Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 7 от 20 февраля 2007 года

Химики из Эдинбургского университета в Великобритании впервые синтезировали «молекулярный информационный храповик», который, как утверждается, реализует принцип работы знаменитого демона Максвелла. Это устройство претендует на реализацию существенно нового механизма работы искусственных молекулярных машин. Оно функционирует, стремясь увести систему от состояния термодинамического равновесия, подобно эффективным молекулярным машинам живых организмов.

В декабре 1867 года Джеймс Клерк Максвелл в письме к коллеге впервые описал мысленный эксперимент со своим демоном — миниатюрным созданием, способным нарушить фундаментальный закон природы — Второе начало термодинамики. Демон управлял маленькой дверкой между двумя сосудами с газом. Он ее открывал, если справа к дверце подлетала быстрая молекула, и закрывал, если подлетала медленная. С молекулами, летящими из левого сосуда, демон поступал наоборот. В результате слева скапливались быстрые молекулы — газ нагревался, а справа — холодные, и газ остывал. Благодаря перепаду температур (а в равновесии температура газа в обоих сосудах должна быть одинаковой), можно запустить тепловую машину и получить вечный двигатель, разумеется, при условии, что демон потребляет достаточно мало энергии. Спустя восемь лет к демону температуры был добавлен более тупой младший брат — демон давления. Он просто пропускал все молекулы справа налево, но не пускал слева направо. Давление слева росло, и на его перепаде тоже можно запустить двигатель.

За сто сорок лет со дня рождения первого демона о нем и его брате были написаны горы ученых трудов, приведена уйма всевозможных проектов вечных двигателей и доказательств их неосуществимости. Интеллектуальные демоны стимулировали поиск связи между термодинамикой, законом возрастания энтропии, информацией и компьютерными вычислениями. Много об этой связи спорят и ныне.

А пока продолжаются споры, современные коллеги Максвелла по университету в подарок к демоническому юбилею практически реализовали молекулярный аналог демона давления. Сразу отметим, что этот демон питается светом и никак не нарушает второго начала. Авторы назвали его молекулярным информационным храповиком на том основании, что в нем «используется информация о положении частицы для управления ее перемещением от положения равновесия».

Демон изготовлен в виде сложной молекулы со структурой ротаксана. Молекула имеет форму гантели с кольцом вокруг ручки, которое может крутиться и перемещаться вдоль нее взад и вперед. Утолщения по краям не дают кольцу соскочить, а на ручке есть две крайние позиции, в которых положения кольца сравнительно устойчивы. Для реализации демона была синтезирована специальная молекула. Ее кольцо может поглощать свет с длиной волны 350 нм, а ручка посередине может изгибаться, запирая кольцо с одной из сторон. Кроме того, две половины ручки гантели по-разному реагируют на передачу энергии от поглощенного кольцом фотона. Если кольцо слева, энергии фотона хватает на то, чтобы «открыть» ручку гантели; если справа — нет. Это неравенство и создает «храповой механизм».

Большие молекулы-демоны плавают в сложном растворе и постоянно бомбардируются окружающими молекулами вследствие теплового броуновского движения. От постоянных ударов ручка молекулы время от времени открывается и запирается, а кольцо вращается и скользит по ручке, если она открыта, взад и вперед. В результате образуется некое равновесное распределение молекул по состояниям, с некоторой вероятностью нахождения кольца справа и слева и с определенной пропорцией открытых и закрытых ручек гантели.

Если теперь осветить раствор, то состояние молекул отклонится от равновесия — вырастет вероятность нахождения кольца справа. Дело в том, что если кольцо находилось слева и было заперто, то поглощенный фотон «откроет» ручку, дав возможность кольцу перепрыгнуть направо при подходящем ударе. А если кольцо было справа и тоже заперто, энергии фотона уже не хватит, и ничего не изменится.

Неравновесные молекулы уже можно использовать для выполнения какой-нибудь полезной работы. При этом фактически будет использована тепловая энергия броуновского движения. А поглощенные в устройстве фотоны пойдут на несимметричное открытие ручек гантелей — пищу для демона (конечно, может быть, проще было использовать фотоны и напрямую, но тут уж важна демонстрация принципа).

Авторы надеются, что подобные сложные молекулярные конструкции и замысловатые механизмы их работы могут быть эффективны при выполнении некоторых задач. Удается же это делать природе и без всяких демонов — например, в белковых двигателях бактерий, которые эффективно преобразуют химическую энергию в механическую работу. ГА

Удивительный квантовый трюк проделала группа физиков из Гарвардского университета. Ученым впервые удалось «записать» импульс света в облаке атомов, переместить «запись» в соседнее облако и через некоторое время вновь восстановить лазерный импульс. Такая трансформация состояния светового импульса в состояние вещества и обратно демонстрирует принципиально новые возможности в квантовых коммуникациях и вычислениях.

В эксперименте два облачка атомов натрия диаметром около полусотни микрон были приготовлены в магнитной ловушке. Для этого ловушку «разрезали» пополам зеленым лазером так, чтобы раздвинуть облака примерно на пятнадцать сотых миллиметра. В каждом облачке было примерно по два миллиона охлажденных почти до абсолютного нуля атомов. Они находились в одном квантовом состоянии с наименьшей энергией, образуя так называемые конденсаты Бозе-Эйнштейна. В таком квантовом конденсате несколько лет назад этой научной группе одной из первых удалось «затормозить» свет до скорости несколько десятков километров в час. Но теперь удалось продвинуться еще дальше.

С помощью дополнительного лазера исследователи научились «записывать» лазерный импульс в долгоживущие возбужденные спиновые состояния части атомов конденсата. Если потом, спустя несколько миллисекунд, вновь включить дополнительный лазер, то «замороженный» лазерный импульс можно «разморозить» или «считать», сохранив при этом около двух процентов его первоначальной энергии. Сначала это проделывали в одном облачке атомов. Однако лазерный импульс не только возбуждает, но и толкает возбужденные атомы вперед. Поэтому время хранения информации в облачке ограниченно. Возбужденные атомы просто вылетают за его пределы и не могут вновь излучить когерентный свет без атомов в основном состоянии. Но если на пути возбужденных атомов находится второе облачко, то, влетев в него, они опять могут «освободить» лазерный импульс, разумеется, при помощи дополнительного лазера.

Достижение гарвардцев произвело сильное впечатление на специалистов. Некоторые даже считают, что это первая прямая экспериментальная демонстрация справедливости фундаментального квантового принципа неразличимости тождественных частиц. Дело в том, что в квантовом мире, в отличие от классического, любые два идентичных объекта принципиально неразличимы. То есть их можно поменять местами и ничего не изменится. А это значит, что, строго говоря, мы не можем обсуждать, например, электрон, не учитывая состояний всех остальных электронов во Вселенной. Просто потому, что не очень понятно, о каком, собственно, электроне идет речь. Они ведь неразличимы…

Но при увеличении размеров объектов квантовый мир где-то кончается и переходит в классический. И никто толком не знает, где именно. И это одно из самых темных мест теории. «Отцы-основатели» чрезвычайно хитро устроили квантовую науку, так что границу между квантовым миром и классическим можно провести в разных местах и показания классических приборов от этого не изменятся. А тот факт, что точные квантовые расчеты даже с небольшим количеством частиц легко затыкают любой классический суперкомпьютер и будут по зубам лишь квантовым вычислителям, гарантирует, что эта парадоксальная ситуация разрешится еще не скоро. Сравнить-то не с чем.

Пока приходится обходиться приближенными моделями. К счастью, далекие электроны Вселенной слабо влияют на практически интересные результаты, и приближенных расчетов пока вполне хватает. Но как же тогда быть с принципами? Остается эксперимент.

В данном эксперименте квантовое состояние лазерного импульса кодируется в суперпозиции состояний возбужденных и невозбужденных атомов облака. Поэтому восстановить импульс при замене невозбужденных атомов атомами из другого облака удалось только благодаря их принципиальной неразличимости. А эти облачка имеют просто гигантские по атомным меркам размеры и разнесены в пространстве на расстояние, видимое невооруженным глазом. То есть принцип неразличимости тождественных частиц, косвенно подтверждавшийся ранее выводами квантовой статистики, тут впервые продемонстрирован на объектах почти классических размеров.