О чём поют кванты. Вычислительная акустика.

Установка для тестирования метаматериала. Разработчики слева направо: Матье Падлевски, Ромен Флери и Эрве Лиссек. Источник.

Что происходит, когда многочисленные попытки решить какую-то проблему не приводят ни к какому результату? Помимо того, что это оборачивается тяжёлым разочарованием, исчерпанные варианты решения заставляют уставший мозг «блуждать». А это, как сегодня известно науке, едва ли не самое важное состояние ума перед «прозрением».

Возможно, так было с Дмитрием Ивановичем Менделеевым, воскликнувшим «У, рогатая! Я тебя одолею!», когда работа над фундаментальным его трудом «Основы химии» надолго остановилась в тщетных поисках универсального принципа систематизации характеристик химических элементов. Как гласит известная «красивая история», та самая идея оттолкнуться от атомной массы — слишком простое и потому неочевидное решение — была отвергнута в числе первых даже без рассмотрения, и привиделась уже крайне утомлённому учёному много позже, во сне. Зато — во всей своей красе.

Возможно, что-то подобное случилось и с квантовым физиком Матье Падлевски, аспирантом Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL). Упираясь в непреодолимые ограничения квантовой механики, все его попытки изучить плотно упакованные атомы оказывались слишком малоэффективными. Череда разочарований заставила исследователя обратить внимание на очевидную, но ускользавшую из фокуса данность: квантовые взаимодействия похожи на волны!

Результатом этого просветления стала совместная со старшим научным сотрудником Эрве Лиссеком и профессором Роменом Флери из Лаборатории волновой инженерии EPFL разработка прототипа искусственного метаматериала, представляющая собой акустическую систему для изучения конденсированных сред и их макроскопических свойств. При этом установка позволяет обходить чрезвычайно чувствительную природу, присущую квантовым явлениям, и даже изучать свойства, выходящие за рамки физики твёрдого тела.

«По сути, мы создали игровую площадку, вдохновлённую квантовой механикой, которую можно настраивать для изучения различных систем. Наш метаматериал состоит из легко настраиваемых активных элементов, что позволяет нам синтезировать явления, выходящие за рамки природы, — говорит Падлевский. — Потенциальные области применения включают управление волнами и передачу энергии для телекоммуникаций, а однажды эта установка может помочь в получении энергии из волн».

Как известно, квантовый мир находится в суперпозиции неизвестности: как только вы вмешиваетесь в «бульон вероятностей» своими измерениями, пресловутый квантовый кот внутри ящика либо погибает, либо просит вкуснях и ласки. Этот мысленный эксперимент Эрвина Шрёдингера иллюстрирует сложность квантовых глубин, чья чувствительная природа, однако, не реагирует на наше вмешательство (открытие коробки с животным). Просто наши измерения фиксируют у системы лишь определённое состояние, а не непрерывность суперпозиции вероятных состояний.

Тем не менее, физики знают, как можно косвенно исследовать электронные состояния и делать выводы об их свойствах. И ещё одно явление, в котором кот Шрёдингера имеет смысл в макроскопическом мире, и с которым мы можем взаимодействовать — звук.

Например, мы знаем, что звук человеческого голоса уникален. Во всём спектре слышимых нами частот у каждого голоса присутствует свой набор оттенков. Эти гармонические особенности характерны практически для любого сложного звука — будь то голос конкретного человека, фортепиано, труба, тромбон и так далее.

В принципе, одинаковые звуки существуют, но это простые синтезированные звуки, представляющие собой синусоидальную (обычно) волну одной единственной частоты. Однако в реальном мире мы чаще слышим одновременно не только основную или базовую частоту, но и все её производные — более высокие частоты, называемые гармониками, — а также и другие источники звука со своими у каждого базовыми тонами и гармоническим богатством. В природе мы вряд ли когда-либо слышим, как говорят специалисты, чистый синус.

Но вернёмся в квантовый мир. Вероятности и само состояние суперпозиции обладают волновым началом — при прохождении через две щели электрон, в отсутствии измерений, интерферирует как волна. Другими словами, как бы абсурдно то ни казалось, у нас есть повод предположить, что мы на самом деле слышим суперпозицию множества состояний одновременно. Или, говоря языком квантовой физики, кот одновременно и жив, и мёртв, и мы можем это услышать!

«В конце концов, квантовые волны вероятности — это волны, так почему бы не смоделировать их с помощью звука? — рассказывает Падлевский. — Исследовать электронные состояния твёрдого тела напрямую, без возмущений, было бы всё равно что слепому идти по оживлённой улице без трости. Но в акустике мы можем исследовать волны напрямую, по фазе и амплитуде, не разрушая состояние, и это здорово».

Созданный акустический метаматериал состоит из цепочки электроакустических активных резонаторов — «акустических атомов», как их назвали исследователи. Это 16 небольших кубиков, соединённых друг с другом отверстиями, у которых можно разместить несколько динамиков или микрофонов. Динамики генерируют звук, который управляемо распространяется по цепочке «акустических атомов», а микрофоны измеряют эти волны для управления обратной связью. В принципе кубики могут играть роль строительных блоков при создании более сложных систем, выходящих за рамки простой цепочки.

«Если вы посмотрите на улитку, орган слуха, то увидите, что по своей структуре и функциям она напоминает наш активный акустический метаматериал, — говорит Лиссек. — Улитка состоит из идеально расположенных клеток, которые усиливают различные частоты. Наш метаматериал потенциально может быть настроен так, чтобы функционировать аналогичным образом и изучать проблемы со слухом, такие как шум в ушах».

Новый акустический метаматериал обладает широкими возможностями настройки. Эксперименты показали его способность концентрировать энергию источника в любой точке пространства в зависимости от уровня мощности. То есть теоретическая модель и численное моделирование подтверждено эмпирически. В статье, опубликованной в Physical Review B, авторы отмечают, что полученные результаты открывают огромные перспективы для нового поколения систем. Речь о так называемых невозвратных системах, в которых нелинейности служат стратегическим инструментом для подстройки направления хода процесса.

В этой перспективе авторы видят потенциал использования своих строительных аудио-блоков для изучения способов создания одного из первых акустических аналоговых компьютеров, способных генерировать неразделимые состояния. Вдохновлённый работой Пьера Деймье из Университета Аризоны, такой компьютер, по сути, будет акустическим эквивалентом квантового. А раз уж акустические волны гораздо менее хрупки, чем квантовые, такая машина могла бы позволить вести прямые наблюдения за состояниями суперпозиции без вмешательства в систему.

«Акустический квантовый аналоговый компьютер был бы больше похож на кристаллическую решётку — периодический массив ячеек, подобно тому, как атомы расположены в кристаллах, — воодушевлён Падлевски. — Акустический подход к квантовым вычислениям может предложить альтернативный способ одновременной обработки больших объёмов информации».

АРМК, по материалам EPFL.