Nobelova nagrada za fiziku - 2012 • Igor Ivanov • Znanstvena vijest o "Elementima" • Nobelove nagrade, fizika

Nobelova nagrada za fiziku – 2012

Sl. 1. Serge Arosh i David Weinland – Nobelova nagrada za fiziku za 2012. godinu. Slika od nobelprize.org

9. listopada 2012. Nobelova komisija je priznala Nobelovu nagradu za fiziku Sergeju Aroshu i Davidu Vinelandu za "probojne eksperimentalne metode koje su omogućile mjerenje pojedinačnih kvantnih sustava i kontrolu nad njima".

Ponekad se dogodi da se Nobelovu nagradu dodjeljuje jedno, istovremeno otkriveno, što je bilo dobro pogoditi ili sjajni uvid. Međutim, revolucija u fizici uvijek nije tako lako; češće se ispostavlja da se poteškoće idu na put prema cilju jedan po jedan, i svaki put kada je potrebno napraviti novi proboj. Takav opis u potpunosti se primjenjuje na djela Nobelove nagrade za fiziku za 2012. godinu – francuskog Sergeja Aarhesa (Sergea Harochea) i američkog David Vineland (David Wineland). Igrali su ključnu ulogu u velikom postignuću eksperimentalne fizike posljednjih desetljeća – kontrolu nad kvantnim stanjem pojedinih elementarnih čestica. Međutim, to se nije učinilo odmah, već u nekoliko ključnih faza, koje su se protezale za treće stoljeće i završile glasnim rezultatima (uključujući praktične primjene) obaju pobjednika doslovno posljednjih godina.

Prije nego što počnemo detaljnu priču, zanimljivo je istaknuti nekoliko zanimljivih točaka koje kombiniraju studije Arosha i Vineland. Arosh radi s kvantnim stanjima pojedinih fotona koji su uhvaćeni u rezonatoru i trajno se neprilagođavaju iz vanjskog svijeta. Vineland radi s kvantnim stanjima pojedinačnih iona zarobljenih i izoliran od kaotičnih vanjskih utjecaja. Ali u isto vrijeme, Arosh koristi atome kako bi promatrao stanje fotona, a Vineland koristi fotone kako bi manipulirao stanjima iona. Obje metode omogućuju eksperimentalno provođenje onoga što se prije pola stoljeća moglo smatrati samo "mentalnim eksperimentom", kao i proučavanje kako se kvantni i klasični svijet međusobno odnose. Konačno, Arosh i Vineland su stari i dobri prijatelji.

Čuda s fotonima: djela Sergea Arosha

Ultra-Q rezonatori

Studije Sergeja Arocha odnose se na kvantnu optiku, dio fizike koja proučava kvantna svojstva pojedinih fotona, "elementarne komade" svjetlosti. Obično se fotoni koriste samo kao jednokratni "glasnici" – oni se emitiraju na izvoru, letite do detektora za fotografiju i tamo se apsorbiraju.Ako im se nešto dogodilo na putu, znat ćemo o tome tek nakon njihove "smrti". Život takvog fotona je prolazan, ne može se dugo zadržati i proučavati. A Serge Arosh postavio je upravo ovaj cilj – da nauče kako zadržati jedan foton dulje vrijeme unutar eksperimentalnog postava i tijekom tog vremena pažljivo ga ispitati.

U načelu, moguće je držati foton prisiljavajući ga da rotira naprijed-natrag između dviju konkavnih zrcala super visoke kakvoće (konkavnost zrcala ne dopušta fotonu da se pomakne na stranu). Istina, izraz "žuriti naprijed-natrag" ne prilično točno odražava situaciju. Kad se duljina svjetlosnog vala može usporediti s razmakom između zrcala, foton se ne kreće između zrcala, ali, kao da drhti, zamrzava se između njih – ispada stalan svjetlosni val koji se odmara na zrcalima. Naziva se ovaj sustav zrcala šupljina (u engleskoj literaturi se koristi pojam šupljina "Šupljina").

Kvalitet zadržavanja fotona karakterizira dobre kvalitete rezonator, Q. Ovaj broj pokazuje otprilike koliko puta foton reflektira od ogledala prije nego što se nekako izvlači (ili, točnije, koliko puta je vrijeme zadržavanja fotona duže od razdoblja oscilacije svjetlosnog vala).Jasno je da je faktor kvalitete kritički ovisan o refleksivnosti zrcala: što je bliži koeficijent odražavanja prema jedinstvu, to je veći faktor kvalitete.

Sl. 2. Jedno od zrcala za bakreni bakreni rezonator s supravodljivim niobijskim premazom, koji ima rekordnu kvalitetu Q = 4,2 x 1010, Rezonator je proizveden u laboratoriju Sergea Aroscha (S. Kuhr i sur. Appl. Phys. Lett. 90, 164101 (2007)); životni vijek mikrovalnog fotona u njemu bio je 0,13 sekunde

U mikrovalnom području (valne dužine po redoslijedu milimetara ili centimetara), zahvaljujući korištenju supravodiča, moguće je postići iznimno dobar odraz. Već u sedamdesetim i osamdesetim godinama postojale su milijune dobrih rezonata na raspolaganju fizičarima, ali sada već dosežu desetke milijardi (Slika 2). U takvom rezonatoru, mikrovalni foton će "živjeti" desetke sekunde – ogromnu količinu vremena za modernu eksperimentalnu fiziku. Tijekom tog vremena, možete bez žurbe generirati foton i utjecati na njega, te "skenirati" njegovo stanje (kako to učiniti, opisat će se niže). Glavna stvar je da se fotoni preselili u kategoriju "čestica" koje dugo žive unutar eksperimentalnog postava, "čestice", na kojima se već mogu provesti razni eksperimenti.

Kvantna elektrodinamika u rezonatoru

I ovdje se u ovoj priči pojavljuje "skretanje", vrlo karakteristično za modernu fiziku. Stvaranje visokokvalitetnih rezonata – takvo naoko tehničko dostignuće – otvorilo je novi dio temeljne fizike za fizičare – kvantna elektrodinamika rezonacije (na engleskom jeziku kvantna elektrodinamika šupljine, CQED). To nam je omogućilo postavljanje takvih eksperimenata s fotonima, koji su doslovno "istraživali" same temelje kvantne fizike i omogućili nam da preispitamo tajanstvenu prijelaz između kvantnog i klasičnog ponašanja čestica (vidi članak u pregledu: G. Walter, Monatomski maser i drugi eksperimenti na kvantnoj elektrodinamici rezonatora / / UFN 166, 777 (1996)).

Jedan od najočiglednijih primjera takvih eksperimenata, izveden u skupini Sergea Arosha, je eksperimentalna demonstracija da se životni vijek jednog ekscitacijskog atoma može u velikoj mjeri mijenjati stavljanjem u takav rezonator.

Postavljanje iskustva je jednostavno, a rezultat, na nevini izgled, jednostavno je nevjerojatan. Između dva zrcala prazan Rezonator (tj. Bez fotona unutar) leti kroz atom koji je u uzbuđenoj državi.Općenito, uzbuđeni atomi su nestabilni, a nakon kratkog vremena elektron u njemu skoči na nižu razinu, emitirajući foton. Čini se da je to spontano zračenje čisto intra-atomskim procesom, a životni vijek uzbuđenog stanja je vlastita karakteristika atoma. Međutim, ispostavilo se da, kada letu kroz prazan rezonator, atom može ubrzati ili, obrnuto, usporiti proces "treperenja" fotona!

Predlažem još jednom razmisli o ovoj situaciji. Uzbuđeni atom je u vakuumu, nitko ga ne "dirne" (zidovi rezonata su centimetar udaljeni od atoma!), Ne utječu nikakvi vanjski elektromagnetski polja. Samo smo ograničiti vakuum oko njega – i to je dovoljno da spriječi ili, obrnuto, pridonese emisiji fotona.

S gledišta svakodnevne intuicije, situacija je sasvim neobična. Upotrebljavamo se činjenicom da rezultat može uzrokovati izravni utjecaj na objekt: bilo izravnim kontaktom s njim, bilo putem polja sile. I ovdje se ispostavlja kao da mi zabranjujemo ili "potičemo" propadanje, bez djelovanja na atom!

Rješenje ovog prividnog paradoksa je taj kvantni predmeti nonlocalnisu u smjeru kazaljke na satu. Naime, kad atom emitira foton, ovaj foton uopće ne leti. ravno od atoma (Slika 3). Optički foton općenito je nemoguće lokalizirati s atomskom preciznošću. Zato atomi i molekule nisu vidljivi pod optičkim mikroskopom, i upravo iz tog razloga nema smisla pitati, na primjer, od kojeg dijela kompleksne molekule (recimo, molekule boje) foton leti kada emitira. Temeljni razlog za to je da je elektromagnetska interakcija prilično slaba, stoga konstanta fine strukture je mala.

Sl. 3. Shematski prikaz kako uzbuđeni atom emitira foton. Standardna slika odlaznog fotona kao objekta lokaliziranog na atomskoj skali (na vrhu), daje vrlo pogrešnu ideju o "početnoj veličini" fotona. Mnogo poželjnije bi bila slika u kojoj je foton prikazan kao oblak s dimenzijama znatno većim od atomske (dolje dolje)

Točnije je zamisliti proces zračenja kao da se foton odmah pojavljuje u određenom volumenu oko atoma, a zatim se širi u svim smjerovima (Slika 3).Taj je volumen narudžbe veće od volumena samog atoma i povećava se još s povećanjem valne duljine fotona, tj. Sa smanjenjem razlike između razina energije između kojih se tranzicija dogodila. Stoga, ako su u ovom volumenu strani predmeti za koje buduća fotona može "uhvatiti", onda mogu promijeniti brzinu njezinog zračenja.

U pokusima Arosha korišteni su posebni vrlo uzbuđeni atomi (to su takozvani atomska stanja Rydberga). U njima je razlika između razina energije između kojih se tranzicija odvija toliko mala da je valna duljina emitiranog fotona prilično makroskopska vrijednost – milimetara i centimetara. Iako je sam atom mali, ali kada "pokušava" emitirati foton, "centrira" probe situaciju.

Rezonator koji je koristio Aroshem bio je usporedive veličine, a to je omogućilo da utječe na stopu propadanja. Na primjer, u vrlo malom rezonatoru, emitirani foton jednostavno ne bi odgovarao – i sama ta činjenica sprečava njegovo zračenje, stabilizira uzbuđeno stanje. Ako je veličina rezonacije odabrana tako da se foton ravnomjerno uklapa u nju, tada će biti još pogodnije za atom da emitira takav foton,vjerojatnost zračenja naglo raste (Slika 4).

Sl. 4. Postotak emisije fotona od uzbuđenog atoma u neograničenom prostoru određuje se samo unutarnjim atomskim procesima (na lijevoj strani). Međutim, ako je atom u rezonatu, tada se zračenje može snažno ili snažno potisnuti (u sredini) ili dramatično povećavaju (s desne strane)

Da budemo pošteni, valja se reći da taj učinak uopće nije iznenađenje za fizičare. Ta je ponašanja Teorijski predvidio Edward Purcell 1946. godine, a prvi eksperimentalni savjeti takvog ponašanja pojavili su se početkom 1970-ih. Istina, onda je riječ o emisiji molekula smještenih između dva ravna zrcala, a učinak je bio prilično "prljav". Serge Arosh i njegovo osoblje postigli su mnogo jači i čišći učinak: u članku iz 1983 objavljuju oko petsto (!) Ubrzanja fotonskog zračenja. Osjećajte se ponovno: sjaj se pojačava samo zbog činjenice da smo na pravom putu ograničili prostor u vakuumu oko radijatora!

Četiri godine kasnije učinak je istodobno pokazao nekoliko istraživačkih skupina u optičkom području, štoviše, kako u smjeru pojačanja i prigušenja zračenja deseterostruko.Bez pretjerivanja, možemo reći da je počela manipulirati tempom intra-atomskog procesa. Opis situacije iz 1989. godine nalazi se u popularnom članku Arosha i Kleppnera u časopisu Fizika danas, A skupina Serge Arosha, u međuvremenu, preselila se …

Brojanje fotona i rezultata vatrometa

Kada se radi o eksperimentima s jednom ili više čestica, javlja se prirodno pitanje: kako se može mjeriti broj čestica? Za elektrone, recimo, odgovor je jednostavan: potrebno je izmjeriti električni naboj nekog objekta i podijeliti ga s nabojem jednog elektrona. Kako mjeriti koliko fotona "zaglavi" između zrcala rezonata?

Problem s fotonima je da se lako apsorbiraju. Ako postoji ogroman broj fotona, onda je to beznačajno – ovako se intenzitet klasičnog električnog ili magnetskog polja mjeri testnim nabojima. Ali kad postoji nekoliko fotona, nije dobro apsorbirati ih – to u potpunosti mijenja stanje predmeta koji se mjeri. Možda to možete učiniti bez njega nekako? Ispalo je, da. U kvantnoj mehanici, sva mjerenja uopće ne mijenjaju stanje sustava; Postoje tzv. Kvantna nerazorna mjerenja (na engleskom jeziku kvantno mjerenje bez rušenja), koji uspijevaju bez nje (usput, takav tip mjerenja predložio je sovjetski fizičar Vladimir Braginsky).

Godine 1990. pojavio se članak Arosha i koautori u kojima je predložena posebna shema za nerazorna mjerenja broja fotona u rezonatu. Da bi to učinili, autori ponovo predlažu uporabu posebno pripremljenih atoma koji prolaze kroz rezonator. Samo ovaj put, rezonator igra drugačiju ulogu: ne dovodi do emisije ili apsorpcije fotona, već lagano mijenja razinu energije atoma određenom količinom ovisno o broju fotona. Pomak razina energije (koji je prisutan samo tijekom prolaska kroz rezonator) neznatno mijenja stanje izlaznog atoma mjerenjem kojeg se može "brojati fotoni".

Sl. 5. Izravno promatranje rođenja, života i nestanka jednog mikrovalnog fotona koji se pojavio u rezonatoru oko pola sekunde. Crvene i plave crtice odgovoriti na rezultate ponovljenog eksperimenta na prijenos atoma kroz rezonator i mjerenje njegovog izlaznog stanja; crvena Slučajevi se prikazuju kada je izlazni atom bio u stanju uobičajeno označenom e i odgovara jednom fotonu u rezonatoru, plava – u mogućnosti g (nula fotona u rezonatoru). Slika iz članka Kvantni skokovi u svjetlu u šupljini // priroda 446, 297 (2007)

Provedba ove ideje, međutim, nalazila se u ozbiljnim tehničkim poteškoćama koje su prevladane tek 2007. godine. Ali, za nekoliko mjeseci, Arosha grupa izvodila je nekoliko sjajnih studija, što im je omogućilo da ponovno pogledaju temeljne kvantne pojave.

  • Ožujak 2007 .: moguće je pratiti pojavu i nestanak jednog fotona u rezonatu (Slika 5).
  • Kolovoz 2007: postupno "kolaps" početne države od sedam fotona, u kojem je jasno kako fotoni nestaju jedan za drugim iz rezonata pola sekunde.
  • Rujan 2008.: promatranje stanja tipa "Schrödinger maca", kada nema određenog broja fotona u rezonatu, već superpozicija trifotonske i četveročlane države.
  • Listopad 2008. godine: promatranje kvantnog Zeno efekta u rezonatoru (kvantni Zeno učinak sastoji se u udarnom svojstvu kvantne mehanike, da kontinuirano promatranje propadajućeg sustava "zamrzava" njegov propad).

Rezultati pravih vatrometa! Naravno, Arosha grupa neće se zaustaviti na ovom, već otvara sve više novih aplikacija razvijenih eksperimentalnih metoda. Na primjer, prije mjesec dana pojavio se još jedan članak u kojem se kvantni efekt zenona ne promatra samo, već se već koristi za ručno kontrolu kvantne evolucije fotonskog polja u rezonatu i za dobivanje egzotičnih kvantnih stanja elektromagnetskog polja.

Ukratko, pod ovim dijelom priče možemo se prisjetiti da je slavna rasprava između Niels Bohra i Alberta Einsteina o fizičkoj bitci kvantne mehanike bila, između ostalog, okrenuta oko mentalnog eksperimenta s "jednim foton kutijom". Praktična primjena takvog kutija, kao i mnogo suptilnijih kvantnih manipulacija s fotonima, bila je jednostavno nemoguća s tehničkog stajališta u to vrijeme. Serge Arosh je postao ključna figura, zahvaljujući kojoj su provedeni slični mentalni kvantno-mehanički eksperimenti.

Monatomska kvantna kirurgija: rad David Vineland

Manipuliranje kvantnog stanja pojedinog iona nije manje teško s tehničkog gledišta. Naravno, atomi, za razliku od fotona, ne nestaju nigdje, a u tom je smislu lakše raditi s njima.Ali, s druge strane, valna duljina atoma (podsjetimo da u kvantnom svijetu svaka čestica odgovara određenom valnom procesu) kada se kreće pri normalnim brzinama je vrlo mala. Stoga se ne primjećuju kvantni učinci povezani s translacijskim gibanjem (to jest, kretanje atoma kao cjeline), pri običnim temperaturama. Da bi se primijetio kvantizacija translacijskog gibanja, potrebno je samo jedan atom ili ion ne samo uloviti, nego i ohladiti do vrlo niskih temperatura, po redoslijedu milikvalina i niže.

Hvatanje i hlađenje jednonitnih iona

U načelu, tehnologija ionskih zamki, u kojima se napunjene čestice drže u sredini pomoću izmjeničnog elektromagnetskog polja određenog oblika, razvijen je prije pola stoljeća. Čak je i njezinim kreatorima, Wolfgangu Paul i Hans Demelt, donijela polovicu Nobelove nagrade za fiziku 1989. (vidi detalje na Nobelovim predavanjima: V. Paul.) Elektromagnetske zamke za napunjene i neutralne čestice // UFN 160, 109-127 (1990) i H. Demelt. Eksperimenti s jezgrovitom izoliranom subatomskom česticom // UFN 160, 129-139 (1990)). Godine 1973. Vineland, Ekstrom i Demelt izvijestili su o prvom pokusu s jednim elektronom zarobljenom u takvoj zamci.Demelt je došao do lijepog imena za ovaj sustav, "geonij", svojevrsni umjetni analogni atom u kojem je elektron u stanju vezan uz Zemlju (naravno, pomoću zamke). Svrha ovih eksperimenata bila je proučavanje internih karakteristika elektrona, naročito njegov anomalni magnetski trenutak i usporedba s teorijskim predviđanjima (sada ova vrsta mjerenja čini cijeli poseban odjel metrologije i kvantne elektrodinamike).

U istom članku iz 1973. godine, spomenuta je i mogućnost zamiranja pojedinih iona. Za razliku od pojedinačnih elektrona, ioni su zanimljivi po tome što imaju brojne unutarnje stupnjeve slobode, a nakon što je uhvaćen takav ion u zamku, moguće je proučavati gore i dolje. Prema tom cilju 1975. godine razvijena je Dopplerova metoda za hlađenje iona (uključujući i Vineland). U ovoj metodi, ioni ili atomi sjaju laserskom zrakom s frekvencijom koja je vrlo blizu rezonantnog raspršivanja, no samo oni koji se kreću velikom brzinom prema svjetlosnoj zraci, raspršuju svjetlost, gube energiju i time se ohlade. Ova je tehnika provedena 1978. u pokusima Vineland grupe s Mg ionima.+ i u eksperimentima grupe Toshek s Ba ionima+, U oba slučaja, međutim, to su bili oblaci s nekoliko desetaka iona, no nakon nekoliko godina zabilježeni su pojedini ioni i započeli su proučavanje njihove spektroskopije (radovi grupe Toshek 1980. i Vineland-Itano 1981.). U ovim je člancima, usput rečeno, fluorescentni sjaj jednoga iona savršeno vidljiv u mikroskopu.

U oba predmeta 1980-1981. Temperatura iona u zamci procijenjena je na nekoliko desetaka milikelvinova, i još je malo previše za zaustavljanje iona (točnije, da se prenese u stanje s najnižim mogućim translacionim kretanjem). Daljnji napredak u ovom području bio je povezan s novom tehnikom hlađenja, koju je razvio i implementirao Vineland, koji se zove hlađenje bočnim trakom (na engleskom jeziku hlađenje bočnim trakom). Vrijedi više detalja.

Oblak elektrona u atomu ili ionu ima veliki niz mogućih opcija kako se "spakirati" oko jezgre i kako organizirati vrhove elektrona. Varijabla koja ima najmanju energiju naziva se tlačna stanja, ona je stabilna, a inačice s većom energijom (uzbuđena stanja) nakon nekog vremena pretvaraju se u osnovno stanje emisijom fotona.Osim toga, ako je atom unutar zamke, njezino se translativno kretanje također kvantizira, tj. Može imati i strogo specifičan oblik. Ovo kretanje ima osnovno stanje u kojem se ion praktički zamrzava u sredini zamke (ima samo neizrecivi kvantni podrhtavanje, nazvan "nulte oscilacije") i cijela ljestvica uzbudenih stanja koja reagiraju na pomicanje naprijed-nazad sve većom amplitudom. Energija ekscitacije ljuske elektrona je nekoliko redova veličine veća od energije uzbude translacijskog gibanja, i stoga energetski spektar iona (u ovoj gruboj aproksimaciji) ima oblik prikazan na slici. 6.

Sl. 6. Pojednostavljeni dijagram energetskog spektra iona: tlo i jedno uzbuđeno stanje elektronske ljuske prikazani su, au oba slučaja zabilježeno je nekoliko uzbuđenih stanja translacijskog gibanja

Sada je zabavan dio. Fizičari su u mogućnosti prenijeti zemaljsko stanje elektronske ljuske na uzbuđeni i baciti ga "ciljanim", upravo u uzbuđenu državu koju želimo, jer za to trebamo jednostavno zasjati svjetlo na atom s željenom valnom duljinom.Ispada da ova kombinacija – mi uzbudimo atom kakav nam je potreban, i izlazi iz ove države kao "on je naviknut", dopuštajući da se naprijed kretanje atoma ohladi (sl. 7).

Sl. 7. Ideja o načinu hlađenja u bočnom pojasu. U koraku 1 uzbudimo školjku elektrona i malo smanjujemo translativno kretanje. U koraku 2, atom "pada" u osnovno stanje elektronske ljuske, bez mijenjanja translacijskog gibanja. Kada dođemo do dna "ljestve", ion, koji je u temeljnom stanju elektronske ljuske i translacijskog gibanja, ne može ići nigdje.

Da bismo to učinili, uzimamo atom ili ion u zemaljskom stanju elektrona i s velikim translacijskim gibanjem i prenesemo ga u stanje uz uzbuđenu školjku elektrona (obično to je samo spin flip vanjskog elektrona), ali s nešto manji pokret, Nakon nekog vremena, atom osvjetljava foton i "pada" u zemaljsko stanje elektronske ljuske, a translacijsko kretanje se ne mijenja. Neto rezultat ovog procesa u dva koraka je da se translacijsko kretanje neznatno smanjilo.Ponavljanjem ovog postupka, vremenom možemo potpuno ugasiti translacijsko gibanje, "sadnju" atoma u osnovnom stanju (tako da ostaju samo nula oscilacije). I "sjetve" u ovoj državi, atom više neće biti uzbuđen, jer jednostavno nema skok.

U praktičnoj provedbi ove ideje, naravno, bilo je dosta tehničkih suptilnosti – naročito, uzbuđeni atom mora "pomoći" da brzo ukloni pobuđivanje kako bi se postigla željena brzina hlađenja. Intenzivan rad tijekom nekoliko godina dozvolio Vinelandu i osoblju da ih prevlada, a 1989. pojavio se članak o postizanju osnovnog kvantnog stanja translacijskog gibanja živinog iona. Istina, u ovom članku lokalizacija je postignuta samo u poprečnoj ravnini, a kvantizirani gibanje duž osi postava još nije bio dostupan. Međutim, nekoliko godina kasnije, 1995. Vinelandova skupina postigla je istinsku trodimenzionalnu lokalizaciju jednog iona u kvantnom stanju zemlje.

Tako je 1995. epska epizoda, koja je trajala desetljećima, bila dovršena – uglavnom zbog postignuća Vineland grupe – na potpunu kvantnu lokalizaciju jednog iona.

Kvantna informatika kao eksperimentalna znanost

Čim je translacijsko gibanje iona u zamci u potpunosti pokorilo istraživačima, odmah su se provele neuobičajene kvantno-mehaničke situacije, koje su do tada bile čisto hipotetske. Također, 1995. Vinelandova skupina postavila je ion u stanje kvantne superpozicije translacijskog gibanja – kad ion ne staje i ne pomiče, ali istodobno stoji i pomiče (neka vrsta monatomske verzije Schrodingerove mačke). Da bi se to postiglo, ista je tehnika korištena za prijenos stanja između glavnih i uzbudljivih energetskih vrpci. Isprva, elektronna ljuska atoma prenesena je iz čisto tlačne države na stanje superpozicije tla i uzbuđenih stanja. "Uzbuđeni dio" zatim "pao" na osnovno elektroničko stanje, ali s drugačijim prijevodnim pokretom. Rezultat je bio stanje atoma s elektronskom ljuskom u osnovnom stanju, ali s superpozicijom translacijskog gibanja.

Taj je rad bio najvažniji korak u transformaciji fizike kvantnih informacija iz čisto teoretske u eksperimentalnu znanost. Fizici su tada davno sanjali da ne samo učiti manipulirati kvantnim stanjem unutar jednog atoma,ali i prenijeti kvantne podatke s jednog atoma u drugi je jedan od prvih koraka ka stvaranju kvantnog računala. Rad Vinelandove skupine iz 1995. godine (koji se, usput rečeno, zvao "Demonstracija temeljnih kvantnih logičkih vrata") pokazao je kako se to može učiniti. Kvantna superpozicija, koja je i dalje "živjela" unutar iona, sada se može pretvoriti u nešto "vanjsko", u superpoziciju translacijskog gibanja. To znači da ako postoji drugi takav ion u blizini, koji je neizbježno povezan s prvim zbog elektrostatske interakcije, onda će je moći vidjeti i pretvoriti ga u svoju unutarnju superpoziciju bez gubitka koherentnosti (što je postignuto 2003. godine). Linearni lanac takvih atoma, koji visi u području periodičke zamke, tada može obavljati sve funkcije kvantnog računala (Slika 8).

Sl. 8. Shematski dijagram kvantnog računala na lanac hladnih iona zarobljen u periodičnoj zamci. Posebno pripremljeni svjetlosni impulsi kontroliraju logičke operacije između iona, a osjetljiva kamera detektira emisiju pojedinačnih iona i time očitava rezultat operacija.Slika iz članka Blatt, Wineland, Nature 453, 1008 (19. lipanj 2008)

Nakon ovog postignuća, eksperimentalne metode u fizici kvantnih informacija (ili bolje, u ionskoj realizaciji) počele su se razvijati kao lavina. Godine 1998. Vineland je postigao kvantni zaplet dvaju prostorno odijeljenih iona – ponovo kroz superpoziciju translacijskog gibanja. U dvadesetim godinama nekoliko istraživačkih skupina postiglo je kontrolirano kvantno zapletanje nekoliko iona. Danas je implementiran 14-ionski kvantni zaplet, kao i mnoge logičke operacije potrebne za funkcioniranje kvantnog kalkulatora (vidi Blatt i Vinelandov pregledni članak za 2008. godinu).

Vrlo precizni satovi

Čak i u zoru razvoja gore opisanih metoda jasno je da hvatanje i kvantna kontrola pojedinih iona mogu imati dalekosežne praktične primjene. S jedne strane, duboko ohlađene pojedinačne kvantne čestice mogu postati supersenzibilni senzor vanjskih poremećaja. S druge strane, uporaba atomskog prijelaza koji nisu osjetljivi na vanjske poremećaje omogućit će stvaranje novog ultra stabilnog frekvencijskog standarda. Vineland grupa sada, između ostalog, radi na ovom zadatku, koristeći sve iste zarobljene ione.Prije dvije godine, primjerice, prijavili su stvaranje optičkog sata, čija je stopa mjerena s relativnom točnošću 10-17, Sada je preciznost kretanja na razini 10 već opisana u literaturi.-18 i bolje (pogledajte pregled 2011).

Praktična upotreba ultrapreciznog frekvencijskog standarda omogućuje vam uočavanje i korištenje iznimno slabih fizičkih efekata u praktične svrhe. Živi primjer ovdje je još jedan član Vineland grupe prije dvije godine, zahvaljujući kojemu je učinak opće teorije relativnosti (!) Može se primijeniti u geodeziji i hidrologiji (!) Zahvaljujući uporabi ultrapreciznim atomskim satovima. Stvar je u tome da, prema općoj teoriji relativnosti, vrijeme teče različito u gravitacijskom polju različitih napetosti. Kada se kreće od površine Zemlje, gravitacijsko polje počinje slabiti, pa će se brzina sata, koja se nalazi na različitim visinama, razlikovati. Vineland Grupa izvještava da je uspjela primijetiti ovu odstupanja kada je visinska razlika manja od 1 metar!

Takva bliska povezanost između različitih grana fizike i njihov neočekivani pristup praktičnim primjenama karakteristično je obilježje moderne znanosti.A ako govorimo o praktičnim prednostima temeljne fizike, tada djela sadašnjih dobitnika Nobelove nagrade još jednom potvrđuju valjanost teze: uz pomoć temeljne znanosti pronalazimo i primjenjujemo u praksi nove prirodne pojavekoje jednostavno nismo mogli pogađati, zaglavljeni u okviru "inovativnih" ili "racionalizacijskih" prijedloga temeljenih na staroj fizici.

Literatura i linkovi:

Ključni članci Sergeja Arosha:

  • P. Goy, J.M. Raimond, M.Gross i S. Haroche. Promatranje spontane emisije pojedinačno-atomske šupljine // Phys. Rev. Leti. 50, 1903 (1983).
  • W. Jhe, …, S. Haroche. Dodatak spontanog raspada na optičkoj frekvenciji u zatvorenom prostoru // Phys. Rev. Leti. 58, 666 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Realizacija oscilaatora masera dva fotona // Phys. Rev. Leti. 59, 1899 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Promatranje progresivne neodlučnosti mjerila u kvantnoj mjeri // Phys. Rev. Leti. 77, 4887 (1996).
  • S. Gleyzes, …, S. Haroche. Kvantne skokove fotona u šupljini // priroda 446, 297 (15. ožujka 2007.).
  • S. Deleglise, …, S. Haroche. Rekonstrukcija stanja klasičnih šupljina s snimkama // priroda 455, 510 (25. rujan 2008.).

Ključni članci David Vineland:

  • D. J. Wineland, R.E. Drullinger i F.L. Walls. Hlađenje zračenja pritiska zračenja vezanih resonantnih apsorbera // Phys. Rev. Leti. 40, 1639 (1978).
  • D. J. Wineland i Wayne M. Itano. Spektroskopija jednog Mg+ Ion // Phys. Leti. 82, 75 (1981).
  • F. Diedrich, J.C. Bergquist, W.M. Itano i D.J. Wineland. Lasersko hlađenje do nulte točke energije pokreta // Phys. Rev. Leti. 62, 403 (1989).
  • C. Monroe, …, D.J. Wineland. Raman hlađenje Resurrecting-sideband Atom 3D Zero-točka energije // Phys. Rev. Leti. 75, 4011 (1995).
  • C. Monroe, …, D.J. Wineland. Demonstracija temeljne kvantne logičke porta // Phys. Rev. Leti. 75, 4714 (1995).
  • P. A. Turchette, D. J. Wineland. Determinističko udubljenje dvaju zarobljenih iona // Phys. Rev. Leti. 81, 3631 (1998).
  • W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, D.J. Wineland. Optički satovi i relativnost // znanost 329, 1630 (24. rujna 2010).

Korisni linkovi:

  • Informacije na web stranici Nobelovog odbora.
  • M. Schirber. Nobelova nagrada – alati za kvantno miješanje // fizika 5, 114 (2012).
  • Ion Storage Group, na čelu s Winelandom. Sadrži, između ostalog, PDF datoteke većine članaka u grupi.
  • 2012 Nobelove nagrade za fiziku – izbor publikacija S. Aros i D. Vineland u časopisima Američkog instituta za fiziku.
  • Kvantna elektrodinamika je stranica skupine koja proučava kvantnu elektrodinamiku u rezonatoru kojeg vodi Serge Aros. Postoje i materijali iz konferencije Atoma, Cavities i Photons posvećen 65. obljetnici Sergea Aroscha, koji sadrži zanimljive recenzije povijesti razvoja ovog područja fizike.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: