Нобелевская премия по физике за 2012 год присуждена французу Сержу Арошу и американцу Дэвиду Уайнлэнду «за новаторские экспериментальные методы, позволяющие измерять и контролировать отдельные квантовые частицы». Нобелевские лауреаты открыли новую эру в экспериментах по квантовой механике, показав, как можно измерять состояния отдельных частиц, не разрушая их, сообщается в пресс-релизе.
Серж Арош (вверху) и Дэвид Уайнленд — лауреаты Нобелевской премии по физике.
Дело в том, что законы классической физики, управляющие поведением макрообъектов, в мире атомов и субатомных частиц не действуют.
Здесь вступают в силу совершенно иные правила квантовой механики, противоречащие нашей привычной логике. Взять хотя бы принцип суперпозиции, согласно которому квантовые частицы с некоторой вероятностью могут одновременно находиться в двух взаимоисключающих состояниях.
Насколько все это странно с обыденной точки зрения, можно судить хотя бы на таком примере. Представьте себе ящик, в котором сидит кот. С нашей привычной точки зрения животное может находиться лишь в одном из двух взаимоисключающих состояниях: кот либо жив, либо мертв. Узнать это точно можно, открыв ящик.
А вот применительно к квантовой физике кот Шредингера, названный так по имени австрийского физика Эрвина Шредингера, придумавшего этот мысленный эксперимент, может быть с некоторой долей вероятности одновременно и жив и мертв, согласно принципу суперпозиции.
Говоря иначе, те врачи из сказки о приключениях Буратино, одни из которых говорили, что пациент скорее жив, чем мертв, и их оппоненты, утверждавшие обратное, выносили суждения, получается, как раз на основе законов квантовой механики…
Однако вернемся к нобелевским лауреатам. Одному из них — Сержу Арошу — надо было узнать, в каком именно состоянии находится фотон, посланный в некую ловушку.
Обычно фотоны используются лишь как одноразовые «посыльные» — они вылетают из источника, летят к фотодетектору и там поглощаются. Жизнь такого фотона быстротечна, его нельзя долго удерживать и изучать.
Однако Серж Арош выяснил, что удержать фотон в некоем объеме все же возможно, заставив его метаться между двумя вогнутыми зеркалами сверхвысокого качества (вогнутость зеркал не позволяет фотону уйти в сторону).
Схема ловушки с захваченными в нее ионами. Справа — зеркало для медного микроволнового резонатора со сверхпроводящим ниобиевым покрытием, обладающим рекордно высокой добротностью.
Правда, слово «метаться» не совсем точно отражает ситуацию. Когда длина световой волны сравнима с расстоянием между зеркалами, фотон уже не перемещается между зеркалами, а, как бы дрожа, замирает между ними — получается стоячая световая волна, опирающаяся на зеркала. Такая система зеркал называется резонатором.
Качество удержания фотона характеризуется добротностью резонатора Q. Это число показывает, попросту говоря, сколько раз (фотон отразится от зеркал, прежде чем каким-то образом исчезнет. Еще лет 30–40 тому назад в распоряжении физиков были резонаторы с добротностью в миллионы, а сейчас она уже достигает десятков миллиардов. В таком резонаторе микроволновой фотон будет «жить» десятые доли секунды — огромный промежуток времени для современной экспериментальной физики. За это время можно и породить фотон, и воздействовать на него, и «просканировать» его состояние.
Схема того, как возбужденный атом излучает фотон. Стандартное изображение вылетающего фотона как объекта, локализованного на атомном масштабе (вверху), дает неправильное представление о «начальных» размерах фотона. Гораздо более предпочтительней картинка, на которой фотон изображен в виде облака с размерами намного больше атомных (внизу).
В парижской лаборатории Ароша фотоны «запускали» в небольшую камеру объемом три кубических сантиметра с зеркальными стенками. Один-единственный фотон, оказавшийся в камере, мог просуществовать в ней, отражаясь от зеркал и не рискуя быть поглощенным, столько времени, что успевал пробежать в среднем 40 000 км — то есть совершить как бы кругосветное путешествие.
Столь долгое время жизни фотона позволило осуществлять с ним квантовые манипуляции, выявить его наличие в камере в те или иные моменты времени, посчитать, сколько фотонов побывало в ловушке за определенный временной промежуток.
А возможность точного подсчета квантов света открывает принципиальную возможность для создания квантовых компьютеров, которые, по идее, на десятки порядков будут превосходить лучшие нынешние вычислительные комплексы. Они за считаные мгновения смогут решать задачи, на которые современная вычислительная техника тратит недели, а то и месяцы рабочего времени.
Принципиальная схема квантового компьютера, работающего на цепочке холодных ионов, плененных в ловушке. Световые импульсы управляют логическими операциями между ионами, а чувствительная фотокамера детектирует свечение отдельных ионов и тем самым считывает результат операций.
Если Серж Арош научился манипулировать квантами света — фотонами, то не менее трудная с технической точки зрения задача управляться и с отдельными ионами — атомами, лишенными одного или нескольких электронов.
Здесь тоже используют ловушки, только уже не фотонные, а ионные. В них заряженные частицы удерживает переменное электромагнитное поле определенной формы. Такая технология была разработана полвека назад и принесла своим создателям, Вольфгангу Паулю и Хансу Демельту, Нобелевскую премию по физике за 1989 год.
При этом было замечено, что пленение и квантовый контроль отдельных ионов может иметь и далеко идущие практические применения. Например, их колебания позволяют создать сверхстабильный стандарт частоты, построить сверхточные атомные часы.
А такие часы, в свою очередь, позволили проверить экспериментально некоторые выводы теории относительности. Так, скажем, согласно теории, время течет по-разному в гравитационном поле разной напряженности. При удалении от поверхности Земли гравитационное поле начинает ослабевать, поэтому скорость хода часов, расположенных на разной высоте, будет отличаться. Так вот исследователям удалось заметить это расхождение при разнице высот меньше метра!
Дэвид Уайнленд пошел еще дальше. В его лаборатории проводились эксперименты по захвату ионов в «ловушку» из электрических полей. Чтобы полностью изолировать пойманные частицы от внешних влияний, эксперименты проводились в вакууме и при экстремально низкой температуре.
В итоге получился еще один эталон частоты, который опять-таки использован для создания сверхточных часов.
В отличие от цезиевых атомных часов (их погрешность 1 секунда в 300 лет), которые используют СВЧ-диапазон электромагнитных волн, часы Уайнленда работают в диапазоне видимого света. И точность их такова, что если бы с их помощью можно было начать отсчет времени в момент возникновения Вселенной, то сегодня они бы отстали или ушли вперед всего лишь на несколько секунд.
Дэвид Уайнленд является сотрудником американского Национального института стандартов и технологий, а также членом Американских физического и оптического обществ. Работы ученого открыли дорогу исследованиям Уильяма Филлипса, Стивена Чу, Клода Коэна-Таннуджи, а также Эрика Корнелла, Вольфганга Кеттерле и Карла Вимана — эти физики также стали нобелевскими лауреатами в 1997 и 2001 годах соответственно. Работы их непосредственно связаны с созданием атомных часов и прочих процессов, связанных с точным определением периодов времени.
А поскольку работы самого Уайнленда заложили основы технологии создания часов, роль «маятника» в которых играют атомы и ионы, то Нобелевский комитет, похоже, ныне решил восполнить упущенное, дав премию и самому отцу-основателю.
Тем более что оптические часы, к созданию которых он тоже имеет отношение, позволили создать микрочипы, способные обеспечить устойчивость армейского и навигационного оборудования к отключению системы навигации GPS.
До сих пор громоздкие атомные часы можно было установить лишь на крупных платформах — кораблях, самолетах. Однако для снаряжения пехотинца этот вариант не подходит. Поэтому и были созданы миниатюрные атомные часы объемом примерно 15 кубических сантиметров. Их уже можно интегрировать в носимое оружие, мобильный компьютер или управляемый боеприпас.
Теперь если даже спутниковая система GPS будет выведена из строя, оптические атомные часы смогут обеспечить синхронизацию времени в боевой тактической сети, позволят выявить ошибочную информацию, не сбиться с боевого курса.
* * *
…Тесная связь между разными разделами физики и их неожиданный выход на практические приложения — характерная черта современной науки. Разработанные лауреатами лабораторные методы позволяют измерять и целенаправленно изменять квантовые состояния частиц, что является первым шагом на пути к созданию сверхбыстрого компьютера нового типа на основе квантовой физики, отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета. Эти же методы открывают перспективу использования на практике компактных сверхточных часов, на два порядка превосходящих по точности цезиевые часы, дают возможность заложить основу нового стандарта измерения времени.
Публикацию по материалам Нобелевского комитета
подготовил С. НИКОЛАЕВ