atholi: Наука

Мэтт Трушейм включает рубильник в темной лаборатории, и мощный зеленый лазер подсвечивает крошечный алмаз, удерживаемый на месте под объективом микроскопа. На экране компьютера появляется изображение, диффузное газовое облако, усеянное яркими зелеными точками. Эти светящиеся точки — крошечные дефекты внутри алмаза, в которых два атома углерода заменены одним атомом олова. Свет лазера, проходя через них, переходит из одного оттенка зеленого в другой.

Позже этот алмаз будет охлажден до температуры жидкого гелия. Контролируя кристаллическую структуру алмаза атом за атомом, доводя его до нескольких градусов выше абсолютного нуля и применяя магнитное поле, исследователи из Лаборатории квантовой фотоники под руководством физика Дирка Энглунда в Массачусетском технологическом институте думают, что могут с такой точностью выбрать квантово-механические свойства фотонов и электронов, что им удастся передать невзламываемые секретные коды.
Трушейм — один из множества ученых, которые пытаются выяснить, какие атомы, заключенные в кристаллах, при каких условиях позволят им получить контроль такого уровня. По сути, ученые по всему миру пытаются научиться управлять природой на уровне атомов и ниже, до электронов или даже доли электрона. Их цель — найти узлы, которые контролируют фундаментальные свойства вещества и энергии, и затянуть или распутать эти узлы, изменив вещество и энергию, создать сверхмощные квантовые компьютеры или сверхпроводники, работающие при комнатной температуре.
Эти ученые сталкиваются с двумя основными проблемами. На техническом уровне проводить такие работы очень сложно. Некоторые кристаллы, например, должны быть на 99,99999999% чистыми в вакуумных камерах чище космоса. Еще более фундаментальная задача в том, что квантовые эффекты, которые хотят обуздать ученые, — например, способность частицы находиться в двух состояниях одновременно, подобно коту Шрёдингера — проявляются на уровне отдельных электронов. В макромире эта магия рушится. Следовательно, ученым приходится манипулировать веществом в мельчайших масштабах, и они ограничены пределами фундаментальной физики. От их успеха зависит, как изменится наше понимание науки и технологических возможностей в грядущие десятилетия.

Мечта алхимика

Манипулирование веществом, до определенной степени, состоит в управлении электронами. В конце концов, поведение электронов в веществе определяет его свойства в целом — будет это вещество металлом, проводником, магнитом или чем-нибудь еще. Некоторые ученые пытаются изменить коллективное поведение электронов, создав квантовое синтетическое вещество. Ученые видят, как «мы берем изолятор и превращаем его в металл или полупроводник, а затем в сверхпроводник. Мы можем превратить немагнитный материал в магнитный», говорит физик Ева Андрей из Университета Рутгерса. «Это исполнение мечты алхимика».
И эта мечта может привести к настоящим прорывам. К примеру, ученые на протяжении десятилетий пытались создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. С помощью этих материалов можно было бы создавать линии электропередач, не теряющие энергию. В 1957 году физики Джон Бардин, Леон Купер и Джон Роберт Шриффер продемонстрировали, что сверхпроводимость появляется, когда свободные электроны в металле вроде алюминия выравниваются в так называемые пары Купера. Даже находясь относительно далеко, каждый электрон соответствовал другому, обладающему противоположным спином и импульсом. Словно пары, танцующие в толпе на дискотеке, спаренные электроны двигаются в координации с другими, даже если другие электроны проходят между ними.
Это выравнивание позволяет току течь через материал, не встречая сопротивления, а значит, и без потерь. Самые практичные сверхпроводники, разработанные к нынешнему моменту, должны быть при температуре чуть выше абсолютного нуля, чтобы это состояние сохранялось. Впрочем, исключения могут быть.
В последнее время исследователи обнаружили, что обстреливание материала высокоинтенсивным лазером также может сбивать электроны в куперовские пары, пусть и ненадолго. Андреа Каваллери из Института строения и динамики материи Макса Планка в Гамбурге, Германия, и его коллеги обнаружили признаки фотоиндуцированной сверхпроводимости в металлах и изоляторах. Свет, поражая материал, заставляет атомы вибрировать, и электроны ненадолго входят в состояние сверхпроводимости. «Встряска должна быть ожесточенной», говорит Дэвид Эси, физик конденсированных веществ в Калифорнийском технологическом институте, который использует такую же лазерную технику для проявления необычных квантовых эффектов в других материалах. «На мгновение электрическое поле становится очень сильным — но только на короткое время».

Невзламываемые коды

Управление электронами — вот как Трушейм и Энглунд намереваются разработать невзламываемое квантовое шифрование. В их случае цель не в том, чтобы менять свойства материалов, но передавать квантовые свойства электронов в дизайнерских алмазах фотонам, которые передают криптографические ключи. В цветовых центрах алмазах в лаборатории Энглунда расположены свободные электроны, спины которых можно измерить при помощи сильного магнитного поля. Спин, который выравнивается с полем, можно назвать спином 1, спин, который не выравнивается, — спином 2, что будет эквивалентно 1 и 0 в цифровом бите. «Это квантовая частица, поэтому она может быть в обоих состояниях одновременно», говорит Энглунд. Квантовый бит, или кубит, способен производить множество вычислений одновременно.
Именно здесь рождается загадочное свойство — квантовая запутанность. Представьте себе коробку, содержащую красный и синий шарики. Вы можете взять один не глядя и сунуть в карман, а затем уехать в другой город. Затем вынуть шарик из кармана и обнаружить, что он красный. Вы сразу поймете, что в коробке остался синий шарик. Это запутанность. В квантовом мире этот эффект позволяет передавать информацию мгновенно и на большие расстояния.
Цветные центры в алмазе в лаборатории Энглунда передают квантовые состояния электронов, заключенных в них, фотонам при помощи запутанности, создавая «летающие кубиты», как их называет Энглунд. В обычных оптических коммуникациях фотон можно передать получателю — в данном случае другой вакантной пустоте в алмазе — и его квантовое состояние будет передано новому электрону, поэтому два электрона будут связаны. Передача таких запутанных битов позволит двум людям разделить криптографический ключ. «У каждого есть строка нулей и единиц, или верхних и нижних спинов, которые кажутся совершенно случайными, но они идентичны», говорит Энглунд. Используя этот ключ для шифрования передаваемых данных, можно сделать их абсолютно защищенными. Если кто-то захочет перехватить передачу, отправитель будет об этом знать, поскольку акт измерения квантового состояния изменит ее.
Энглунд экспериментирует с квантовой сетью, которая посылает фотоны по оптоволокну через его лабораторию, объект ниже по дороге в Гарвардском университете и другую лабораторию Массачусетского технологического института в соседнем городе Лексингтон. Ученые уже преуспели в передаче квантово-криптографических ключей на большие расстояния — в 2017 году китайские ученые сообщили, что передали такой ключ со спутника на орбите Земли на две наземные станции в 1200 километрах друг от друга на горах Тибета. Но битрейт китайского эксперимента был слишком низким для практических коммуникаций: ученые зафиксировали только одну запутанную пару из шести миллионов. Инновация, которая сделает криптографические квантовые сети на земле практичными, — это квантовые повторители, устройства, размещенные с интервалами в сети, которые усиливают сигнал, не меняя его квантовых свойств. Цель Энглунда — найти материалы с подходящими атомными дефектами, чтобы из них можно было создать эти квантовые повторители.
Трюк в том, чтобы создать достаточно запутанных фотонов для переноса данных. Электрон в азотозамещенной вакансии поддерживает свой спин достаточно долго — около секунды — что увеличивает шансы на то, что свет лазера пройдет через него и произведет запутанный фотон. Но атом азота маленький и не заполняет пространство, созданное отсутствием углерода. Поэтому последовательные фотоны могут быть слегка разных цветов, а значит, и потеряют соответствие. Другие атомы, олово, например, прилегают плотно и создают стабильную длину волны. Но они не смогут удерживать спин достаточно долго — следовательно, ведется работа по поиску идеального равновесия.

Рассеченные концы

Пока Энглунд и другие пытаются совладать с отдельными электронами, другие ныряют еще глубже в квантовый мир и пытаются манипулировать уже долями электронов. Эта работа уходит корнями в эксперимент 1982 года, когда ученые из Лаборатории Белла и Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора сделали сэндвич из двух слоев разных полупроводниковых кристаллов, охладили их почти до абсолютного нуля и применили к ним сильное магнитное поле, заточив электроны в плоскости между двумя слоями кристаллов. Так сформировался своего рода квантовый бульон, в котором движение любого отдельного электрона определялось зарядами, которые он ощущал от других электронов. «Это уже не отдельные частицы сами по себе», говорит Майкл Манфра из Университета Пердью. «Вообразите себе балет, в котором каждый танцор не только делает собственные па, но и реагирует на движение партнера или других танцоров. Это в некотором роде общий ответ».
Странно во всем этом то, что у такой коллекции могут быть дробные заряды. Электрон — это неделимая единица, ее не разрежешь на три части, но группа электронов в нужном состоянии может произвести так называемую квазичастицу с 1/3 заряда. «Будто электроны делятся на части», говорит Мохаммед Хафези, физик из Joint Quantum Institute. «Это очень странно». Хафези создал этот эффект в сверххолодном графене, одноатомном слое углерода, и недавно показал, что может манипулировать движением квазичастиц, подсвечивая графен лазером. «Теперь это контролируется», говорит он. «Внешними узелками, такими как магнитным полем и светом, можно управлять, подтягивать или распускать. Меняется природа коллективных изменений».
Манипуляции с квазичастицами позволяют создать особый тип кубита — топологический кубит. Топология — это область математики, изучающая свойства объекта, которые не меняются, даже если этот объект скручивается или деформируется. Стандартный пример — пончик: если бы он был идеально эластичным, его можно было бы переформировать в кофейную чашку, ничего особо не меняя; дырка в пончике будет играть новую роль в отверстии в ручке чашки. Однако, чтобы превратить пончик в крендель, придется добавить ему новых дыр, меняя его топологию.
Топологический кубит сохраняет свои свойства даже при изменяющихся условиях. Обычно частицы меняют свои квантовые состояния, или «декогерируют», когда нарушается что-то в их окружении, вроде небольших вибраций, вызванных теплом. Но если вы сделаете кубит из двух квазичастиц, разделенных некоторым расстоянием, скажем, на противоположных концах нанопроволоки, вы по сути расщепите электрон. Обе «половинки» должны будут испытать одно и то же нарушение, чтобы декогерировать, а такое маловероятно, что произойдет.
Это свойство делает топологические кубиты привлекательными для квантовых компьютеров. Из-за способности кубита быть в суперпозиции множества состояний одновременно, квантовые компьютеры должны быть способными производить практически невозможные без них вычисления, например, моделировать Большой Взрыв. Манфра, по сути, пытается создать квантовые компьютеры из топологических кубитов в Microsoft. Но есть и более простые подходы. Google и IBM, по сути, пытаются создать квантовые компьютеры на основе переохлажденных проводов, которые становятся полупроводниками, или ионизированных атомов в вакуумной камере, удерживаемых лазерами. Проблема таких подходов в том, что они в большей степени чувствительны к изменениям окружающей среды, чем топологические кубиты, особенно если число кубитов растет.
Таким образом, топологические кубиты могут привести к революции в нашей способности манипулировать крошечными вещами. Однако есть одна существенная проблема: их пока не существует. Исследователи изо всех сил пытаются создать их из так называемых майорановских частиц. Предложенная Этторе Майораной в 1937 году, эта частица является сама себе античастицей. Электрон и его античастица, позитрон, имеют идентичные свойства, кроме заряда, но заряд майорановской частицы будет равен нулю.
Ученые полагают, что определенные конфигурации электронов и дырок (отсутствие электронов) могут вести себя как майорановские частицы. Их, в свою очередь, можно использовать в качестве топологических кубитов. В 2012 году физик Лео Коувенховен из Технологического университета Делфта в Нидерландах и его коллеги измерили то, что показалось им майорановскими частицами в сети сверхпроводниковых и полупроводниковых нанопроводов. Но единственным способом доказать существовать этих квазичастиц будет создание топологического кубита на их основе.
Другие эксперты в этой области настроены более оптимистично. «Думаю, что без каких-либо вопросов кто-то однажды создаст топологический кубит, просто ради интереса», говорит Стив Саймон, теоретик конденсированных веществ в Оксфордском университете. «Вопрос лишь в том, сможем ли мы сделать из них квантовый компьютер будущего».
Квантовые компьютеры — равно как и высокотемпературные сверхпроводники и невзламываемое квантовое шифрование — могут появиться через много лет или не появиться никогда. Но в то же время ученые пытаются расшифровать загадки природы в мельчайших масштабах. Пока никто не знает, насколько далеко удастся зайти. Чем глубже мы проникаем в мельчайшие составляющие нашей Вселенной, тем сильнее они нас выталкивают.

На планете Земля, на орбите Солнца, мы единственная разумная жизнь. Где-то еще в Солнечной системе вполне могла существовать микробная жизнь, но разумная, сложная, разнообразная и многоклеточная жизнь — маловероятно. Разумные инопланетяне, если они населяют другой мир, находятся по меньшей мере в четырех световых годах от нас. Что это: случайность или закономерность? Насколько близко вообще две независимые разумные цивилизации могли бы оказаться во Вселенной, если забыть про межзвездные путешествия и предположить, что они развивались в разных звездных системах и хоть немного являются «жизнью»? В шаровых скоплениях может быть высокая плотность звезд, но не будет ли повышенная плотность мешать обитаемости? У астрофизика в плотном шаровом скоплении было бы совершенно иное представление о Вселенной и поиске экзопланет.

Чтобы появилась жизнь, необходимо выполнение множества условий, но основные ингредиенты для нее имеются по сути везде. Даже если ограничиться поиском жизни, которая химически будет похожа на нашу, Вселенная будет полна возможностей.

Атомы могут собираться в молекулы, включая органические молекулы и биологические процессы, как на планетах, так и в межзвездном пространстве. Возможно, жизнь началась не на Земле, а и вовсе не на планете.
Нужно, чтобы сформировались достаточно тяжелые элементы, из них — твердые планеты, органические молекулы и строительные блоки жизни. Вселенная родилась без них. После Большого Взрыва Вселенная на 99,9999999% состояла из водорода и гелия. Не было углерода, кислорода, азота, фосфора, кальция, железа и вообще любых сложных элементов, необходимых для жизни. Чтобы они появились, должно было родиться и умереть множество поколений звезд, которые выжигали свое топливо и умирали сверхновыми, преобразуя созданные тяжелые элементы в новое поколение звезд. Для самых тяжелых элементов нужно слияние нейтронных звезд, а без этих элементов на Земле не было бы жизни и наши тела не могли бы существовать. Шестеренки астрофизики должны были работать на полную мощность.

Несмотря на то, что Земля сформировалась через 9 миллиардов лет после Большого Взрыва, Вселенной не пришлось ждать так долго. Мы классифицируем звезды по трем группам:

• Население I: звезды типа Солнца, на 1-2% состоящие из элементов тяжелее водорода и гелия. Этот материал хорошо обработан и создает в солнечных системах смесь газовых гигантов и твердых планет, способных поддерживать жизнь.
• Население II: это по большей части старые звезды. Их содержание тяжелых элементов может составлять 0,001—0,1% от солнечного, а миры возле них в основном диффузные, газовые. Тяжелых элементов для жизни может быть слишком мало, и они будут примитивны.
• Население III: первые звезды во Вселенной, которые совершенно не были испачканы тяжелыми элементами. Таких мы пока не находили, но теоретически они существуют (и существовали).

Если посмотреть на первые галактики, они полны звезд населения II. Но в нашей близости мы наблюдаем смесь молодых и старых, богатых и бедных металлом звезд.
Одним из самых важных уроков, вынесенных миссией «Кеплер», стала система Kepler-444. Это звезда населения I (с планетами вокруг), но намного, намного старше Земли. Нашему миру 4,5 миллиарда лет, а Kepler-444 — 11,2 миллиарда, что подразумевает, что Вселенная могла сформировать мир по типу Земли давным-давно, за 7 миллиардов лет до формирования Земли. Учитывая такую возможность, а также тот факт, что в центре нашей галактики больше богатых металлом светил, чем на регионах, вполне может быть, что где-то во Вселенной (и, может, даже в Млечном Пути) существует система с разумной жизнью.

Итак, учитывая все, что мы знаем о том, где могут быть подходящие для жизни звезды, насколько близко могут оказаться две инопланетные цивилизации? Где их искать? При каких обстоятельствах? Давайте рассмотрим пять самых вероятных вариантов, подобранных Итаном Зигелем.

Одна и та же солнечная система

Это просто мечта. В первые дни Солнечной системы вполне вероятно, что Венера, Земля и Марс (и, возможно, даже Тейя, гипотетическая планета, которая столкнулась с Землей и сформировала Луну) — все находились в подходящих для жизни условий. У них была корка и атмосфера, полные ингредиентов для жизни, а также когда-то была жидкая вода на поверхности. Венера и Марс при ближайшем подходе оказываются от Земли на 38 миллионов и 54 миллионов километров соответственно. Но в системах красных карликов (M-класс) планеты разделены значительно меньшими расстояниями: примерно 1 миллион километров между потенциально обитаемыми мирами в системе TRAPPIST-1, например. Луны возле гигантских миров могут быть еще ближе. Если жизнь успешно развивается при определенных условиях, почему бы ей не повторить это дважды в одном и том же месте?

В пределах шарового скопления

Шаровые скопления — это массивные собрания сотен тысяч звезд, заключенных в сферу в несколько десятков световых лет в радиусе. Во внешних регионах сферы звезды разделены световыми годами, но во внутренних, самых плотных скоплениях расстояние между звездами может быть таким, как от Солнца до пояса Койпера. Орбиты планет в таких звездных системах должны быть стабильны даже в плотных условиях, и учитывая, что мы знаем о шаровых скоплениях, которым меньше 11,2 миллиарда лет, как Kepler-444, в них может быть много подходящих для жизни кандидатов. Несколько астрономических единиц — это удивительно небольшое расстояние между двумя цивилизациями, не так ли?

Рядом с галактическим центром

Чем ближе вы оказываетесь к центру галактики, тем плотнее становятся звезды. В пределах центральных нескольких световых лет плотность звезд чрезвычайно высока, даже если сравнивать с ядрами шаровых скоплений. В некотором смысле галактический центр чрезвычайно плотный, поскольку содержит черные дыры, огромные скопления масс и звездообразований, которых нет в шаровых скоплениях. Но проблема звезд, которые мы видим в центре Млечного Пути, состоит в том, что они слишком молоды. Возможно, из-за нестабильности региона звезды редко проживают даже миллиард лет. Несмотря на повышенную плотность, такие звезды вряд ли обзаведутся развитыми цивилизациями. Они просто не живут.

В плотном скоплении звезд или рукаве спирали

Как насчет звездных скоплений, которые формируются в галактической плоскости? Рукава спиральной галактики плотнее, чем другие регионы, и именно в них, как правило, появляются новые звезды. Звездные скопления, которые остаются от тех эпох, часто содержат тысячи звезд, расположенных в регионе всего в несколько световых лет. Но опять же, звезды не остаются в таких условиях надолго. Типичное открытое скопление звезд распадается через несколько сотен миллионов лет, а миллиарды лет живут лишь некоторые. Звезды движутся по спиральным рукавам постоянно, включая и наше Солнце. И хотя звезды в рукаве могут сходиться на 0,1 светового года, они вряд ли будут хорошими кандидатами для жизни.

Распределение по межзвездному пространству

Итак, мы возвращаемся к тому, что наблюдаем в нашем собственном районе: расстояния в несколько световых лет. По мере приближения к центру галактики, вы можете уменьшить эту дистанцию до той, что видели в открытом скоплении: 0,1—1 световой год. Но если подойти еще ближе, возникнет проблема, которую мы наблюдали слишком близко к центру галактики: слияния, взаимодействия и прочие катастрофы, которые разрушают стабильную среду. Можно подойти ближе, но обычно межзвездное пространство такого не позволяет. В лучшем случае можно дождаться, пока рядом пройдет другая звезда, а это происходит раз в несколько миллионов лет.

В общем и целом, хоть мы и не ожидаем, что разумная инопланетная жизнь будет распространена и повсеместна во Вселенной так же, как планеты и звезды, каждый такой мир, соответствующий правильным условиям, это большая редкость. И каждый раз, когда вам выпадает такой шанс, успех будет маловероятным. Число возможностей, которые могут стать реальностью, очень ограничено. Но теперь мы хотя бы знаем, чего ожидать, если найдем во Вселенной кучу других развитых цивилизаций.