Уникальный научный эксперимент, проведенный коллективом исследователей из НГТУ и их международных партнеров при поддержке РНФ, открыл новые горизонты в изучении природы темной материи и квантовых технологий. Впервые в мире ученым удалось зарегистрировать одиночные тепловые фотоны в гигагерцовом диапазоне, что открывает путь к поиску аксионов — гипотетических частиц, способных пролить свет на загадку темной материи, а также к созданию совершенных квантовых компьютеров на основе фотонов.
Международная команда и вклад ключевых специалистов
Проект объединил ведущих научных специалистов и лаборатории сразу нескольких стран. Руководителем разработки инновационной серии детекторов выступил профессор Леонид Сергеевич Кузьмин из Технологического университета Чалмерса (Швеция). Главным технологом и создателем уникальных образцов была Анна Гордеева, руководитель лаборатории «Сверхпроводниковая наноэлектроника» НГТУ. Источник тепловых фотонов — компенсационный медный резонатор — изготовил Николо Крещини, представитель Национального института ядерной физики из города Падуя (Италия). А специалисты из ИФМ РАН в Нижнем Новгороде занимались тонкой настройкой и доработкой антенны резонатора, используя потенциал Центра коллективного пользования института.
Роль Андрея Панкратова и технологический прорыв
Сборка и испытания ключевой системы по регистрации фотонов проходили под руководством Андрея Панкратова — доктора физико-математических наук, ведущего сотрудника отдела терагерцовой спектрометрии ИФМ РАН. Российские ученые отвечали и за программную часть эксперимента, разработку измерительных стендов, проведение анализа полученных данных. Такой плодотворный синергетический подход позволил команде установить рекорд: время между ложными срабатываниями детектора достигло 10 секунд, что стало мировым достижением.
Принципы работы детектора и путь к квантовым вычислениям
В процессе создания сверхточных детекторов специалисты НГТУ применяли инновационные джозефсоновские переходы сверхпроводник-изолятор-сверхпроводник на основе наноструктур из алюминия. Этот метод существенно увеличил надежность и точность системы, минимизировав вероятность ложных срабатываний. Важным техническим результатом стало то, что эффективность устройства достигла 45%, а в будущем этот показатель еще возрастет, поскольку команда уже работает над новыми решениями по увеличению времени между ложными срабатываниями вплоть до 1000 секунд без потери эффективности.
Особое значение имеет тот факт, что обнаружение одиночных фотонов в диапазоне 5-15 ГГц становится фундаментом для разработки универсальных фотонных квантовых компьютеров нового поколения. В отличие от классических оптических систем, где надежное запутывание фотонов затруднено, в гигагерцовом диапазоне возможна реализация многокубитных операций. Таким образом, кубитами здесь выступают не физические элементы, а сами операции с фотонами, что открывает перспективы для создания универсальных и масштабируемых квантовых систем.
Экспериментальные условия и новые возможности для науки
Все детальные исследования проводились в среде сверхнизких температур – от 20 до 80 миллиКельвин. В этих условиях удается варьировать поток тепловых фотонов от буквально одного фотона за тысячу секунд до нескольких тысяч в секунду, эффективно управляя процессом регистрации за счет изменения тока через джозефсоновский контакт. Знаковым научным итогом эксперимента стала регистрация супер-Пуассоновской статистики фотонов, что достоверно свидетельствует о тепловой природе зарегистрированных частиц и указывает на проявление явлений квантового хаоса — сложного и малоизученного класса физических процессов.
Путь к разгадке темной материи и задачам будущего
Ведущий научный сотрудник Андрей Панкратов отмечает: созданный нижегородский детектор работал в диапазоне 14 ГГц — одном из наиболее перспективных для поиска аксионов. Эти частицы при определенных условиях, по мнению современных физиков, могут превращаться в фотоны в сильных магнитных полях, становясь заметными для детекторов. Уникальная особенность российской системы в том, что она не требует создания специальных низкофоновых лабораторий. Это существенно упрощает эксперименты и расширяет доступность поиска аксионов для научных групп по всему миру.
Значительная гибкость работы системы означает, что будущие исследования смогут охватить широкий диапазон частот, а совершенствование конструкции детекторов и антенн позволит не только повысить чувствительность, но и ускорить регистрацию редких событий, связанных с преобразованием аксионов. Это создает новые прорывные перспективы для физики элементарных частиц и поисков ответов на фундаментальные вопросы строения Вселенной.
Новые инструменты и перспективы для научного прогресса
Авторы исследования видят следующим шагом создание крупногабаритных резонаторов с возможностью перестройки частоты, а также разработку еще более совершенных детекторов и антенн. Такой комплексный технический прогресс даст возможность организовать полноценные рабочие платформы для поиска аксионов и других мистических частиц, предположительно составляющих темную материю. Кроме того, исследование открывает путь к инновациям в области квантовых вычислений, поскольку технология регистрации отдельных фотонов лежит в основе построения новых микроволновых фотонных процессоров и квантовых коммуникаций будущего.
Плодотворное сотрудничество ученых из НГТУ, Технологического университета Чалмерса, Национального института ядерной физики, ИФМ РАН и поддержка РНФ демонстрируют, что российская и мировая наука уверенно движется к разгадке одних из самых масштабных и увлекательных тайн современной физики, объединяя таланты и техническое мастерство ради общего будущего.
Источник: naked-science.ru
