От кубита до темной материи. Как физики создают невидимые объекты
- Мечта о шапке-невидимке
- «Волшебные» метаматериалы
- Невидимые кубиты
- Теория абсолютной невидимости
- Увидеть невидимое
Миф о человеке-невидимке может стать реальностью. В лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС несколько лет разрабатывают теорию абсолютной невидимости и уже создали самый большой в мире «невидимый» кубит для квантового компьютера.
Мечта о шапке-невидимке
Столетиями человек мечтал о возможности оставаться незамеченным. Отсюда — многочисленные сказки и фантастические романы о шапках-невидимках или волшебных эликсирах. В природе подобных вещей не существует. Однако современные технологии позволяют создавать искусственные материалы, обладающие необычными свойствами.
В военной сфере уже применяют особые покрытия, делающие самолеты и корабли незаметными для радиолокационных приборов, а также специальные ткани для маскировки техники и личного состава. Это — так называемые стелс-технологии (от английского stealth — невидимый), основанные на свойствах материалов поглощать или рассеивать электромагнитные волны определенной длины.
Английский писатель Герберт Уэллс в романе «Человек-невидимка», написанном в 1897-м, объяснял этот принцип так: «Тела либо поглощают свет, либо отражают, либо преломляют его, или все вместе. Если тело не отражает, не преломляет и не поглощает свет, то оно не может быть видимо само по себе».
Сказанное справедливо не только для световых волн, но и для других видов излучения. Однако проблема в том, что во всех этих случаях объект невидим только с одной стороны, а с другой — оставляет за собой волновую тень, по которой его можно идентифицировать. Кроме того, стелс-технологии работают, как правило, в очень узком диапазоне длин волн.
В лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС уже несколько лет занимаются созданием «абсолютно невидимых» объектов. Правда, речь пока не о кораблях и самолетах, а о вещах поскромнее — элементах квантовых компьютеров и сенсорах, которые, если поместить их в среду, не нарушают ее параметры.
Алексей Башарин, доцент кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ МИСиС в лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы»
«Волшебные» метаматериалы
Чтобы получить особые свойства, не встречающиеся в природе, — например, отрицательный коэффициент преломления света или сверхсильную локализацию полей — ученые разрабатывают метаматериалы. Приставка «мета-» переводится с греческого как «вне», «за пределами».
Как правило, они обладают периодической структурой, искусственно созданной путем внедрения в исходный природный материал наночастиц различного размера и геометрической формы — метаатомов. Занимая, подобно атомам кристаллической решетки природных веществ, определенные положения в структуре метаматериала, они модифицируют его свойства.
Метаатомы позволяют волнам просто огибать объекты, на которые нанесены метаматериалы. И эти объекты становятся невидимыми для электромагнитного излучения. С помощью метаматериалов с отрицательным показателем преломления можно создать линзы, преодолевающие дифракционный предел разрешения обычной оптики.
Кроме того, существуют сверхпроводящие метаматериалы. Если их охладить до сверхнизких температур и поместить в вакуум, можно добиться квантовых эффектов. В этом случае метаатом будет выполнять роль кубита — главного элемента квантового компьютера.
Оборудование лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ МИСиС
Невидимые кубиты
При любом взаимодействии кубитов с окружающей средой процесс обработки информации в них нарушается. Это основная проблема квантовых компьютеров. Поэтому основная задача ученых — продлить срок службы кубитов, сделать их менее чувствительными к внешним воздействиям.
Прежде всего, они не должны излучать. Для этого их делают очень маленькими, но тогда возникают другие проблемы — такие как локальный нагрев, из-за которого теряются квантовые свойства. Другими словами, кубит должен быть достаточно большим. Исследователям из Университета МИСиС удалось создать самый крупный в мире неизлучающий квантовый метаатом, работающий как невидимый кубит.
«Конечно, мы его видим, — рассказывает доцент кафедры теоретической физики и квантовых технологий НИТУ МИСиС Алексей Башарин. — Когда мы говорим о невидимости, подразумеваем — в определенном диапазоне. Для нашего случая мы выбрали частоту пять гигагерц. То, что происходит на других частотах, нам пока не важно».
Физический принцип, который использовали авторы при создании невидимого кубита, отличается от заложенного в стелс-технологиях. Если там тело просто поглощает излучение, то здесь электромагнитная волна, которая падает на объект, выходит после него без каких-либо изменений, как будто на ее пути ничего не было.
«По сути, идеальный невидимый объект — это место в пространстве, которое собирает падающее на него излучение в точку и затем передает дальше в том же самом виде. При этом в самом объекте могут концентрироваться очень сильные ближние поля», — отмечает ученый.
Теория абсолютной невидимости
Прежде чем приступить к созданию физических объектов, ученые НИТУ МИСиС разработали обобщенную теорему невидимости и превратили ее в математическую модель. За основу взяли гипотезу советского физика Якова Зельдовича об «анаполе».
В 1957-м ученый предположил, что помимо дипольных электрических и магнитных, квадрупольных и высших конфигураций токов существуют тороидальные. Если по катушке в виде тора — геометрического тела в форме бублика с дыркой посредине — пропустить ток, то магнитное поле будет распространяться внутри, а электрическое — закручиваться вокруг него. Поля, находящиеся в противофазе, погасят друг друга, а материальные объекты с подобным явлением нельзя будет наблюдать извне. Зельдович назвал такую конфигурацию «анаполем» — состоянием, у которого нет поля.
Анаполь
Анаполь концентрирует динамическое электромагнитное поле только внутри себя и не излучает энергию в окружающее пространство. Физики из Университета МИСиС теоретически обосновали возможность создания метаматериалов, ячейки которых будут играть роль анаполей, а затем доказали это экспериментально.
«Объект, обладающий такими свойствами, очень маленький. По сравнению с длиной волны — это точка, но поля в нем концентрируются многократно. Потом излучение передается дальше, — объясняет Башарин. — Мы провели эксперимент, сконцентрировав в точке, размер которой в сто раз меньше длины волны, поле, в 20 тысяч раз превышающее падающее излучение».
В результате ученые создали уникальный метаматериал, представляющий собой плоскую решетку, состоящую из ячеек-анаполей особой конфигурации. Электрические поля сосредоточены в их центральных зазорах, а магнитные — вращаются вокруг них. Таким образом, в каждом таком анаполе локализуется значительная электромагнитная энергия с очень малыми потерями.
Метаматериал, состоящий из анаполей
Аналогичную форму имеют и «невидимые» кубиты. Благодаря ей они устойчивы к внешним электромагнитным полям и при этом могут взаимодействовать между собой за счет интерференции электрического и тороидного диполей.
«Невидимый» кубит
Увидеть невидимое
Чисто теоретически, хотя это сложно и очень дорого, на основе анаполей можно создать объекты, невидимые и в оптическом диапазоне. Но ученых больше интересует решение обратной задачи — увидеть невидимое. В природе много объектов, которые не участвуют в электромагнитных взаимодействиях и потому недоступны для прямого наблюдения ни визуально, ни с помощью приборов.
Анапольные свойства обнаружили у некоторых ароматических молекул, а также у ядер атомов иттербия-174 и цезия-133. С последним связана интересная история. До 1950-х физики не знали, как устроен атом цезия-133, так как попросту не могли его увидеть. Зельдович предположил: «невидимость» цезия связана с тем, что статические токи в его ядре имеют форму тороида. Вращаясь, они порождают замкнутое магнитное поле. Получается типичный анаполь — невидимый объект, который не излучает. Если токи разомкнуть, он начнет излучать и станет видимым. Так и оказалось.
Атом цезия-133
Есть гипотеза, что частицы темной материи, на которую приходится до 85 процентов вещественной доли Вселенной, также представляют собой неизлучающие анаполи. В таком случае, чтобы объяснить существование этой субстанции, не нужно привлекать какие-то экзотические силы, с которыми мы не встречаемся в повседневной жизни. Все укладывается в обычные законы электромагнетизма.