсата движутся в пространстве как одна огромная квантовая частица. Такое состояние на сегодня получить стало возможно при очень низких температурах, меньше одного Кельвина. Хотя в 2006 году такое состояние наблюдали в полупроводниковых структурах при температуре в несколько Кельвинов, а в 2013 ― даже и при комнатной температуре в 300 Кельвинов (27 градусов Цельсия).

Теперь о солитоне ― это достаточно устойчивый частице-подобный объект. Запутав два солитона мы можем рассматривать их, условно, как две макрочастицы, получив одновременно запутанность сотен тех частиц, из которых они состоят. Это и есть многочастичное N00N-состояние. Число частиц здесь может доходить до тысячи! Сами посудите, пять и 1000 очень большой прогресс.

Иллюстрация из статьи
Иллюстрация из статьи

А были ли проведены какие-то эксперименты?

Нет. Но в работе все расчеты сделаны исходя из сегодняшних экспериментальных возможностей. Мы рассматриваем конденсат лития; это вещество популярно у экспериментаторов. Частицы лития имеют очень важное свойство ― они притягиваются друг к другу, без этого невозможно сформировать солитон. Экспериментаторы умеют получать солитоны конденсатов и умеют их запутывать. Пока никому не приходила в голову идея использовать все это в квантовой метрологии.

А какие горизонты открывает эта фундаментальная работа? Много ли стран занимается таким «спортом высших достижений»?

Да, это фундаментальная работа, но результаты весьма прикладные. Я убежден, что систему, описанную в нашей работе, можно довести до уровня «прибора». Это, во-первых, метрология с холодными атомами, которая есть в России, но требует серьезной экспериментальной доработки. Здесь могут быть существенно улучшены точностные характеристики так называемых «атомных часов», то есть метрологические стандарты частоты и времени.

Но есть и более интересные продолжения. Например, использовать такую технологию в интерферометрах Майкельсона с оптическими полями для увеличения точности регистрации гравитационных волн и исследований галактического пространства. Наше предложение позволит построить детектор с предельной на сегодняшний день точностью измерений. Где будет использоваться такой «прибор»?

Детектор LIGO. Источник: wired.com
Детектор LIGO. Источник: wired.com

В настоящее время в мире есть несколько крупных проектов из разряда mega-science по регистрации гравитационных волн. Я читал об «американском» проекте LIGO, знаю также «японский» ― KAGRA, в котором участвует группа из Тайваня, с которой мы сотрудничаем. Я неспроста использую «кавычки»: на самом деле там идет сотрудничество многих стран, под одним «зонтиком».

А как же Россия?

Это сложный, и, к сожалению, не только научный, вопрос. Нужны как минимум гигантские деньги. Вы же понимаете, что объяснить условному чиновнику, зачем нужен квантовых компьютер, гораздо проще, чем необходимость исследований гравитационных волн, а также космоса в широком смысле этого слова. Хотя, именно в этом заключается будущее устремление человечества, как мне представляется. Да, кстати, масштабный квантовый компьютер без участия квантовой метрологии тоже не сделать. Но это уже другая история.

«Всем нам хочется верить в чудеса»

Вы не только опубликовали статью, но и представили основанный на ней доклад на Всероссийском научном форуме. Расскажите об этом подробнее.

Форум называется «Наука будущего наука молодых». Он проходил в Москве в гибридном формате, москвичи собрались очно, остальные выступали через Zoom. Пришлось пройти большой конкурс проектов и суровый отбор. Я изложил на бумаге то, что рассказал вам сейчас, отправил, рецензенты вслепую, не зная моего имени и аффилиации, выбрали мою работу в числе победителей. Далее в блиц-формате на самом форуме мы выступали по три минуты с нашими докладами. Соответственно тут была задача больше не рассказать о работе, а показать свою мотивированность, понимание предмета, умение доносить сложные мысли простыми словами, ну и некоторый артистизм.

Диплом Дмитрия Царёва с форума «Наука будущего ― наука молодых»
Диплом Дмитрия Царёва с форума «Наука будущего ― наука молодых»

А какую реакцию вызвал доклад?

В каждой секции было 40-45 человек, из них отобрали 10 и через три дня мы выступали уже с полноценными докладами на 10 минут. К сожалению, я растянул речь на все 10 минут, поэтому времени на вопросы не осталось. А вопросы были, и это хороший знак. Да и если судить по лицам, слушателям было интересно. Тема на самом деле очень интересная, но зачастую непонятная человеку со стороны. Поэтому квантовая физика не очень популярный предмет. Но тут аудитория была подготовленная, и всем вроде понравилось. Ну и присуждение мне второго места в секции «Цифровые технологии» говорит само за себя.

Вы сами сказали, что квантовая физика не самый популярный предмет. А почему вы сами ее выбрали?

Все благодаря моему научному руководителю на втором курсе бакалавриата, когда я учился во Владимирском государственном университете, Александр Павлович Алоджанц преподавал там квантовую физику. Он настолько увлек меня своей лекцией, что я тогда принял решение углубиться именно в эту область. Я очень благодарен Александру Павловичу, он помог мне стать тем, кто я есть. Как видите, у нас с тех пор весьма плодотворный коллектив.

Именно Александр Павлович предложил вам поступать в ИТМО после своего переезда в Петербург?

Да. Сначала в магистратуру, а потом в аспирантуру.

Александр Алоджанц
Александр Алоджанц

Но все же чем именно вас так привлекла квантовая физика?

Всем нам хочется верить в чудеса, чтобы мир был наполнен магией. Квантовый мир наполнен магией, то, что происходит у нас под носом на микроскопическом уровне, настолько не похоже на привычные нам вещи, что иначе как чудесами это не назвать. Например, нелокальность объект может находиться в двух местах одновременно, это как? Это необъятно и это мир в себе. Поэтому я его изучаю.

Вы думаете продолжить научную карьеру?

Да, безусловно

А что можете сказать о самом Университете ИТМО?

ИТМО великолепный университет. Взять, к примеру, лаборатории. Понятно, что для теоретика инструменты это бумага и ручка… и мусорная корзина для неудавшихся моделей. Но я видел экспериментальные установки, они потрясающие ― мощные, современные, дорогие. Однако университет ― это, в первую очередь, люди. Профессорско-преподавательский состав ИТМО очень сильный: каждый знает свой предмет, все на своем месте, и они умеют обучать. Меня, во всяком случае, научили здесь очень многому, и я благодарен Университету ИТМО за это.