Группа ученых из Технического университета Делфта (TU Delft), Швейцарского федерального технологического института (Swiss Federal Institute of Technology, ETH) и Университета Тюбингена (University of Tubingen) создали устройство, тепловой насос квантового масштаба, работающий за счет использования фотонов, частиц света. Это устройство дает ученым возможность проводить измерения радиочастотных сигналов, приближаясь максимально близко к пределу квантовых измерений. И все это может быть использовано в самых различных областях, включая поиски загадочной темной материи.
Когда вы объединяете два объекта, имеющие различную температуру, к примеру, прячете теплую бутылку вина в термосумку с аккумуляторами холода, потоки тепла начинают перемещаться в определенном направлении, от более теплого объекта к более холодному, от бутылки вина к аккумуляторам холода в данном случае. Через какое-то время эта система придет в сбалансированное состояние, температура бутылки вина станет равной температуре внутри термосумки.
Однако, если в такой замкнутой тепловой системе выполнить некоторую работу, то можно нарушить установившийся баланс и заставить тепло течь в неправильном направлении. Этот принцип, принцип теплового насоса, используется в вашем холодильнике, кондиционере и других подобных бытовых устройствах. Нечто подобное, но на квантовом уровне, удалось создать ученым, в их устройстве фотоны переносят тепло в обратном направлении, от холодного к горячему объекту.
Созданное устройство можно описать, как сверхпроводящую схему, работающую на основе эффекта давления фотонов. В состав этой схемы входят сверхпроводящие индукторы и конденсаторы, изготовленные на поверхности кремниевого чипа, охлаждаемого до нескольких тысячных долей градуса выше точки абсолютного нуля. Эта температура кажется крайне и крайне низкой, но фотоны, имеющие определенную энергетику, все еще способны поглотить тепловую энергию и увеличить свою внутреннюю энергию за счет этого.
Процесс поглощения фотонами тепловой энергии в холодной части схемы инициируется за счет подачи специального управляющего сигнала. Дополнительный управляющий сигнал заставляет фотоны переместиться в сторону более горячей части схемы и отдать там лишнюю энергию, вернувшись в прежнее энергетическое состояние. И таким образом получается квантовая версия теплового насоса, использующего передвижение фотонов между частями сверхпроводящей схемы.
В своих предыдущих исследованиях ученые уже использовали описанный выше принцип для создания "холодной ванны" для "горячих" радиочастотных фотонов. Сейчас же ученым удалось превратить все это в усилитель, подобный усилителям микроволновых сигналов, выходящих из сверхпроводящих кубитов квантовых процессоров.
Но главной "изюминкой" нового усилителя на базе квантового теплового насоса является то, что он способен усиливать сигналы, амплитуда которых находится очень близко к фундаментальному квантовому пределу измерений, сигналы, которые практически невозможно измерить любым другим способом. "Этот новый измерительный инструмент дает нам массу совершенно новых возможностей в самых различных областях, включая поиски частиц темной материи" - пишут исследователи.