Развитие стелс-технологий заставляет искать средства противодействия — развивать технологии раннего обнаружения малозаметных целей. Новым направлением на этом пути стала разработка радаров на основе квантовых явлений. Таким радарам нипочём погодные условия, расстояния и стелс-покрытия. Новая китайская разработка обещает в разы повысить распознавание малозаметных объектов.

Малозаметные американские истребители F-35. Источник изображения: Xinhua

Практически все предыдущие разработки квантовых радаров опирались на запутывание фотонов. В частности, в 2016 году китайская корпорация China Electronics Technology Group Corporation (CETC) показала прототип квантового радара на парах запутанных фотонов. Фотоны запутывались в криогенной системе, после чего один из них направлялся на детектор, а второй излучался в сторону цели. Если на пути фотона была цель, то он отражался и также фиксировался детектором. Система на выходе детектора подтверждала, что оба фотона из спутанной пары, что определялось по идентичности ряда параметров этих частиц. Вероятность появления случайных связанных фотонов (частиц) стремится к нулю, поэтому точно известно что, откуда и куда летело.

Проблема с подобными фотонными (оптическими) квантовыми радарами в том, что они работают на терагерцовых частотах. Для систем ПВО и для лучшего распространения сигнала в атмосфере, включая осадки, квантовый радар было бы желательно перевести на микроволновый (гигагерцовый) диапазон. В прошлом году подобное впервые сделала группа европейских учёных, но они тоже использовали связанные фотоны, которые модулировались микроволновым излучением.

Принцип работы радара на спутанных фотонах. Источник изображения: Science

Работа китайских учёных опиралась на совершенно иной механизм. Вместо фотонов специалисты из университета Цинхуа использовали квантовые свойства электронов, разогнанных до скорости, близкой к скорости света. Специальный ускоритель, больше похожий на пушку, а не на тарелку-радар в обычном представлении, разгонял электроны и придавал им определённые свойства — создавал что-то вроде микровихрей. Утверждается, что такие высокоэнергетические микровихри из электронов не теряют вращательный момент на огромных дистанциях и способны отражаться от стелс-объектов. В частности, новая технология позволила повысить отражение от стелс-объектов с 10 % до 95 %.

Самое важное, что новая технология позволит квантовым радарам работать в обычном радарном диапазоне на частотах 10 ГГц и 35 ГГц. Это упростит интеграцию в действующие системы, хотя пока эксплуатанты со скептицизмом воспринимают эти новшества. Сопутствующая квантовым радарам криогенная система не добавляет удобства в эксплуатации и обслуживании. Этого сторонятся даже военные. Что касается учёных, то они ждут предложений для постройки прототипа системы.

Выявлять квантовые эффекты на уровне атомов и элементарных частиц — это непростая и труднореализуемая задача. Постичь всегда лучше то, что можно наблюдать и точно измерить. В идеале необходимо заставить квантовые эффекты возникать на макроуровне — на уровне классической физики. Этой проблемой занялись исследователи из Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) и преуспели.

Зелёная точка в центре — это стеклянная наносфера. Источник изображения: ETH Zurich

На днях в опубликованной в журнале Nature статье группа авторов под руководством профессора фотоники ETH Zurich Лукаса Новотны (Lukas Novotny) сообщила о квантовом эксперименте со стеклянной наносферой диаметром 100 нм. Это объект нашего родного макроскопического мира, хотя он в сотни раз тоньше человеческого волоса. В то же время крохотный шарик из стекла содержит десять миллионов атомов и не может (и не должен) проявлять квантовые эффекты. Но учёные создали шарику из стекла условия, при которых он может повести себя как электрон или одиночный атом. В частности, шарик может повести себя как волна, а не только как частица, и это явление возможно наблюдать едва ли не воочию.

Задача исследователей заключалась в том, чтобы замедлить стеклянный шарик как совокупность всех атомов до квантового состояния с наименьшей энергией. В таком состоянии частицы остаются стабильны и позволяют наблюдать волновые свойства. Для этого шарик поместили в вакуумную камеру и охладили до температуры 269 °C ниже нуля. Тепловое движение атомов сферы значительно снизилось, но для проявления шариком квантовых эффектов необходимо более сильное охлаждение, с чем исследователи пока не справились.

Пока же учёные испытали на наносфере возможность замедления с использованием электромагнитных колебаний. В вакууме в подвешенном состоянии наносфера удерживается в оптической ловушке, которую создаёт лазерный луч. Другой луч позволяет точно измерять колебания наносферы, а обратная связь с электродами позволяет в заданные моменты времени включать электромагнитные поля для гашения колебательных движений сферы. Примерно так в обычной жизни мы раскачиваем или тормозим качели — создаём ускоряющий или тормозящий импульс в нужные для решения задачи моменты времени.

Наносфера в лазерной ловушке может быть заторможена до проявления квантовых эффектов. Источник изображения: ETH Zurich

Если учёные смогут затормозить наносферу до квантового состояния с наименьшей энергией, что придаст шарику квантовомеханические свойства, дальше дело будет за малым. Существуют проверенные в физике эксперименты с двойными щелями, которые проявляют волновые функции частиц. В таких экспериментах электроны или атомы как бы оказываются в двух местах одновременно, проявляя волновые свойства. На деле речь идёт о явлении интерференции, когда разные части волны проходят через две разнесённые в пространстве щели и на выходе создают характерную картинку. Подобную картинку учёные рассчитывают увидеть в эксперименте со стеклянной наносферой, что станет доказательством квантового явления на макроуровне.

Классический двухщелевой опыт. Источник изображения: Wikipedia

Добавим, даже сегодня у таких не доведённых до конца экспериментов огромный потенциал. На основе таких наносфер и околоквантовых явлений можно создавать датчики ускорения и перемещения, которые будут точнее отслеживать перемещение объектов, чем все GPS вместе взятые. Особенно такое любят военные, но это уже другая история.

Учёные из Чикагского университета провели эксперимент по приведению множества молекул в единое квантовое состояние. Фактически они создали квантовое явление, которое можно наблюдать, изучать и которым можно управлять на макроуровне. Практическую пользу эксперимента можно представить как создание чистого листа бумаги, на котором можно будет записывать квантовую информацию — это открытие, которое трудно переоценить.

Множество молекул, которые ведут себя как один квантовый объект. Источник изображения: Chin Lab

Атомы и их квантовые состояния трудно поддаются изучению по многим причинам, главной из которых была и остаётся крайняя миниатюрность объекта исследования. На макроуровне изучать квантовые явления могут помочь молекулы и группы молекул, состоящие из многих ядер. Но остаётся проблема придать всему множеству молекул в массиве единое квантовое состояние. Помочь в этом может такое явление, как перевод вещества в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна.

В состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна облако атомов с низкой плотностью охлаждается до уровня чуть выше абсолютного нуля, после чего все они переходят в одинаковое квантовое состояние, и всё облако может рассматриваться как единый квантовый объект.

Физикам из Чикагского университета удалось создать рекордно большой массив из молекул в состоянии конденсата Бозе-Эйнштейна. Для этого массив молекул охладили до рекордно низкой температуры в 10 нанокельвинов, что помогло объединиться в молекулы большему числу атомов. Также молекулы были заключены в единую плоскость, что дольше удерживало их в стабильном состоянии. Конечным результатом эксперимента стал двумерный молекулярный конденсат Бозе-Эйнштейна, состоящий из нескольких тысяч молекул с одинаковыми ориентацией и частотой колебаний.

Если подобным образом использовать специальные молекулы, например, с чётко выраженной магнитной ориентацией, то станет возможным управлять квантовым объектом — записывать и считывать информацию. Это прямой путь к квантовым носителям данных, по которому можно двигаться дальше, и который приведёт к новым открытиям и возможностям.

«Это идеальная отправная точка, — сказал один из авторов исследования. — Например, если вы хотите построить квантовые системы для хранения информации, вам нужен чистый лист, на котором можно писать, прежде чем вы сможете форматировать и хранить эту информацию».