Научная школа

Прецизионные и квантовые измерения

Член-корр.РАН, профессор В.Б.Брагинский

 

 

Вторая половина 20-го века отмечена интенсивным развитием известных и созданием новых, в том числе новых квантовых методов измерений, а также развитием теории квантовых измерений. Исходной работой, инициировавшей создание школы "Прецизионные и квантовые измерения", можно считать статью [ЖЭТФ 53, 1434 (1967)]. В нейа описан эксперимент, в котором продемонстрировано обнаружение отклика осциллятора на внешнее воздействие, которое изменяет его энергию на величину, много меньшуюа его тепловой равновесной энергии (kT). Этот результат был достигнут благодаря значительному увеличению времени релаксации осциллятора. В этой же статье было приведено доказательство существования ранее неизвестного предела чувствительности в экспериментах с пробными объектами (электромагнитными и механическими осцилляторами, свободными массами). За этим пределом, имеющим чисто квантовое происхождение, в научной литературе закрепилось название "стандартный квантовый предел" (СКП, английская транскрипция - SQL), являющееся сейчас общепризнанным. Понижение порога обнаружения внешнего воздействия и, соответственно, достижение СКП возможно при уменьшении связи пробного объекта с термостатом, т.е. диссипации (трения). Иными словами, необходимо увеличивать добротность осцилляторов или время релаксации свободных масс. Изложенный результат послужил основанием следующих трех основных направлений исследований школы:

 

1.     разработка и создание систем с малой диссипацией

2.     разработка и реализация новых методов измерений на основе таких систем

3.     развитие теории квантовых измерений.

 

В настоящее время в школу входят: руководитель, профессор В.Б.Брагинский, второе поколение наставников: профессора В.П.Митрофанов, Ф.Я.Халили, С.П.Вятчанин, доктора физ.-мат. наук Ю.И.Воронцов, М.Л.Городецкий, кандидаты физ.-мат. наук И.А.Биленко, К.В.Токмаков, под руководством которых работают аспиранты и студенты.

 

Начиная с 1970 года, по тематике школы ее членами защищены 8 докторских и 35 кандидатских диссертаций. Из восьми докторов наук 5 стали профессорами физического факультета МГУ, из них трое (отмеченных выше) продолжают участвовать в работе школы. Второе поколение наставников было руководителями 12 успешно защищенных кандидатских диссертаций.

 

По моему мнению, члены школы внесли значительный вклад в развитие экспериментальной физики, в частности, в реализацию нескольких экспериментов, посвященных фундаментальным физическим проблемам, а так же в обоснованиеа и разработку теории качественно новых методов квантовых измерений, которые нашли применение в различных областях науки и техники (см. ниже). Актуальность выбора конкретных программ исследований подтверждается финансированием исследований, проводимых школой: в настоящее время, кроме гранта по школе, гранта РФФИ и двух грантов Минпромнауки РФ (общая сумма 1100 тыс. руб. в год), исследования поддерживаются National Science Foundation (США) в размере 150 тыс. USD в год (начиная с 1995 г.). Этот последний грант позволяет членам школы реализовывать эксперименты на современном уровне на физическом факультете МГУ.

 

Из важных результатов, полученных с 1970 по 1995 год уместно упомянуть следующие:

а

1.     Подтверждена справедливость принципа эквивалентности на уровне 10^-12 а[ ЖЭТФ 61, 873 (1971)]

2.     Экспериментально установлено равенство модулей зарядов электрона и протона на уровне 10^-21 и отсутствие свободных кварков в макрообъектах (с массой больше милликеновской на 7 порядков), что послужилоаа основой глюонной модели барионов [Phys.Lett.B 33 873 (1971)].

3.     Предложены и обоснованны принципы квантовых неразрушающих измерений Ц КНИ (в английской транскрипции Quantum NonDemolition - QND), позволяющих преодолеть СКП [ЖЭТФ 73, 1340 (1977), Письма в ЖЭТФ 27, 296 (1978), Science 209, 547 (1980)]. Индекс цитирования последней из этих публикаций более 150. Этот новый принцип квантовых измерений во второй половине 80-х был успешно продемонстрирован в оптических опытах ва нескольких лабораториях Франции и США.

По тематике КНИ было проведено четыре международных конференции (последняя в Германии в 1997 г.).

4.     Предложены и созданы диэлектрические резонаторы СВЧ диапазона из сапфира с модами типа "шепчущая галерея", в них достигнута добротность, превышающая 10⁹. Эти резонаторы успешно используются NASA во вторичныха стандартах частоты для дальней спутниковой навигации [Phys.Lett.A 120, 300 (1987)] (индекс цитирования >100).

5.     Предложены и реализованы оптические микрорезонаторы, также с модами типа "шепчущая галерея", с добротностью 10¹⁰, которые нашли применение ва опытах по исследованию квантово-электродинамических эффектов и в различных оптоэлектронных устройствах [Phys.Lett.A 137, 393 (1989)] (индекс цитирования 140).

 

В течение последующих семи лет (1995-2003) получены следующие результаты, заслуживающие того, чтобы быть здесь отмеченными. Эти результаты в значительной мере связанны с финансируемым NSF проектом LIGO (Laser Gravitational wave Observatory).

1.     Предложена и реализована уникальная подвеска оптических зеркал в 4 км резонаторе Фабри-Перо (основной элемент гравитационно-волновой антенны). В этой подвеске зеркала на кварцевой нити достигнута добротность 10⁸ в маятниковой и струнной модах, что позволяет превзойти уровень чувствительновсти, соответствующий СКП [ДАН 345, 324 (1995), Phys. Lett. A 218, 164 (1996)].

2.     Предложен и обоснован новый класс квантовыха измерений (вариационные измерения), которые, также как и КНИ, позволяют достичь чувствительности, превышающей СКП, но с использованием координатных наблюдаемых (в отличие от принципа КНИ) [Phys. Lett. A 201, 269 (1995)].

3.     Проведен анализ вклада в суммарный уровень равновесных тепловых флуктуаций термоэластического и терморефрактивного шумов. Этот анализ показал необходимость существенного изменения оптической конфигурации в LIGO, и это изменение запланировано на втором этапе этого проекта [Phys. Lett. A, 264, 1 (1999), Phys. Lett. A, 271, 303 (2000)].

4.     Предложены и проанализированы качественно новые топологии оптической системы лазерной гравитационной антенны, которые позволяют использовать принципы КНИ и, тем самым, превзойти СКП. Эти топологии основаны на использовании внутрирезонаторных измерений и метода лоптического рычага'. Эти технологии разработаны для третьего этапа LIGO [Phys. Lett. A, 232, 340 (1997), Phys. Rev. D, 61, 044002 (2000)].

5.     Обнаружены избыточные (не теплового происхождения) механические шумы в стальных нитях, используемых в качестве подвесов зеркал на первом этапе LIGO, возникающие при натяжении в нитях, близком к разрывному. Это привело к коррекции в выборе нитей уже на первом этапе LIGO. [Phys. Lett. A 218, 164 (1996)].

 

Полный индекс цитирования: В.Б.Брагинский: 3400, Ф.Я. Халили: 514, М.Л. Городецский Ц 434, С.П.Вятчанин: 350, В.П.Митрофанов: 207, И.А.Биленко: 35.

 

Традицией школы можно считать сочетание прямых экспериментальных исследований, основанных на оригинальных предложениях схем и методов измерений и глубокого теоретического анализа. Все наставники второго поколения имеют собственные направления исследований, которые соприкасаются друг с другом, но не пересекаются. Это является привлекательным для студентов и аспирантов, участвующих в работе группы.

Эффективность работы школы можно оценить и по востребованности. В настоящее время следующие воспитанники продолжают работать в областях, близких к направлениям исследований школы: В.С.Ильченко, А.Б.Мацко, А.В.Савченков - в JPL (Лаборатория реактивного движения, США), А.Ю.Агеев Ц в Сиракузском университете (США), И.С.Грудинин Ц в Калифорнийском технологическом институте (США), М.П.Клембовский Ц в институте квантовой оптики им.М.Планка (Германия). Уместно отметить, что из перечисленных пятеро являются воспитанниками второго поколения. Еще 9 воспитанников школы продолжают исследования в других областях физики, (4 -а в США, 5 Ц в институтах РАН).

 

Уместно отметить, что наставниками школы за последние 7 лет сделано более 50 докладов на международных научных конференциях и симпозиумах, а также, что в трех современных учебниках (американском, немецком и итальянском) есть главы, посвященные КНИ, в которых отмечен приоритет членов школы.

 

В заключениии упомяну, что руководитель школы был награжден РАН золотой медалью П.Н.Лебедева, (1976 г.) удостоен медали Шиллера (Иенский университет, 1980 г.), премиями Фэйрчальда (США, 1991 г.) и Гумбольда (Германия, 1993 г.), был приглашен на общедатский семинар в институте Н.Бора (Дания 1996 г.), был приглашенным лектором на Нобелевском симпозиуме ?104 (Швеция, 1997 г.), Ангстремовским лектором (университет Упсала, 1998 г.).