О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина | Свидетели Иеговы
Читайте нас:
Доступное в России зеркало Граней: https://grani-ru-org.appspot.com/Society/Science/m.66307.html

статья Механическая "рука" вплотную приблизилась к квантовому пределу

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 07.04.2004
Кит Шваб на фоне установки. Фото с сайта www.glue.umd.edu/~kschwab/nanomechanics_group_page.htm
Кит Шваб на фоне установки. Фото с сайта www.glue.umd.edu/~kschwab/nanomechanics_group_page.htm
Реклама
цитата Дословно

Группа Кита Шваба

Мы вступаем в область, где квантовые явления должны наблюдаться в механической системе. Кажется, мы находимся в начале новой экспериментальной эры, когда взаимодействие между двумя полностью квантовыми системами может быть изучено экспериментально (электрическими и механическими устройствами), что вполне может быть названо квантовой электромеханикой (quantum electro-mechanics - QEM). Мы ожидаем много удивительных и невероятных, неожиданных экспериментов в ближайшем будущем!

Laboratory for Physical Sciences - University of Maryland

Новый эксперимент, поставленный в США, позволил вплотную приблизиться к обнаружению квантовых эффектов в макроскопическом объекте. Кит Шваб (Keith Schwab) и его коллеги из Агентства национальной безопасности (National Security Agency - NSA), работающие в Университете штата Мэриленд (University of Maryland), измеряли колебания крошечного наноэлектромеханического манипулятора, чтобы изучить пределы, в которых действие квантовомеханических эффектов сменяется законами классической физики. Хотя установка оказалась недостаточно чувствительной для того, чтобы проверить действие принципа неопределенности Вернера Гейзенберга (1927), все же к заветной цели удалось всерьез приблизиться, если сравнивать с предыдущими попытками. Результаты экспериментов опубликованы в журнале Science.

Согласно принципу неопределенности, мы не можем одновременно точно измерить пространственные координаты и импульс частицы (координаты и скорость частицы обратно пропорциональны друг другу). Только путем введения такого "странного" и парадоксального принципа можно правильно описать движение частиц на атомном и субатомном уровне. Например, атом водорода устойчив благодаря тому, что сила взаимного притяжения электрона и протона компенсируется отталкиванием электрона от ядра из-за неопределенности флуктуирующей скорости. Однако подчиненность принципу неопределенности поведения макроскопических объектов до настоящего времени оставалось под вопросом. Конечно, теоретически любой макроскопический объект обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами, однако экспериментальной проверке это не поддается, и поведение такого объекта описывается классической физикой.

Узнать, на самом ли деле действие принципа неопределенности распространяется на макроскопические объекты, и было основной целью американских экспериментаторов. Они намеревались это сделать, изучая движения вибрирующего механического манипулятора, изготовленного из нитрида кремния. Исследование очень важно с точки зрения новой бурно развивающейся области науки и техники - нанотехнологии, - имеющей порой дело с отдельными атомами, и создания так называемых наноэлектромеханических систем (Nano-electromechanic Systems - NEMS) поперечником порядка сотни нанометров. Точные измерения такого рода важны и в связи с надеждами на регистрацию гравитационых волн. Размер изучаемого объекта в эксперименте не превышал 8 мкм (8x10-6м) - то есть "рука" была совсем крошечной по обыденным масштабам, однако все еще оставалась макроскопическим объектом (ее масса эквивалента 1012 атомам водорода).

Схема установки с сайта www.lps.umd.edu/quantum_computing/keith_schwab.htm Исследователи поместили манипулятор на расстояние приблизительно в 600 нанометров от одноэлектронного транзистора (ОЭТ), действующего как детектор движения и соединенного с конденсаторной системой. По сути, получился простой гармонический осциллятор, только исполненный в небывалых масштабах. На установку подавали напряжение, чтобы заставить манипулятор вибрировать, и остужали ее до температуры меньше 5 милликельвинов. Охлаждение системы до таких низких температур приводило к тому, что тепловые колебания уже практически не играли никакой роли, и оставались только "нулевые" квантовомеханические колебания. Эти "нулевые" движения - прямое следствие соотношения неопределенности, которое не позволяет "руке" оставаться полностью неподвижной (иначе стали бы известны и ее точные координаты, и ее "импульс" или скорость, которая просто равнялась бы в таком случае нулю).

Когда манипулятор придвигается к детектору, а затем отодвигается от него, количество электронов, проходящих через транзистор, меняется. Измеряя этот ток, можно в принципе измерить смещение манипулятора с точностью, которая на порядок выше, чем амплитуда "нулевых" флуктуаций.

Физики NSA теперь намерены увеличить чувствительность детектора и принять меры к уменьшению тепловых колебаний в манипуляторе. Они также надеются распространить свои исследования на более крупные объекты. "Эти эксперименты касаются глубочайшей тайны современной физики: где именно квантовый мир уступает свое место миру классической физики, - говорит Шваб. - Успех при управлении квантовым состоянием механического устройства предполагает, что нет никакого четкого "водораздела" между этими двумя мирами, и позволяет нам изучать с этой точки зрения даже более крупные объекты".

Шваб надеется, что его группа сможет применить свои наработки (то есть методы, которые могут служить для считывания состояния квантовых систем) для создания квантовых компьютеров.

Квантовые компьютеры - это в настоящее время еще гипотетические механизмы, которые должны использовать необычное квантовомеханическое поведение вещества в атомной шкале (вроде суперпозиции и "запутывания") для того, чтобы выполнять некоторые типы вычислений гораздо быстрее, чем это возможно на любом мыслимом условном компьютере современного типа. Возможно, квантовые компьютеры будут важнейшим слагаемым технологии XXI столетия, однако сначала физики должны придумать, как контролировать и считывать "показания" со сложных квантовых систем с экстраординарной точностью.

Источники:
Physicists move closer to the quantum limit - PhysicsWeb
Quantum Measurement in Mechanical Systems - Laboratory for Physical Sciences - University of Maryland
Exploring the limits of Quantum Mechanics in NanoMechanical and NanoElectronic devices - Schwab Group

Ссылки:
Одноэлектронный транзистор исследует "нанозаконы" в макромире - PhysicsWeb
Электромеханический одноэлектронный транзистор - Phys.Web.Ru

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 07.04.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама



Выбор читателей