Какая система будет самой громкой, а какая даст «абсолютную» тишину: два любопытных научных проекта

Группа физиков из Австралии, Сингапура и Китая разработала технологию управления квантовым состоянием фотонов в вакуумном шуме. В перспективе решение увеличит точность квантовых вычислений.

Рассказываем, как устроена «самая тихая» система. Также поговорим о другом научном проекте — его участникам, наоборот, удалось сгенерировать самый громкий звук на планете.

Тише тишины

В любом, даже самом тихом месте на планете, присутствует так называемый вакуумный шум. Его источником является вакуумная энергия, которая составляет основу вселенной. Эту энергию генерируют атомы и молекулы, излучающие электромагнитные волны при переходе из возбужденного состояния в стабильное (эффект спонтанного излучения). Вакуумный шум существует даже в тихих, изолированных темных комнатах и может мешать работе квантовых сетей и компьютеров — вызывать помехи при кодировании информации в квантовом состоянии фотонов.

Команда ученых, ведомая физиками и инженерами из Австралийского национального университета (ANU), предложила решение проблемы. Специалисты представили устройство для управления квантовым состоянием фотонов на энергетическом уровне, который обычно заглушается вакуумным шумом.

Ученые занимаются технологиями сжатия света уже более 20 лет. Эту же методику они использовали для повышения точности оптических измерений. Например, в километровых интерферометрах для регистрации гравитационных волн. Авторы исследования ожидают, что их новое устройство поспособствует развитию квантовых вычислений и шифрования.

Команда уже представила результаты работы на ежегодном конкурсе Rising Star of Light — его проводит издательская компания Springer Nature — и заняла первое место. Однако инженерам предстоит решить несколько проблем. Например, предложенный ими метод пока нестабилен. Но когда он технология будет обкатана, она сможет «выйти» за пределы лаборатории.

Полная противоположность — самый громкий звук

В прошлом году группа исследователей из Национальной ускорительной лаборатории США (SLAC) сумела достичь расчетного предела громкости звука в водной среде — 270 дБ. Это значительно больше, чем у взлетающего самолета или ракеты. Инженеры использовали рентгеновский лазер Linac Coherent Light Source (LCLS) — он способен создать «молекулярную черную дыру» и нагреть воду до 100 000 °C. Короткими импульсами «бомбардировали» тонкие струи воды диаметром 14–30 мкм. Под воздействием излучения жидкость мгновенно испарялась, порождая ударную волну.

Сгенерировать звук громче 270 дБ в жидкой среде невозможно. За пороговым значением вода перестает испаряться и превращается в микропузырьки, заполненные паром. После образования они сразу схлопываются (происходит так называемая кавитация), но звуковая волна уже не формируется.

По словам представителей SLAC, в перспективе подобные эксперименты помогут лучше понять, как высокая громкость воздействует на физические и биологические образцы. Это откроет новые возможности в разработке материалов.