Вблизи абсолютного нуля

В последнее десятилетие наблюдается бурное развитие квантовых технологий по следующим основным направлениям развития: квантовые вычисления, квантовые симуляции, квантовая связь и квантовые сенсоры. В России ведутся активные работы в первых трех областях, что подтверждается большим количеством научных групп и публикуемых статей.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Развитие квантовой сенсорики, к сожалению, пока отстает по темпам развития, но и тут есть результаты, заслуживающие внимания,— например, развитие квантовой сенсорики на основе технологии атомных чипов. Эта технология до недавнего времени была реализована только в иностранных лабораториях и отсутствовала в России, но в Институте спектроскопии РАН (ИСАН) решили исправить такое положение дел.

Квантовые сенсоры — это приборы для измерения характеристик физических полей. От своих «классических» аналогов квантовые сенсоры отличаются повышенной чувствительностью и точностью. Достигается это за счет использования в них квантово-механических систем, которые приготавливаются и контролируются с высокой точностью. Квантовые сенсоры могут измерять такие физические поля, как магнитные и электрические, а также гравитационные и инерциальные силы и время.

Построить квантовый сенсор можно с использованием атомов, молекул, ионов, наночастиц или фотонов. К настоящему времени одними из наиболее развитых являются квантовые сенсоры, использующие нейтральные атомы. В них, как правило, единичный атом или ансамбль атомов являются детекторами физических полей, а детектирование происходит по изменению спектральных свойств атомов. Примером такого сенсора является, например, магнитометр на основе паров щелочных металлов. Такой сенсор может быть использован для исследования биополей, и его прототип уже разрабатывается компанией FieldLine Inc.

Одним из технологических ограничений в использовании атомов при построении квантовых сенсоров является их высокая температура, являющаяся мерой кинетической энергии атомов: чем выше температура атомного ансамбля, тем выше средняя скорость атомов и больше ширина скоростного распределения атомов. Последнее обстоятельство за счет эффекта Доплера приводит к уширению спектральных линий атомов в сенсоре, которые используются для детектирования физических полей.

Влияние конечной температуры ансамбля атомов на ширину спектральных линий (и, соответственно, на чувствительность сенсоров) — хорошо известный факт. Это было отмечено еще в 1960-х годах, когда одним из прикладных направлений использования атомов стало создание атомных стандартов частоты. Сейчас мы все привыкли к тому факту, что многие технологические процессы, которые мы используем, оперируют с высокой степенью синхронизации. Это стало следствием развития стандарта частоты и времени на основе атомов цезия. Начиная с 1967 года определение секунды основано на частоте микроволнового перехода между сверхтонкими компонентами основного состояния в атоме цезия. Секунда определяется как длительность 9 192 631 770 периодов колебания электромагнитного поля, соответствующего переходу в атоме цезия. Атомные часы являются самым распространенным квантовым сенсором в мире. Без них не будут функционировать системы глобального позиционирования ГЛОНАСС /GPS /BeiDou, невозможна синхронизация работы систем передачи данных и т. д.

Прогресс в совершенствовании точности «атомных часов» стал возможен в результате работы нескольких поколений физиков. Высокая степень точности измерения частоты атомного перехода (а значит, и времени) стала возможной за счет использования физического явления интерференции атомных состояний и технологии лазерного охлаждения атомов. Из «классической» физики мы знаем, что наиболее точными приборами являются интерферометры. Однако интерферировать могут не только электромагнитные волны, но и волны материи (например, интерференция электронов), а также волновые функции квантовых состояний, которые описывают структуру энергетических уровней атомов. Это свойство было использовано Рамзеем при создании его атомных часов. Ограничением на точность часов Рамзея являлся разброс атомов по скоростям, который приводит к ухудшению интерференционной картины в атомном интерферометре.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

В начале 1970-х годов с развитием лазерной техники было выдвинуто смелое предположение, что лазерное излучение может быть использовано для охлаждения атомов, что приводит к увеличению монохроматичности атомного источника и, как следствие, к улучшению интерференционной картины в атомных часах. Пионером в этой области является советский ученый Владилен Летохов, который работал в Институте спектроскопии АН СССР (в настоящее время — Институт спектроскопии РАН). Он заложил теоретические основы лазерного охлаждения атомов, что позволило провести первую в мире экспериментальную демонстрацию этого эффекта. Эксперимент проводился в стенах Института спектроскопии под руководством Летохова его учеником Виктором Балыкиным в 1981 году. Этот момент можно считать рождением экспериментального направления, которое принято называть атомной оптикой. В настоящее время именно технология лазерного охлаждения атомов лежит в основе прецизионных стандартов частоты и времени.

При охлаждении атомов лазерным излучением можно достичь температур в несколько микрокельвинов (10–6 К), что на много порядков ниже температур, доступных с использованием жидкого гелия. Такие низкие температуры открывают возможности для локализации единичных атомов, на основе которых возможно построение квантовых битов (кубитов) квантового компьютера и для прецизионного контроля атомных ансамблей, что необходимо для построения квантовых сенсоров. Использование техники так называемого испарительного охлаждения позволяет дополнительно понизить температуру атомного ансамбля до рекордно низких температур в десятки пикокельвинов (1010–12 К). Возможности достижения таких низких температур позволило получить предсказанное в 20-х годах XX века новое агрегатное состояние вещества — конденсат Бозе—Эйнштейна (БЭК).

Одним из важных преимуществ нейтральных атомов по сравнению с фотонами, которые обычно используются в «классических» интерферометрах, является наличие массы. Это приводит к тому, что атомы являются идеальными объектами при построении детекторов инерциальных сил. К таким детекторам относятся акселерометры и гироскопы. Объединяя эти детекторы с атомными часами, можно построить инерциальную систему навигации, которой не требуется связь со спутниками для определения своего местоположения. Такие системы в настоящий момент разрабатываются за рубежом — например, компанией ColdQuanta Inc.

Важной особенностью инерциальных сил является тот факт, что невозможно отличить ускорение, вызванное внешней силой, от ускорения, вызванного гравитационным притяжением. Это открывает еще одну область применения квантовых сенсоров на основе холодных атомов, а именно — гравиметрию. Действительно, свободно падающий атом является идеальным объектом для построения абсолютного гравиметра — прибора для измерения ускорения свободного падения. С помощью такого прибора можно построить карту гравитационного поля, аналогичную карте, снятой из космоса в рамках проекта GRACE, только более детальную, на поверхности Земли. При помощи такой карты можно производить поиск залежей полезных ископаемых или использовать ее для навигации. Другим применением гравиметров может служить анализ тектонической активности и предсказание землетрясений. Такие приборы уже созданы — например, компанией Muquans — и начинают активно применяться в «полевых» условиях. Для фундаментальных исследований планируется построить обсерваторию для детектирования гравитационных волн (проект MIGA, Франция). Аналогичная обсерватория планируется к постройке и в Китае (проект ZAIGA).

Новой вехой в развитии квантовых сенсоров на основе холодных атомов стало их применение в космосе. Упомянутая выше невозможность отличить ускорение, вызванное инерциальными силами, от ускорения за счет гравитационных сил является принципом эквивалентности Эйнштейна — постулата, который лежит в основах общей теории относительности. Проверка данного постулата является важной фундаментальной задачей. И здесь ультрахолодные атомы и интерферометры на их основе играют доминирующую роль. Основной проблемой в этих исследованиях стала невозможность проведения прецизионных экспериментов в условиях лабораторий, расположенных на Земле. По этой причине атомные интерферометры были отправлены в космос. Так, в 2017 году в рамках проекта MAIUS в режиме свободно падающей ракеты было продемонстрировано первое в мире достижение конденсации Бозе—Эйнштейна за пределами земной атмосферы в условиях микрогравитации. Помимо этого в этом же эксперименте был продемонстрирован атомный интерферометр для подготовки экспериментов по исследованию принципа эквивалентности Эйнштейна. Сейчас атомные интерферометры с возможностью работы с БЭК установлены на борту Международной космической станции (МКС) в рамках проекта НАСА Cold Atom Laboratory (CAL). В 2022 году проходило празднование четырехлетия использования ультрахолодных атомов на околоземной орбите. Конференция, посвященная этому событию, была организована НАСА и упоминавшейся уже компанией ColdQuanta. Последняя отвечает за создание экспериментального оборудования для данного проекта. В перспективе проекты MAIUS и CAL объединяются в один крупный международный проект BECCAL.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Развитие квантовых сенсоров в космосе не ограничивается только МКС. Активно развиваются проекты по размещению квантовых сенсоров на основе холодных атомов на борту микроспутников. Такие спутники с использованием квантовых акселерометров могут исследовать влияние трения в верхних слоях атмосферы на траекторию космических аппаратов, повышая тем самым прогнозируемость космических миссий на околоземной орбите (например, проект CASPA). Для развития фундаментальных исследований планируется эксперимент AEDGE. Предполагается, что на спутниках будут размещены атомные интерферометры. Спутники будут связаны между собой лазерным излучением, что обеспечит синхронную работу интерферометров, а по относительному сигналу можно будет проводить детектирование гравитационных волн и темной материи. Реализация такого амбициозного проекта запланирована в рамках «дорожной карты» Voyage 2050 Европейского космического агентства. Нет сомнений в том, что квантовые сенсоры на основе ультрахолодных атомов станут новым инструментом в исследовании Вселенной.

Отличительной особенностью квантовых сенсоров на основе холодных атомов в космических миссиях является использование атомных чипов, что позволяет существенно уменьшить размеры квантовых сенсоров. Основная идея атомных чипов проста. Для управления атомными ансамблями, их удержания и получения сверхнизких температур используется магнитное поле. Точнее, используется градиент магнитного поля. Чем выше этот градиент, тем более точного контроля можно достичь, что в конечном счете отражается на точности квантового сенсора. Самые высокие градиенты магнитного поля существуют вблизи проводников с электрическим током. Поэтому с точки зрения его увеличения необходимо работать с холодными атомами вблизи токонесущих проводов. Для точного управления атомами требуется не один такой провод, а их набор. Таким образом, мы приходим к необходимости детерминированного размещения массива проводов в условиях высокого вакуума.

Эту задачу можно решить с использованием развитых подходов кремниевой технологии. На поверхности кремниевой подложки создаются металлические микропровода. Методы, которые используются, аналогичны методам, которые применяются при создании микросхем. Толщина создаваемых проводов варьируется от единиц до десятков микрометров. Ширина таких проводов в зависимости от задач может составлять значения от сотен до десятков микрометров. Важной особенностью таких чипов является тот факт, что по микропроводам требуется пропускать высокие токи — вплоть до нескольких ампер, что может вызвать их нагрев и разрушение. Однако эта техническая задача может быть решена. Иными словами, атомный чип является устройством, объединяющим в себе развитые подходы кремниевой технологии с методами атомной оптики с целью охлаждения, локализации и детерминированного управления холодными (с температурой до единиц микрокельвина) и ультрахолодными (с температурой ниже микрокельвина) атомами вблизи поверхности.

Технология атомных чипов начала развиваться в конце 90-х годов XX века, когда потребовались миниатюрные магнитные ловушки для холодных атомов с высокими градиентами магнитных полей. До недавнего времени экспериментальные исследования с холодными атомами и атомными чипами в России не проводились. Впервые атомный чип был продемонстрирован в России в Институте спектроскопии РАН в 2021 году. Отличительной особенностью созданного чипа является возможность пропускать высокие токи (до 3 А) через микропровода с шириной 100 мкм в непрерывном режиме. Добиться этого удалось путем экспериментальной оптимизации каналов отвода тепла.

В ближайших планах российских ученых — создание атомных часов и атомного гравиметра на базе атомного чипа. Данная технология позволит размещать такие квантовые сенсоры на мобильных платформах, включая космические аппараты. Это позволит повысить точность работы навигационных систем, проводить мониторинг гравитационных полей, а также участвовать в международных проектах. Текущие работы в Институте спектроскопии РАН проводятся по программе госзадания института и по поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).

Антон Афанасьев, к. ф.-м. н., старший научный сотрудник лаборатории лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН;
Виктор Балыкин, д. ф.-м. н., профессор, заведующий лабораторией лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН