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.
Впрочем, такая интерпретация экспериментов может показаться спорной. Можно ли считать два облака в основном квантовом состоянии неразличимыми, ведь в них наверняка разное количество атомов и уже по этому признаку они разные? Тогда о какой неразличимости речь? Просто отдельных атомов, их ансамблей в основном состоянии, участвовавших в запоминании и излучении импульса, или произвольных частей облаков с одинаковым количеством атомов?
Интерпретация этих экспериментов, по-видимому, будет еще обсуждаться. Но, во всяком случае, принципиальную возможность нового способа манипулирования с квантовой информацией они демонстрируют вполне убедительно. Пока трудно сказать, найдет ли предложенный способ практическое применение в информационных технологиях, но использование этой техники в сверхчувствительных сенсорах вращения и сил гравитации авторы уже обещают. ГА
Неординарная идея пришла в голову специалистам из Массачусетского технологического института. Там разработаны все основные компоненты гидрокомпьютера, вычисления в котором могут выполняться с помощью пузырьков, путешествующих в кремниевых микроканалах с жидкостью.
На первый взгляд идея пузырьковых вычислений кажется если и не бредом, то околонаучным развлечением праздных университетских профессоров. Чего же можно ожидать от пузырькового компьютера, который, несмотря на каналы микронных размеров, будет заведомо крупнее и гораздо медленней современных электронных чипов? Но не станем торопиться с выводами, тем более что за это дело взялись прагматичные американцы.
Ученые обнаружили, что направлением движения газового пузырька в канале легко управлять с помощью других пузырьков. Дело в том, что когда пузырек достигает развилки, он всегда поворачивает туда, где меньше сопротивление потоку жидкости. Присутствие пузырька в канале значительно увеличивает сопротивление, и, если есть возможность повернуть, следующий пузырек за ним не пойдет. Пользуясь этими свойствами, из каналов нетрудно изготовить различные логические вентили. Проще всего выглядит вентиль «И-ИЛИ», который напоминает букву Х. Причем толщина каналов может быть разной, и маленькие пузырьки могут управлять движением больших, «усиливая сигнал» подобно транзистору. Вентиль «И с отрицанием» более сложен, но этой пары вентилей уже достаточно, чтобы, в принципе, собрать пузырьковую логическую схему любой сложности. С помощью каналов можно изготовить ячейку памяти и другие элементы компьютера. Для примера ученые уже сделали пузырьковые аналоги триггера, счетчика, кольцевого осциллятора и ряд других устройств. Готовы и устройства для преобразования сигнала из электрической формы в пузырьковую и обратно. Но зачем все это нужно?