Нобелевские лауреаты научили мир ловить кванты

В Стокгольме объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по физике 2012 года. Самую престижную в научном мире награду и 8 миллионов шведских крон (порядка 37 миллионов рублей) разделили француз Серж Арош (Serge Haroche) и американец Дэвид Вайнлэнд (David Wineland).

Формулировка Нобелевского комитета: «за создание прорывных экспериментальных методов измерения и манипулирования индивидуальными квантовыми системами».

Учёные независимо создали технологические решения для работы с отдельными квантовыми частицами без разрушения их квантово-механической природы. До этих открытий физики-экспериментаторы полагали, что подобное недостижимо.

Напомним, что к отдельным квантам света или материи законы классической физики не применимы. В свои права вступает квантовая физика. Однако изолировать отдельные частицы не так-то просто, поясняет пресс-релиз Нобелевского комитета. Отделив их от окружения, невозможно изучить их квантовые свойства. Другими словами, проводя измерения, учёные разрушают измеряемое состояние частиц (вспоминается, знаменитый кот Шрёдингера).

Из-за этого противоречия физики в своих экспериментах не могли напрямую наблюдать за частицами, лишь производить теоретические выкладки. Исследования Вайнлэнда и Ароша, работающих в области квантовой оптики, переломили ситуацию.

Дэвид Вайнлэнд научил мир улавливать частицы, несущие электрический заряд (атомы и ионы), а также контролировать и измерять их состояние при помощи фотонов (квантов света).

Удерживают частицы в ловушке электрические поля. Их изолируют от излучения и тепла при помощи вакуума и очень низких температур. Затем в бой вступают лазеры. Их точно подогнанные импульсы передают пойманным частицам энергию, заставляя их перейти в состоянии суперпозиции.

Это состояние, невозможное с точки зрения классической физики, представляет собой помесь двух различных энергетических состояний, в которых частица может находиться с одинаковой вероятностью. Изучение таких физических явлений очень важно для квантовых физиков. И, как мы уже сказали, Дэвид преуспел в разработке технологий, позволяющих производить подобные манипуляции и измерения.

Принцип работы ловушки Вайнлэнда (иллюстрация 2012 The Nobel Committee for Physics).

Серж Арош разработал противоположный подход, позволяющий разобраться в чудесах квантового мира. Он придумал, как контролировать и измерять свойства пойманных фотонов при помощи засланных в ловушки атомов.

В своей лаборатории он заставляет микроволновые фотоны скакать туда-сюда внутри ловушки с зеркальными стенками. Расстояние между ними не превышает трёх сантиметров. Зеркала выполнены из сверхпроводящего материала и охлаждены до температуры близкой к абсолютному нулю.

Отражение этих зеркал таково, что единичный квант света проводит в ловушке порядка десятой доли секунды, прежде чем поглотиться стенками или выскочить из ловушки. Это очень долго! За этот ничтожный по меркам человека отрезок времени фотон успевает пройти расстояние порядка 40 тысяч километров. Это всё равно что обогнуть Землю.

За это время, сопоставимое для фотона с длительностью жизни, учёные успевают провернуть с пойманным квантом света массу манипуляций.

Арош и коллеги используют ридберговские атомы. Они больше обычных атомов примерно в тысячу раз и имеют «форму» пончика. Учёные посылают их в ловушку со строго определённой скоростью, заставляя контактировать с микроволновыми фотонами.

Квантовое состояние самого ридберговского атома при этом взаимодействии изменяется. На выходе из ловушки физики измеряют его. В результате они получают информацию о пойманном в ловушку фотоне, не разрушая его.

Тот же способ можно использовать для подсчёта количества фотонов в ловушке. Впоследствии физики, основываясь на этих достижениях, даже научились отслеживать изменения квантового состояния фотона в реальном времени.

Принцип работы ловушки Ароша (иллюстрация 2012 The Nobel Committee for Physics).

Оба лауреата премии продвинули науку вперёд. Так, с 80-х годов прошлого века начали развиваться технологии, которые помогут в создании сверхбыстрого квантового компьютера.

Последний в отличие от обычного может в одном бите (так называемом кубите) хранить оба значения и 0, и 1 (вспомните принцип суперпозиции состояний). Получается, что два кубита могут принимать значения 00, 01, 10 и 11. Каждый последующий кубит удваивает количество возможных значений. Таким образом, всего 300 кубитов могут принимать 2300 значений одновременно. Это больше, чем количество атомов во всей Вселенной!

Группа Вайнлэнда впервые в мире продемонстрировала возможность работы с двумя кубитами. Позднее учёные ещё увеличили количество «единиц хранения информации».

Вполне возможно, что однажды будет создан настоящий квантовый компьютер с большим количеством кубитов. С практической точки зрения – это будет технологический прорыв, так как вычислительная мощность такой машины будет поистине громадна.

Однако практические проблемы по созданию такого устройства пока не решены. Массивы кубитов необходимо изолировать от окружающей среды, чтобы не было разрушено их квантовое состояние. При этом нужно создать систему коммуникации между ними и внешним миром, которому необходимы результаты вычислений.

Возможно, уже в XXI веке это изобретение изменит нашу жизнь столь же радикально, что и первый компьютер.

Но не только возможность создания квантового компьютера открыли для человечества Вайнлэнд и Арош. Уже сейчас мы имеем ультраточные ионные часы, которые работают на порядок лучше современных атомных часов, по которым отсчитывается стандарт времени (NIST-F1 Cesium Fountain Atomic Clock). Если бы кто-то начал измерять ими время в начале жизни Вселенной 14 миллиардов лет назад, то сегодня они бы выдавали ошибку не более 5 секунд.

Имея «под рукой» такую точность, учёные получают возможность наблюдать за необычайными явлениями, напрмер, за искривлением пространства-времени. Они могут определять, как гравитация изменяет течение времени в тех или иных системах, а значит, смогут разобраться, как формировалась Вселенная.

Оставить свои поздравления лауреатам Нобелевской премии по физике можно на этой странице (необходимо уложиться в 140 символов).

Добавим, что Серж Арош родился в 1944 году в марокканском городе Касабланка. Кандидатом наук стал, работая в университете Пьера и Марии Кюри (Université Pierre et Marie Curie). С 2001 года является профессором Коллеж дё Франс (Collège de Franc) и Высшей нормальной школы (Ecole Normale Supérieure). Арош сейчас проживает в Париже, является членом французского (SFP) и европейского физических сообществ (EPS).

Дэвид Вайнлэнд также родился в 1944 году в Милуоки в Висконсине, США. Получил степень бакалавра в Беркли (University of California, Berkeley), кандидата наук в Гарварде (Harvard University). Вайнлэнд является членом Американского физического (APS Physics) и оптического (OSA) сообществ, а также Академии наук США (National Academy of Sciences). Сейчас Дэвид работает в одной из лабораторий Национального института стандартов и технологий США (NIST). 

Также по теме:
Создан первый в мире квантовый маршрутизатор
Ионный кристалл стал мощнейшим квантовым компьютером
Создан квантовый компьютер в алмазе
Физики впервые получили квантовую спутанность двух алмазов при комнатной температуре

Источник: vesti.ru