Лауреатами Нобелевской премии по физике стали специалисты по квантовой оптике

Нобелевский комитет присудил Премию по физике 2012 года французу Сержу Харошу (Serge Haroche) и американцу Дэвиду Вайнленду (David Wineland), отметив разработанные учеными 'новаторские экспериментальные методики, которые дали возможность измерять отдельные квантовые системы и манипулировать ими'.

Карьеры г-д Хароша и Вайнленда, авторитетнейших специалистов по квантовой оптике, развивались параллельно. Они родились в 1944-м и получили степень доктора философии с разницей всего в год (американский физик - в 1970-м, а французский - в 1971-м). Сейчас Серж Харош работает в парижской Высшей нормальной школе, а Дэвид Вайнленд - в Национальном институте стандартов и технологий и Колорадском университете в Боулдере.

Серж Харош (слева) и Дэвид Вайнленд (фотографии CNRS Photothèque / Christophe Lebedinsky, NIST).

Как известно, поведение отдельных частиц вещества и квантов света характеризует квантовая механика. Поскольку изолировать атомы и фотоны и подавить их взаимодействие с окружающей средой сложно, в опытах традиционно наблюдались большие ансамбли частиц, для описания которых обычно хватает классической теории. Чтобы обрисовать новые эффекты, предсказываемые квантовой механикой, физикам приходилось ставить мысленные эксперименты.

Нобелевские лауреаты перевели эти размышления в практическую плоскость, действуя разными способами: Серж Харош пробовал захватывать в ловушку электрически заряженные ионы, а Дэвид Вайнленд наблюдал за фотонами в резонаторе. На каждом из этих экспериментальных путей встречаются свои технологические сложности, но концептуально - с математической точки зрения - они близки друг к другу. Можно сказать, что двухуровневые системы (ионы или высоковозбужденныеридберговские атомы) в обоих случаях взаимодействуют с квантованными модами, то есть находятся в ситуации, описываемой моделью Джейнса - Каммингса.

Ловушка с захваченными в нее ионами (иллюстрация Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences).

Начало опытам с ионами положили исследования германских ученых Вольфганга Пауля и Ханса Георга Демельта, которые разработали первые технологии захвата частиц, отмеченные Нобелевской премией 1989 года. Сотрудничая с Демельтом, Дэвид Вайнленд еще в 1975-м предложил удобный и эффективный способ лазерного охлаждения, названный доплеровским. Через шесть лет американец уже наблюдал отдельный ион Mg⁺ в ловушке Пеннинга, рабочую модель которой построил все тот же Демельт.

Вообще говоря, ионные ловушки создаются в сверхвысоком вакууме с помощью статического и осциллирующего электрических полей. Захваченный ион сохраняет колебательное движение, которое при низкой температуре квантуется. Отсюда следует, что он может предложить два набора квантованных уровней - колебательные, характеризующие движение в ловушке, и электронные, отвечающие его внутреннему квантовому состоянию.

Экспериментаторам, естественно, хотелось бы управлять квантовым состоянием попавшегося в ловушку иона. К решению этой задачи физики шли постепенно, и на отдельных этапах, пройденных в девяностых годах, им также помогал Дэвид Вайнленд. Он, в частности, способствовал разработке методик лазерного охлаждения по боковой полосе частот и 'перевода' квантовой суперпозиции электронных состояний на суперпозицию колебательных мод ловушки.

Схема охлаждения по боковой полосе частот.

Охлаждение по боковой полосе частот, поясним, позволяет переводить ион (чаще всего - предварительно охлажденный доплеровским способом) в основное колебательное состояние по алгоритму, показанному выше в графическом виде. На рисунке буквой ν обозначены разные колебательные квантовые числа, а символами /↑> и /↓> - два электронных уровня. При охлаждении ион возбуждают лазерным излучением на частоте ω₀ - ω_ν , где ω₀ - разность частот между электронными уровнями, а ω_ν - частотный интервал, разделяющий колебательные моды ловушки. Поскольку возбужденный ион, возвращаясь на уровень /↓>, 'предпочитает' не менять число ν , его энергия постепенно уменьшается, и повторение процедуры приводит его в основное состояние с ν = 0.

Прием 'переноса' суперпозиции, в свою очередь, легко охарактеризовать на примере иона, который уже находится и в низшем электронном состоянии /↓>, и в низшем состоянии ловушки /0>. Возбуждая его лазерным импульсом, можно создать суперпозицию состояний (α/↓> + β/↑>)/0>. После этого на захваченную частицу направляют излучение с частотой ω₀ - ω_ν , о которой мы говорили выше. Так как ион, согласно условию, находится в низшем колебательном состоянии, под влиянием оказывается только состояние /↑>/0>, переходящее в /↓>/1>. В итоге мы получаем выражение вида α/↓>/0> + β/↓>/1>, которое преобразуется в /↓>(α/0> + β/1>); как видно, суперпозиция действительно была 'передана' колебательной моде. Если в ловушке находится еще один ион, разделяющий колебательные состояния первого, суперпозицию в дальнейшем можно 'передать' внутренним состояниям второй частицы.

Схема типового эксперимента с фотонами в резонаторе и ридберговскими атомами (иллюстрация Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences).

Исследования в области квантовой электродинамики резонатора, которыми занимается Серж Харош, стартовали в восьмидесятых годах прошлого века. Сначала физики пытались выяснить, как будут меняться свойства частицы, помещенной в оптический или микроволновой резонатор, и группе г-на Хароша удалось зарегистрировать эффект подавления ее спонтанного излучения. В дальнейшем француз и его коллеги переключились на проблему усиления света в резонаторе, создав мазер, работающий на двухфотонном переходе между уровнями атома рубидия.

В экспериментах, проводимых Сержем Харошем, традиционно используется резонатор, образованный двумя сферическими зеркалами, которые разнесены на 2,7 см. Зеркала выполняются из сверхпроводящего материала (ниобия) и охлаждаются до температуры в ~0,8 К. Высочайшее качество их изготовления позволяет довести время жизни фотонов в резонаторе до ~130 мс - интервала, который соответствует пройденной светом дистанции в ~40 тысяч километров.

В резонатор физики направляют предварительно подготовленные ридберговские атомы рубидия, движущиеся со строго определенной скоростью. Четко контролируемое взаимодействие атомов, не поглощающих фотоны, но испытывающих диктуемый динамическим эффектом Штарка сдвиг уровней, с полем дает возможность создавать запутанные состояния и определять число фотонов, находящихся в резонаторе.

Стоит добавить, что упомянутые методики применяются не только в фундаментальных исследованиях деталей процесса распада суперпозиционных состояний. Опыты, проводимые в лаборатории г-на Вайнленда, подтверждают, что захваченные ионы могут служить и кубитами квантового компьютера, и элементами оптических часов, по точности 'хода' опережающих современные цезиевые атомные часы.

Подготовлено по материалам Нобелевского комитета.