Компьютерра - Журнал "Компьютерра" №711

Во многом это связано с тем, что волновые свойства квантовых частиц, как правило, очень трудно непосредственно наблюдать. Трудно потому, что в большинстве ситуаций длина волны квантовой частицы, например, электрона очень мала. А в традиционном двухщелевом эксперименте (частица как волна проходит сразу сквозь две щели в экране, и за ним наблюдается интерференционная картина) щели должны быть порядка длины волны частицы. Но даже если размеры соблюдены, частица в полете неизбежно взаимодействует с окружением, которое стремится разрушить квантовую картину.

В новых оригинальных экспериментах ученым впервые удалось не только реализовать, пожалуй, самую маленькую из всех мыслимых "щелей", но и надежно контролировать все взаимодействие квантовых частиц с окружением. Роль "щелей" играли два протона - ядра атомов в молекуле водорода, расположенные на расстоянии всего 0,7 ангстрем друг от друга. Наблюдаемой частицей был электрон, а "наблюдателем" стал второй электрон молекулы. Разумеется, такое деление в известной степени условно, но таков уж язык современной квантовой теории.

В эксперименте слабый поток молекул водорода обстреливался рентгеновскими фотонами, энергия которых была так велика, что попавший в молекулу фотон выбивал из нее сразу два электрона. Оставшись одни, два положительно заряженных протона ядер разлетались за счет кулоновского отталкивания. Скорости и положения всех четырех частиц измерялись расположенными вокруг детекторами. Один из вылетавших электронов был "быстрым" с энергией около двухсот электрон-вольт, а второй электрон, которому приписывали роль "наблюдателя", сравнительно медленным.

В молекуле водорода оба электрона равноправны, перепутаны и поделены между атомами. Поэтому при фотоионизации быстрый электрон, интерферируя сам с собой, покидает как бы сразу два атома молекулы, которые можно интерпретировать как щели традиционного эксперимента. Регистрация протонов позволяет восстановить ориентацию этих атомов - щелей в момент ионизации, и по отношению к ним наблюдать интерференционную картину попаданий быстрого электрона. И эта волновая картина благополучно регистрировалась, но до тех пор, пока второй электрон - "наблюдатель" оставался медленным. По мере роста энергии второго электрона интерференция разрушалась, демонстрируя плавный переход поведения быстрого электрона от квантового (волнового) к классическому ("частичному"). Но даже при пропадании интерференции квантовая корреляция между двумя электронами сохранялась и могла быть восстановлена по результатам их регистрации.

Полная интерпретация результатов этого эксперимента, в котором участвуют, помимо фотонов, всего четыре частицы, на языке сегодняшней квантовой теории сложна и неоднозначна. В то же время эта квантовая задача развала молекулы водорода может быть полностью просчитана на современных компьютерах. Сравнение расчетов с экспериментом обещает дать много пищи для размышлений. И в ближайших планах ученых посмотреть, что будет при нарушении симметрии молекулы водорода, если один из ее атомов заменить более тяжелым изотопом - дейтерием. А пока у авторов есть две важных новости для своих коллег, занятых разработкой квантовых компьютеров. Плохая заключается в том, что даже одной лишней частицы может быть достаточно, чтобы разрушить квантовую картину. Хорошая же новость в том, что информация при этом не обязательно полностью теряется. ГА

По некоторым статистическим данным, количество людей, ожидающих пересадки донорских органов, за последние десять лет примерно удвоилось. Технология, разрабатываемая американскими физиками, может существенно сократить сроки ожидания операции для таких больных и вообще изменить облик ряда областей медицины.

В течение четырех лет исследовательская группа под руководством профессора физики из университета Миссури-Колумбия Гэбора Форджэкса (Gabor Forgacs) разработала метод, позволяющий буквально печатать живые ткани, из которых впоследствии предполагается получать целые органы. В недавнем исследовании ученые обнаружили, что сам процесс создания ткани по технологии, чем-то напоминающей струйную печать, не влияет на биологические свойства клеток, оставляя их вполне жизнеспособными. Группа Форджэкса использовала биочернила, состоящие из сферических частиц, каждая из которых содержит от 10 000 до 40 000 живых клеток. Печать проводится на специальной биосовместимой основе. Будучи нанесены на "бумагу", частицы биочернил начинают сливаться вместе, словно капли воды, образуя единую, непрерывную массу. По словам Форджэкса, они впервые получили таким "небиологическим" методом структуры, сопоставимые по функциональности с реальными живыми тканями.

Ученые, делающие первые попытки создания методов "механической сборки" тканей и органов, столкнулись с одной принципиальной проблемой. Для того чтобы получить некое подобие функционирующего органа, нужно использовать клетки разных типов, имеющих совершенно четкое месторасположение в "оригинале". Каким образом с помощью технологий биопечати обеспечить необходимое распределение клеток? Однако вскоре выяснилось, что проблема "самоустранилась". Оказалось, что клетки в полученном массиве сами находят подобающее им расположение, группируясь по типам. Грубо говоря, достаточно свалить все клетки в кучу, а там они уже сами "разберутся", кому и где быть. В одном из экспериментов для создания биочернил ученые использовали клетки сердца курицы. Как только капли чернил слились вместе, клетки начали синхронные сокращения, как и подобает ткани сердца.

Форджэкс твердо намерен довести свои разработки до практического применения и уже получил на это дело грант в пять миллионов долларов. Конечно, до "распечатки" полноценных органов еще далеко, но по утверждению ученых, плоды их трудов могут очень пригодиться в фармацевтической промышленности для испытания на них новых препаратов и лечебных методик. Практикуемые сейчас испытания лекарств на животных подходят далеко не всегда, а испытания на добровольцах сопряжены с очевидным риском. Посему "печатная продукция" американских физиков может прийтись здесь как нельзя кстати. ЕГ

Ученым из Дельфтского технологического университета в Нидерландах впервые удалось изготовить схему для когерентного управления спином электрона с помощью одного только электрического поля. Это устройство обходится без магнитных полей и дает новый толчок для развития спинтроники и квантовых вычислений.

Как известно, спин электрона, который может принимать два значения - "вверх" или "вниз", очень удобен для представления как классической, так и квантовой информации. Спином легко манипулировать с помощью внешнего магнитного поля, но электрическое поле непосредственно на него не влияет. С другой стороны, достаточно сильное магнитное поле, в отличие от электрического, трудно реализуется в полупроводниковой технике. И эта "вилка" давно тормозит развитие спинтроники и квантовых вычислений. Теоретики предлагали много способов обойти проблему: несколько пробных устройств даже было создано, но ни одно из них не могло работать с квантовой информацией.

В новом устройстве электроны локализуются в двух квантовых точках из арсенида галлия на расстоянии 200 нм друг от друга. Расположенные между управляющими электродами из золота и титана, квантовые точки похожи на атомы и могут содержать либо один, либо два электрона с антипараллельными спинами в соответствии с принципом Паули. Поэтому если в соседних точках спины электронов антипараллельны, то они могут туннелировать между точками, а если параллельны, то нет. К управляющим электродам можно приложить как постоянное смещение, изменяющее потенциалы электронов в точках, так и короткие импульсы с частотой несколько гигагерц, вызывающие осцилляции заряженных частиц.

Оказывается, в такой системе спином электронов можно управлять с помощью специальных комбинаций импульсов смещения и импульсов радиочастоты. Механизм переворота спинов достаточно сложен, и их вращение происходит благодаря так называемому спин-орбитальному взаимодействию.

Авторы считают, что основным преимуществом их устройства является возможность увеличения количества квантовых точек и сидящих в них электронов. Причем спины электронов в соседних точках могут быть в "запутанных" квантовых состояниях, которые необходимы для квантовых вычислений. И в ближайших планах ученых реализация целого массива квантовых точек и одновременная манипуляция их электронами. ГА

Галактион Андреев