В квантовой механике существует понятие квантового предела, который, помимо прочего, объясняет, насколько сильно экспериментальным путем можно охлаждать объекты. Физики Национального института стандарта и технологий (NIST) совсем недавно смогли охладить объект до температур ниже этого квантового предела, теоретически доказав, что технология, которую они для этого использовали, подходит и для того, чтобы охлаждать объекты до абсолютного нуля (−273,15 °C), то есть состояния, при котором материя лишается абсолютно любой энергии и движения.

 Охлаждаемым объектом в этом случае являлся микроскопический «барабан», представляющий собой крошечную вибрирующую мембрану. Сама мембрана выглядит как крошечный диск диаметром 20 микрометров и толщиной 100 нанометров, включенный в сверхпроводящую электронную цепь. Эта цепь создана таким образом, что колебания мембраны оказывают влияние на микроволновые лучи, которые отражаются от электромагнитной впадины. Фотоны микроволнового излучения, попадающие внутрь впадины, изменяют свою частоту на ту, что соответствует частоте колебаний самой мембраны. В результате этого возникает колебательная система, имеющая определенную резонансную частоту.

В более ранних экспериментах специалисты из NIST смогли охладить такую мембрану до энергетического состояния, соответствующего одной третьей части от энергии кванта. Для этого они использовали метод охлаждения «sideband cooling». Благодаря очень мощному потоку микроволн, имеющему частоту ниже резонансной частоты системы, создавался заряд, который заставлял атомы и молекулы в пластинке колебаться со скоростью 10 миллионов раз в секунду, что приводило к возникновению фотонов, чья частота была выше, чем частота резонансной системы. Когда в электромагнитной впадине достигался определенный предел заполнения фотонами, то некоторые фотоны начинали покидать систему и при этом забирать с собой частичку энергии, что приводило к очень сильному охлаждению элементов этой системы.

В недавнем же эксперименте ученые добились состояния, при котором энергия мембраны после охлаждения составила одну пятую от энергии одного кванта. Осуществить это удалось благодаря методу «сжатия» света. Под сжатием в данном случае подразумевается квантово-механическое явление, при котором шум и другие нежелательные колебания изолируются от основной частоты колебаний света, чтобы не затрагивать ход эксперимента. Для создания этого сжатия ученые использовали специальную схему, которая действовала как шупомодавитель, и устройство, производящее фотоны, полностью лишенные посторонних колебаний.

«Имеющийся в фотонах шум приводит к нарушению гармоничности колебаний системы и, соответственно, к ее нагреву. Мы смогли сжать свет до самого высокого уровня и получили фотоны с максимально возможной на данный момент стабильной интенсивностью. Они сильны и хрупки одновременно», — комментирует физик NIST Джон Теуфель.

Эксперимент в целом доказывает, что объекты можно охлаждать и до более низких показателей, чем предсказаны ранее принятым квантовым пределом (с теоретической точки зрения даже до абсолютного нуля). Это, в свою очередь, может существенно повлиять на методы проводимых исследований и в целом развитие технологий.

«Чем ниже охлаждаются объекты, тем лучше это для многих областей. Например, сенсоры в этом случае станут еще более чувствительными и точными. В среде хранения данных эти самые данные можно будет дольше хранить. А если использовать такую охлаждающую модель в квантовых компьютерах, то это позволит избежать возникновения ошибок».

По мнению исследователей из NIST, подобные охлажденные «барабаны» могут стать кубитами (элементарной частицей квантовых вычислений, квантовым битом) своего рода гибридного квантового компьютера (на базе и квантовых, и механических технологий), который будет способен решать те задачи, которые на данный момент рассматриваются как «нерешаемые». По большей части нерешаемыми они являются как раз из-за ограничений, создаваемых состояниями высоких температур, однако предложенный метод может решить эту проблему. По крайней мере в теории.