Нобелевская премия по физике 2012 года присуждена двум исследователям — французу Сержу Арошу и американцу Дэвиду Уайнленду, которые, независимо один от другого, разработали методы управления отдельными квантовыми частицами и наблюдения за ними. Исследовать их очень сложно: свою квантовую природу при взаимодействии с окружением они теряют. Из-за этого до недавних пор физикам приходилось ограничиваться лишь мысленными экспериментами и теоретическими расчётами.

Серж Арош.

Дэвид Уайнленд.

Вогнутое зеркало со сверхпроводящим покрытием для камеры-резонатора С. Ароша. Фото из журнала «Appl. Phys. Lett», 2007.

Схема опыта Сержа Ароша.

Принципиальная схема квантового компьютера на охлаждённых ионах бериллия, запертых в квадрупольном электрическом поле.

Теория

Можно сказать, что первый парадокс квантовой механики состоит в том, что на сегодня этот раздел физики одновременно и самый точный, и самый противоречивый. До сих пор все теоретические расчёты в данной области были абсолютно верны, однако смысл формул квантовой механики весьма трудно, а порой и невозможно объяснить с позиций здравого смысла и на обыденном языке. Дело в том, что в привычном нам мире мы имеем дело только с большими объектами, с размерами на много порядков больше размеров атомов и элементарных частиц. В мире же квантовой механики действуют совсем иные, противоречащие законам классической механики правила. Так называемый принцип неопределённости Гейзенберга (открытый им в 20-х годах XX века) гласит, что невозможно измерить координаты частицы, не вызвав непредсказуемого изменения её скорости, и наоборот.

Поясним смысл этого принципа «на пальцах». Чтобы визуально определить, например, положение обычного (не квантового) объекта в пространстве, достаточно осветить его (или использовать какое-то другое излучение) и зафиксировать зрением либо чувствительным элементом отражённое от предмета излучение. Из опыта мы знаем: сколько не свети на предмет — с места он не сдвинется, следовательно, наши измерения никак не влияют на объект. Но в квантовом мире ситуация иная. Ведь для того, чтобы определить положение или скорость квантовой частицы, нет иных способов, кроме как либо использовать другую частицу или излучение (которые, несомненно, станут взаимодействовать с исходной, изменяя её координаты и/или скорость), либо уничтожить её, «поймав» детектором. Таким образом, любое измерение воздействует на квантовую систему, изменяя её состояние. Если удастся точно зафиксировать положение частицы, то погрешность определения её скорости будет бесконечна, и наоборот.

Из-за принципа неопределённости объекты квантового мира описывают специальными волновыми функциями, которые определяют вероятности нахождения объекта в определённой точке пространства. Распространение этих волн подчиняется уравнениям Шрёдингера — одним из главных уравнений квантовой механики. Наблюдение же за квантовой системой разрушает её, превращая волну в обычную частицу. Этот процесс называется редукцией фон Неймана или коллапсом волновой функции.

Всё, о чём рассказано выше, относится к копенгагенской интерпретации квантовой механики — одному из вариантов объяснения физики событий, происходящих в квантовом мире. Её концепцию создали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг в 1927 году, и она долгое время считалась наиболее достоверной. На сегодняшний день её постепенно начинает вытеснять многомировая интерпретация, основы которой заложил американский теоретик Хью Эверетт ещё в 1957 году (см. «Наука и жизнь» № 4, 2010 г.). Эта теория подразумевает, что есть множество «параллельных» вселенных, в которых имеются одни и те же фундаментальные константы и действуют одинаковые законы физики, но вселенные эти находятся в разных состояниях. Такое представление позволило обойтись без теории коллапса функций, заменив её обратимостью эволюции состояний системы и квантовой сцепленностью, при которой квантовые состояния объектов остаются взаимосвязанными вне зависимости от расстояния между объектами.

Серж Арош и его фотоны

И Арош и Уайнленд изучали взаимодействие фотонов с атомами, но их подходы были различны: Арош использовал атомы для определения наличия фотонов внутри резонатора, а Уайнленд воздействовал на атомы лазерным излучением.

Серж Арош родился 11 сентября 1944 года в Касабланке (Марокко). Ему было 12 лет, когда Марокко провозгласило независимость и семья переехала во Францию. Арош учился в Политехнической школе, Высшей нормальной школе и Парижском университете, защитил диссертацию в Университете Пьера и Марии Кюри, работал в ряде научных центров. В настоящее время — профессор Коллеж де Франс, заведующий кафедрой квантовой механики, член Французского, Европейского и Американского физических обществ.

В парижской лаборатории Ароша фотоны запускались в резонатор — камеру диаметром около трёх сантиметров, состоящую из двух вогнутых зеркал. Зеркала из сверхпроводящего материала были охлаждены практически до абсолютного нуля, что сделало их самыми «блестящими» в мире: единственный фотон мог существовать в камере, отражаясь от зеркал, 130 миллисекунд. До момента поглощения фотон пробегал 40 000 километров — практически «кругосветное» расстояние. Обеспечив долгую жизнь «подопытному» фотону, Арош для его обнаружения решил использовать так называемые ридберговские атомы, высоковозбуждённый внешний электрон в которых находится на очень высоком энергетическом уровне. В экспериментах Ароша его высота была порядка 125 нанометров, приблизительно в тысячу раз больше, чем у атомов с электроном в основном (невозбуждённом) состоянии.

Гигантские атомы по одному, со скоростью, подобранной так, чтобы они не успевали поглотить фотон, пропускались через резонатор. Взаимодействие с фотоном изменяло фазу волновой функции атома, то есть смещало её «гребни» и «провалы». Это фазовое смещение можно измерить. Его наличие означает, что фотон есть, а отсутствие — что фотона нет. Совершенствуя методы исследований, Арошу с коллегами удалось не только определить наличие фотонов внутри резонатора, но и подсчитать их число.

Дэвид Уайнленд ловит ионы

Дэвид Уайнленд родился 24 февраля 1944 года в столице штата Висконсин — Милуоки. Получил степень бакалавра в Калифорнийском университете (Беркли), степень PhD в Гарвардском университете. Работал в Вашингтонском университете и Национальном бюро стандартов (ныне — институт NIST в Боулдере). Член Американского физического общества, Американского оптического общества и Национальной академии наук США.

Как уже говорилось, Дэвид Уайнленд в своих исследованиях использовал иной подход. В его лаборатории проводились эксперименты по захвату ионов в сильно охлаждённую «ловушку» из электрических полей (за изобретение этой «ловушки», вакуумной камеры, в которой присутствуют постоянное и высокочастотное электрические поля, Вольфганг Пауль и Ханс Демельт получили в 1989 году Нобелевскую премию). Пойманный таким образом ион, находящийся при этом в вакууме при экстремально низкой температуре, полностью изолирован от внешних воздействий.

В нормальных условиях ион может находиться на одном из энергетических уровней. Подбирая частоту излучения и длительность импульсов, Уайнленду удалось сначала «опустить» ион на самый низкий (основной) уровень, а затем придать ему такое количество энергии, чтобы он оказался между основным и первым возбуждённым уровнями, причём так, что вероятность нахождения иона в обоих состояниях одинакова. Имея в своём распоряжении частицу в настоящем квантовом состоянии, удаётся наблюдать и исследовать суперпозицию состояний, в которой квантовая функция может схлопываться к конечному числу состояний, в данном случае к двум.

Практика

Важным практическим применением открытий Уайнленда стали квантовые часы, которые по точности превосходят широко используемые цезиевые стандарты времени. И механические, и цезиевые, и квантовые часы работают по одному принципу — качание маятника или балансира (в механических часах), колебания сверхвысокой частоты (в цезиевых) или световые (в квантовых) служат единицей отсчёта времени. Основа квантовых часов Уайнленда — ион ртути, запертый в «ловушке» и совершающий переходы с одного энергетического уровня на другой под действием лазерного излучения. Квантовые часы работают на гораздо более высокой частоте, чем цезиевые. Поэтому точность их такова, что если бы они начали отсчёт времени в момент возникновения Вселенной (почти 14 млрд лет назад), то сегодня они ошиб-лись бы лишь на несколько секунд.

Ещё более интересна и перспективна область, в которой нашли применение открытия лауреатов, — это квантовые компьютеры. Идея вычислительной системы, основанной на вероятностной логике и работающей с квантовыми битами — кубитами, которые могут находиться в трёх состояниях — двух фиксированных и в состоянии суперпозиции, — возникла в 90-х годах прошлого века. Квантовые компьютеры должны иметь крайне высокую вычислительную мощность, но ограничения квантовой механики не позволяли создать рабочие модели таких вычислителей (см. «Наука и жизнь» № 6, 1996 г.).

Результаты исследований Ароша и Уайнленда позволили физикам преодолеть «запретный» квантовый барьер. Была разработана теория декогеренции, которая объясняет процесс нарушения состояния суперпозиции. Уайнленд создал из двух кубитов первый прототип квантового логического инвертора — элемент, осуществляющий операцию «контролируемое НЕ». Конечно, для создания полноценной вычислительной системы недостаточно лишь одного логического элемента, выполняющего отрицание, однако исследования нобелевских лауреатов открывают пути к дальнейшим открытиям и изобретениям в этой области.

При подготовке статьи использовались материалы сайтов nobelprize.org, wikipedia.org, elementy.ru, lenta.ru, learner.org.

№11, 2012