Рубидий: от атомных часов до квантовых мозгов

Рубидий каким-то странным образом оказался широко задействован в тех технологиях, что находятся на пике науки, если оценивать остроту этого пика числом участвующих в работе нобелевских лауреатов. Более того, он может сыграть ключевую роль в квантовых цифровых технологиях, которые определят нашу жизнь в XXI, а может быть, и в XXII веке. Другим металлам повезло меньше.

Рубидиевые часы

Великая французская революция, помимо прочего, положила начало созданию всемирных эталонов физических величин. Так, решением Национального Конвента от 1795 года было указано, как определить эталоны длины и веса. Первый, метр, стал одной сорокамиллионной частью длины Парижского меридиана, к тому времени уже измеренной, а второй, килограмм, — весом одного кубического дециметра воды, взвешенного опять же в Париже (будь измерения на экваторе или полюсе — эталон стал бы немного другим из-за различий силы тяжести). А вот эталон секунды Конвент не определил. Видимо, в то время всех вполне устраивало деление суточного периода обращения Земли вокруг своей оси на часы, минуты, а затем и секунды.

Однако мудрецы смотрели в будущее, и вот в 1873 году англичанин Джеймс Максвелл, незадолго до того написавший свои знаменитые уравнения электродинамики, высказал мысль: «Более универсальную единицу времени можно найти, взяв периодическое время колебаний определенного вида света». В то время не было никакой возможности хоть как-то измерить это время, но идея не была забыта и воскресла уже в ХХ веке, когда для развивающейся технологии телекоммуникаций потребовались точные эталоны времени; в его качестве американский физик Айзек Раби, получивший Нобелевскую премию в 1944 году, предложил использовать частоту перехода между разными квантовыми состояниями атома какого-то элемента и построить на этом принципе атомные часы. Такая постановка задачи во многом предопределила выбор рабочего тела часов: это водород и щелочные металлы. У них атомы устроены проще всего: один-единственный электрон на внешней оболочке, и, стало быть, число возможных квантовых состояний не очень велико. Ну а из числа щелочных металлов выбор упал на самые тяжелые — цезий и рубидий, ведь чем тяжелее атом, тем труднее его вывести из равновесия: стабильность таких часов должна быть больше, нежели при использовании легких атомов.

Первые цезиевые атомные часы в Англии сконструировали Джек Перри и Льюис Эссен в Национальной физической лаборатории Великобритании в 1955 году. Сегодня они хранятся в Музее науки в Лондоне. Интересно, что цезиевые часы используют не только горизонтальный, но и вертикальный пучок атомов. Льюис Эссен как раз разглядывает вертикальное устройство Фото: Richard Ash / Wikimedia Commons

Первые рубидиевые часы в 1958 году собрал в Принстоне Кэррол Элли, аспирант из группы того самого Роберта Дикке, который очень много сделал для создания современной космологии и, в частности, обнаружения реликтового излучения, однако ни одну нобелевскую премию не получил (см. «Химию и жизнь» 2019 №12).

В этих часах газ атомов рубидия в оптической ячейке освещают рубидиевой лампочкой. В исходном квантовом состоянии атомы газа поглощают свет. Однако состояние можно изменить микроволновым излучением. Оператору часов (сейчас это делает электроника) остается только крутить ручку прибора, меняя частоту излучения: когда она достигнет резонанса с частотой перехода между состояниями атома рубидия, те перестанут поглощать свет, и он свободно пройдет сквозь газ, что и зафиксирует фотодетектор. Найденная частота окажется эталоном для поверки приборов измерения времени, которым требуется атомная точность. А что это за приборы? Это основа нынешнего цифрового мира: атомные часы обеспечивают точность и синхронность работы радаров, оборудования и самой передачи данных в высокоскоростных вычислительных сетях, системах связи и спутниковой навигации. Обеспечивают они и стабильную работу высокоточных электронных приборов, без которых никакая высокая технология невозможна.

Так выглядят рубидиевые часы в одном из первых патентов: 14 — рубидиевая лампочка; 24 — фильтр из газа атомов рубидия-85, который удаляет ненужные линии излучения; 10 — рабочая ячейка, где находится газ из атомов рубидия-87; 30 — генератор микроволн, частота которого подстраивается к частоте перехода состояний атомов рубидия-87 из одного в другое; 32 — фотодетектор

Придуманная в лаборатории Дикке конструкция стала основой многочисленных современных рубидиевых часов. Их точность в сто раз меньше, чем у альтернативных, цезиевых, поэтому такие часы не могут служить первичным эталоном для установления стандартов измерения времени. Зато их можно сделать очень маленькими — миниатюрные рубидиевые наночасы не намного больше, чем обычные наручные, стоят они несколько тысяч долларов, а служат около четверти века. Из-за этих достоинств рубидиевые часы используют в большинстве приборов, где феноменальная точность в подстройке частоты не нужна. Для сравнения: современные цезиевые часы, которые служат первичным эталоном, а работают на другом принципе, представляют собой металлический ящик размером в полметра, весом в четверть центнера и стоят под сто тысяч долларов. Срок их службы 5—10 лет; точность составляет 10⁻¹² секунды.

В особо ценных приборах, впрочем, применяют сразу несколько типов атомных часов, и это оправданно. Возьмем спутниковую систему навигации. Для нее корректная работа часов на всех спутниках системы жизненно важна — иначе рассчитываемые координаты объектов будут неточны. Однако что если эталон времени, расположенный на спутнике, выйдет из строя? Починить его нельзя и, значит, придется менять спутник, а это дорого. Поэтому на таких спутниках стоит по нескольку цезиевых и рубидиевых часов. И эта предосторожность не лишняя — часы действительно выходят из строя чаще, чем хотелось бы.

Пары из цезиевых и рубидиевых часов используют и для проверки фундаментальных свойств нашего мира. Для чего так? Цезиевые часы — эталон времени, построенный на том допущении, что энергия перехода между состояниями атомов не меняется. Но если они зависят от каких-то внешних воздействий, то каким сравнением и каким образцом это можно проверить? Рубидиевые часы и стали образцом для проверки эталона.

Современные цезиевые часы производства компании «Hewlett-Packard» по своей громоздкости не сильно отличаются от своих предков. А вот рубидиевые часы можно сделать столь маленькими, что их удается встраивать практически в любой прибор

Казалось бы, что может изменить столь фундаментальное качество материи, как частота переходов в атоме? Однако из Общей теории относительности следует, что время течет тем медленнее, чем больше сила тяжести. Значит, в разных местах планеты показания одних и тех же атомных часов будут разными из-за различия гравитации. Вопрос — достаточно ли точности, чтобы это заметить?

Гравитационное замедление времени — известный и доказанный феномен, однако сравнением хода разных атомных часов можно попытаться поискать неизвестные феномены, существующие в рамках альтернативных теорий гравитации. Так, Элли, запуская пары цезиевых и рубидиевых часов на самолетах, искал различия скорости света при движении в направлениях с востока на запад и с запада на восток, однако не преуспел в этом деле. Видимо, точности не хватило. Сейчас найти фундаментальные расхождения в разных способах измерения времени пытаются, сравнивая показания гораздо более точных цезиевых и рубидиевых фонтанных часов. Что это за способ измерения времени? Он неразрывно связан с прогрессом в постижении сверххолодного мира, где роль рубидия особенно велика.

Холодный фонтан

В рубидиевых часах газ быстро движущихся атомов заполняет ячейку и никуда из нее не перемещается. В более точных цезиевых часах используют горизонтально движущийся пучок атомов. Однако в самом начале практической деятельности по созданию атомного эталона времени была еще одна интересная идея: использовать фонтан из атомов. Его Джерролд Захариос из лаборатории Айзека Раби в Массачусетском университете предложил в 1954 году, еще до того, как сделал первые цезиевые часы «Атомихрон». Суть в том, что облачко атомов, сначала взлетая, а затем падая под действием гравитации, дважды проходит полость с микроволнами, где происходит изменение квантовых состояний атомов, и, таким образом, эффективность системы возрастает по сравнению с горизонтальным пучком. Идея, как показало будущее, была прекрасной, но исполнение в то время — отвратительным: атомы были слишком горячие (их скорость движения десятки метров в секунду), они быстро разлетались в разные стороны, облачко исчезало, и, в общем, опыт не удался.

Однако идея не забылась, и к ней вернулись после того, как в 1987 году нобелевский лауреат 1997 года Стивен Чу создал первую оптическую патоку для торможения атомов: скрестив шесть лазерных лучей, он сформировал облачко из очень холодных атомов, с температурой в миллионные доли градуса. И вот в 1996 году в Лаборатории времени и частот при Парижской обсерватории сделали первые часы на цезиевом фонтане. В них созданное оптической патокой облачко из десятков миллионов атомов цезия бережно подбрасывали лазером на метр вверх, и оно медленно опускалось, проходя сквозь микроволновой излучатель. Тот менял состояния атомов, и стоящий ниже лазер заставлял их светиться тем ярче, чем ближе частота микроволн была к резонансной. Все путешествие атомов вверх-вниз очень длительное — около секунды, что и обеспечило точность эталона времени в 10⁻¹⁵ секунд. Узнав об этом прорыве, свои фонтаны соорудили в ФРГ и США, затем в Италии; сейчас точное время планеты устанавливают усреднением по нескольким часам-фонтанам.

За прошедшее время точность часов возросла многократно. Так, у фонтана NIST-F1 в американском Национальном институте стандартов ошибка составляет 3⋅10⁻¹⁶  с, то есть отставание на одну секунду у них набегает за сто миллионов лет. Однако нет предела совершенству, и тут опять рубидий может пригодиться. Часы-фонтаны, к сожалению, крайне ненадежны. Из-за нестабильности лазеров, микроволновых излучателей, атомных облаков ни один фонтан не работает непрерывно дольше десяти дней. У рубидия размер атома существенно меньше, чем у цезия, и поэтому его атомы в холодном облачке реже сталкиваются, нагревая друг друга соударениями. Поэтому хотя бы с нестабильностью внутри облака атомов рубидий, возможно, станет справляться лучше, что позволит более широко использовать фонтанные часы. Пока что, впрочем, рубидиевые фонтанные часы, как уже было сказано, пытаются использовать не для измерения времени, а в паре с цезиевыми для проведения тонких физических экспериментов.

Фонтанные часы Национального института стандартов США и их схема

Сверххолод

Если в холодных часах рубидий лишь конкурент цезия, то при погружении исследователей в область сверххолода рубидий оказался вне конкуренции: именно из его атомов в июне 1995 года Карл Виман и Эрик Корнелл из Объединенного института лабораторной астрофизики Колорадского университета создали первый, полностью рукотворный конденсат Бозе — Эйнштейна. То есть, отбирая тепло у атомов с помощью света, охладили их до температуры в наноградусы. При таком охлаждении волновые пакеты атомов перекрылись, и все они, потеряв индивидуальность, стали одним цельным объектом (напомним, что из квантовой механики следует: любой материальный объект, и атом, и человек, и планета, — всё это волны материи, их называют волнами де Бройля). За создание этого нового состояния материи Виман и Корнелл в 2001 году стали нобелевскими лауреатами вместе с Вольфагангом Кеттерле, работавшим тогда в Массачусетском технологическом институте, но с атомами натрия.

За четверть века, прошедшие с тех пор, было поставлено множество опытов с этой новой формой материи, благо аппаратура для получения конденсата не столь уж и дорога, ведь для этого всего-то нужны хороший вакуум, несколько магнитов, не очень мощных лазеров и система управления ими. В попытках обнаружить интересные квантовые эффекты исследователи многих лабораторий делали конденсаты из атомов более чем дюжины элементов, на конденсаты влияли полями, светом, их швыряли с силой о подложку, сливали друг с другом, заставляли проходить один сквозь другой, в общем, всячески проявляли свою фантазию. Главное — придумать, какую еще тайну может раскрыть манипуляция с этим необычным состоянием вещества, ведь при его исследовании пока что главной движущей силой остается не практическая выгода, а чистое научное любопытство.

Такие установки для изготовления Бозе – Эйнштейновских конденсатов собирают в компании «ColdQuanta» Фото: ColdQuanta

Конденсат в космосе

Аппаратура для получения конденсатов достигла высокой степени совершенства: если нобелевские лауреаты со своими студентами сутками ее настраивали ради секундного опыта, то теперь для этого достаточно нажать одну кнопку и через несколько секунд можно смотреть на поведение конденсата. Подобную легкую в управлении установку для получения конденсата из атомов рубидия смонтировали на борту Международной космической станции (МКС), и летом 2018 года провели первые опыты.

Перенос опытов на орбиту вызван уже не столько любопытством, сколько жизненной необходимость: точность экспериментов при работе с конденсатом Бозе — Эйнштейна стала столь большой, что гравитация Земли начинает мешать. Обычно атомы газа, находящиеся в тепловом движении, гравитацию не замечают — сила столкновений их между собой обеспечивает сохранение газообразного состояния. Однако, когда атомы охлаждены до миллионных долей градуса, энергия теплового движения оказывается ничтожной. Тогда гравитация становится значимым фактором и холодные атомы падают вниз. Это плохо: приходится прикладывать снизу дополнительную силу, которая компенсирует гравитацию, что вносит нежелательные изменения в форму конденсата — он расплющивается. Второй недостаток: быстрое падение конденсата при отключении оптической ловушки; как правило, он долетает до дна установки за десятые доли секунды. И это тот интервал времени, в течение которого его можно изучать. Чтобы продлить время изучения, нужно строить высокую камеру, а чем больше ее объем, тем дороже установка, ведь для экстремального охлаждения нужен очень глубокий вакуум.

Выход нашли: нужно бросать с большой высоты саму капсулу, где сформирован конденсат. Так, например, сделали в 2012 году немецкие исследователи, используя специальную башню бременского Центра прикладной космической технологии и микрогравитации, ее высота — 146 метров. За 4,7 секунды полета конденсат из 10 тысяч атомов рубидия-87 не только успели разделить пополам, но потом еще сложить эти половинки, а также заснять возникшую картину интерференции волн материи. Схожие опыты проводили в пикирующих самолетах и в баллистических ракетах, где время эксперимента достигает шести минут. Очевидно, что такие эксперименты не могут быть лабораторной рутиной, однако они дали достаточно убедительные результаты, чтобы ставить вопрос о переносе работы в космос.

Два года деятельности установки на МКС (а она формирует конденсаты из атомов рубидия в автоматическом режиме по ночам, когда космонавты спят и меньше раскачивают станцию) показали, что решение было правильным. Орбитальные конденсаты содержат в три раза больше атомов, чем во время испытаний на Земле, а время их жизни после раскрытия ловушки стабильно превышает одну секунду. Кроме того, удается добиться более глубокого охлаждения, ведь при отсутствии гравитации можно приоткрывать ловушки, высвобождая слишком горячие атомы.

Сейчас космический рекорд сверххолода составляет 300 триллионных долей градуса выше абсолютного нуля, а в ближайших планах – снизить эту температуру в десять раз, а время жизни высвобожденного из ловушки конденсата поднять до пяти секунд. С такими параметрами рубидиевый конденсат становится чрезвычайно чувствительным прибором. С его помощью физики хотят решить несколько фундаментальных задач, главная из которых проверка принципа эквивалентности Эйнштейна: инерционная масса тела, которая проявляется при механическом движении, эквивалентна гравитационной массе, осуществляющей деформацию пространства-времени. Другие фундаментальные задачи: детектирование частиц темной материи и гравитационных волн. Есть и практические задачи: прецизионное картографирование гравитационного поля Земли, точнейшие датчики движения, повышение качества навигационных систем, ну и точнейшие атомные часы космического базирования.

Еще одно использование рубидиевого конденсата — приготовление сверххолодных молекул из атомов щелочных металлов. Обычно из них молекулу создать нельзя — тепловое движение разорвет связь таких атомов. Но в сверххолодном мире это становится возможным: атомы образуют пары. Как правило, партнером рубидия-87 в таких опытах оказывается калий-40.

Несмотря на глубокое охлаждение, молекулы могут, сталкиваясь друг с другом, реагировать и распадаться. Однако есть квантово-механическая управа и на такие реакции. У атома калия-40, в отличие от Rb-87, имеется полуцелый спин. То есть он подчиняется не статистике Бозе — Эйнштейна, а Ферми — Дирака, где работает принцип запрета Паули: два атома не могут занимать один и тот же энергетический уровень. Поэтому калий-40 неспособен давать конденсат, где все атомы холодного облачка оказываются на одном уровне. Зато облачко из калия-40 может перейти в состояние ферми-газа, когда составляющие его атомы занимают без промежутков все имеющиеся энергетические уровни, начиная с самого нижнего. Соединив холодный калиевый газ с рубидиевым конденсатом, американские исследователи из Колорадского университета в 2018 году сделали вырожденный газ из молекул KRb. В нем, чтобы прореагировать, молекуле требуется энергия, достаточная для прыжка через все занятые уровни. А такой энергии в холодной системе неоткуда взяться. Газ из сверххолодных молекул интересен тем, что с его помощью можно изучать как квантовые аспекты химии, так и проблемы симметрии Вселенной; могут они пригодиться и в создании квантовых вычислителей — у молекул гораздо больше степеней свободы, чем у других претендентов: атомов и ионов, и этим можно воспользоваться.

Квантовые мозги

В знаменитой саге Айзека Азимова про роботов у этих искусственных существ были позитронные мозги. Не исключено, что у реальных роботов будущего мозги будут рубидиевыми. Дело в том, что ученые, занимающиеся квантовыми технологиями, уже научились сплетать из сверххолодных атомов рубидия оптическую паутину, способную вполне надежно выполнять квантовые логические операции. Возможно, в недалеком будущем из них построят квантовый компьютер. Для арифметических расчетов он не очень подходит, а разгадывать логические головоломки, например вскрывать коды шифрования, должен с непревзойденной скоростью. Роботу для ориентации в житейских ситуациях способность разгадывать головоломки подходит больше, чем умение решать в уме какие-то физические уравнения. Как ситуация с перспективами рубидиевых мозгов выглядит сегодня?

Атомный чип позволит использовать квантовые технологии для изготовления массовых устройств. В таких чипах установлены миниатюрные магнитные и оптические ловушки, которые позволяют манипулировать с облачками сверххолодных атомов Фото: ColdQuanta

Квантовые операции в них станет выполнять система из простых и ридберговских атомов рубидия. Их так назвали вовсе не потому, что швед Йоханнес Ридберг в 1888 году открыл такие атомы. Нет, в том году он предложил формулу для расчета спектральных линий. Как выяснилось позднее, формула описывает водородоподобный атом, в котором электроны вращаются вокруг ядра подобно планетам. Для атомов большинства элементов это несправедливо, но можно создать ситуацию, когда любой атом станет подобным водороду.

Возьмем атом того же рубидия. У него внешний электрон находится на пятой s-орбитале. Если атом так возбудить, что внешний электрон перелетит на орбиталь с двух-трехзначным номером, то для столь далекого электрона вся остальная часть атома станет похожей на единичный протон. Возбужденный атом, где электрон оказался очень далеко от ядра, теперь называют ридберговским. Диаметр орбиты возбужденного электрона у него огромен, измеряется микронами, тогда как размер невозбужденного атома — долями нанометра. Став ридберговским, атом начинает заметно влиять на многих своих соседей, даже если они распложены на ранее недосягаемой дистанции. Например, когда электрон оказывается на сотой орбитале, сила его взаимодействия с атомами в радиусе 10 микрон оказывается в триллионы раз больше, чем у невозбужденного атома. Получается: попросту возбуждая электроны внешним воздействием (например, лазером), как мановением волшебной палочки, можно мгновенно триллионнократно менять энергию взаимодействия атомов! Это имеет важное следствие.

Представим себе, что из лазерных лучей создана не одна ловушка, как для получения конденсата Бозе — Эйнштейна, а сетка из таких ловушек с шагом в несколько микрон. Если поместить в узлы световой сетки атомы, то, пребывая на столь большом расстоянии, они никогда не узнают о существовании друг друга. Однако если один атом перевести с помощью света в ридберговское состояние, он благодаря своей сверхсиле вступит во взаимодействие со многими соседними атомами и свяжет их состояния. Так эта система окажется пригодной для выполнения квантовых операций.

Очень интересно, что, как только один атом рубидия стал ридберговским, ни у одного из попавших под его влияние атомов не удастся тем же способом возбудить электрон и тоже сделать его ридберговским: состояния атомов изменились и поглощение возбуждающего излучения оказывается запрещено. Более того, изменятся все частоты, на которых проходят оптические переходы у всех атомов, попавших под влияние ридберговского соседа. Так что менять состояния у них придется лазером с какой-то иной частотой. А у незаблокированных атомов частота перехода останется прежней.

Таким образом, возникает ситуация, когда есть управляемый атом, способный принимать какой-то набор состояний под влиянием микроволн, и управляющий атом, который разрешает или запрещает изменять эти состояния. Кибернетики такую комбинацию называют логическим вентилем и из подобных вентилей составляют логическую схему вычислителя. И коль скоро речь идет о работе с квантовыми состояниями, этот вычислитель будет квантовым.

В 1997 году Давид Де Винченцо, работая в исследовательском подразделении компании IBM, сформулировал пять принципов, которым должен удовлетворять квантовый вычислитель. Их список таков.

Он состоит из квантовых объектов, кубитов, которые исходно не влияют друг на друга, но неким внешним воздействием их можно переводить из одного состояния в другое. При этом они не должны самопроизвольно переходить в какое-то третье состояние. Вычислитель должен быть масштабируемым; при случае к нему можно добавлять новые кубиты.

Перед началом вычислений все кубиты должны быть приведены в определенные состояния.

Время разрушения состояний должно быть по меньшей мере в десять тысяч раз больше, чем время, затрачиваемое на выполнение одной логической операции.

При вычислениях должны выполняться операции как над отдельными кубитами, так и над связанными попарно.

Измерение конечного квантового состояния должно проходить быстро и эффективно, то есть с малыми потерями информации.

Система с ридберговскими атомами вполне соответствует всем этим критериям. Современные оптические устройства позволяют легко создавать цепочки из десятков оптических ловушек с расстоянием между узлами в несколько микронов; из них удается собирать и трехмерные сетки. Это дает хорошую плотность размещения кубитов: расчет показывает, что вычислитель мощностью в миллион кубитов займет объем около кубического сантиметра, в объеме человеческого мозга — полтора миллиарда кубитов.

В таких вакуумных камерах из стекла можно собрать квантовый вычислитель из ридберговских атомов Фото: ColdQuanta

Программировать ридберговский вычислитель будут, возбуждая одни атомы светом, а у других меняя состояния микроволнами или лазерами. Эти состояния можно менять индивидуально. Лазерный луч уже удается фокусировать на одном-единственном кубите и за счет этого слегка менять его полосы поглощения так, чтобы можно было действовать на него микроволнами с индивидуально подобранной частотой. Изменения состояния кубитов с помощью микроволнового излучения в таких системах сейчас достигает точности в 99%.

Двухкубитовые операции с ридберговской блокадой пока что выполняются хуже — с точностью 97%, но она постепенно растет, и, главное, есть идеи, как улучшать дальше. Для сравнения: в системах со сверхпроводящими кубитами уже достигнута точность 99%. Интересно, что ридберговские кубиты можно делать не из индивидуальных атомов, а из их холодных облачков, заключенных в те же самые ловушки, — это затрудняет работу с системой, но увеличивает ее надежность. Регистрировать ридберговские атомы можно по исчезновению испускания фотонов атомами в ловушках при их подсветке лазерным излучением. Так можно организовать считывание результатов расчета.

Важное преимущество рибдерговского квантового вычислителя перед многими альтернативами в том, что для его работы не нужен холодильник с жидким гелием: главное — обеспечить хороший вакуум, а охлаждение кубитов, тех самых атомов рубидия, что сидят в ячейках лазерной сетки, будут проводить лазерные лучи и магнитные поля. Да и экстремальное охлаждение не нужно — достаточно уровня в микроградусы.

А можно ли уже взглянуть на прототип ридберговского квантового компьютера? Да. Он выглядит как стеклянная ячейка, внутри которой, в глубоком вакууме, расположены атомы рубидия. Если ее осветить со всех сторон лучами лазеров, разбитыми на десятки лучиков, то возникнет оптическая решетка, в узлах которой будут заключены кубиты.

С такими ячейками работают во многих лабораториях, а некоторые уже берутся за создание действующих устройств. Один из лидеров — компания «ColdQuanta», созданная в 2007 году в месте рождения рубидиевого конденсата Бозе — Эйнштейна, то есть в Колорадском университете. Она поставляет большую номенклатуру оборудования для работы со сверххолодными атомами, в том числе установки для получения конденсата, придумывает на его базе сенсоры движения, оборудование для навигации без использования спутниковых систем. Это ее процессор QuantumCore обеспечивает получение конденсатов на МКС, речь о которых шла выше.

Весной 2020 года компания подписала контракт с Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США на 7,4 млн долларов, который предполагает создание масштабируемого квантового вычислителя на холодных атомах, способного продемонстрировать преимущества квантовых методов расчета для практически важных задач. Через 3,5 года у них должен быть состоящий из тысячи кубитов квантовый симулятор, то есть устройство для решения задач единственного типа. Задача у него будет такая. Представим, что самолет вероятного противника атакует побережье США. Он постоянно выходит из зоны действия радаров системы ПВО. Симулятор станет в режиме реального времени подсказывать радарам, как следить за самолетом. Считается, что цифровые компьютеры неспособны это делать с надлежащей скоростью, а квантовая система справится. Есть идеи создания на атомах рубидия и симуляторов для оптимизации работы энергосистем.

В РФ наиболее успешно с холодными ридберговскими атомами рубидия работает лаборатория члена-корреспондента И.И. Рябцева из новосибирского Института физики полупроводников им. В.А. Ржанова СО РАН. Эти опыты были начаты в 2008 году, когда в лаборатории собрали установку для исследований холодных атомов, и теперь получено много интересных результатов. Например, была отлажена методика очень аккуратного превращения атомов в ридберговские за счет последовательной бомбардировки их тремя фотонами: так снижается вероятность нагреть холодный атом. Освоена и методика возбуждения единичных атомов в узлах оптической решетки, что нужно для загрузки регистров квантового вычислителя. В лаборатории придумали и необычные кубиты в виде не единичных атомов рубидия, а облачков из них, а также алгоритмы квантовых операций с такими кубитами. Правда, прототипа квантового компьютера на основании этих наработок пока не создано; ведется работа по созданию массива оптических дипольных ловушек, захвату одиночных атомов рубидия в его узлы и реализации простейших одно- и двухкубитовых квантовых операций с этими атомами.

Сотрудники и студенты из группы члена-корреспондента И.И. Рябцева (на фото — второй слева) около собираемой ими новой установки с массивом ловушек для атомов рубидия в Институте физики полупроводников им. В.А. Ржанова СО РАН Фото: ИФП СО РАН

Как бы то ни было, очевидно, что наша технологическая цивилизация стоит на очередной развилке пути своего развития. Квантовый компьютер, несомненно, в обозримом будущем создадут, и это изменит нашу жизнь так же сильно, как появление ядерного оружия. А вот какой материал окажется главным в такого роде устройствах, пока что остается загадкой. Выбор этого материала и определит путь цивилизации. Не исключено, что это будут именно холодные атомы рубидия. Тогда этот элемент займет такое же место символа передовой технологии, каким ныне служит кремний.

Кандидат физико-математических наук
С.М. Комаров