Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki - 2012 • Igor Ivanov • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Nagrody Nobla, fizyka

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki – 2012 r

Ryc. 1. Serge Arosh i David Weinland – Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2012. Zdjęcie z nobelprize.org

9 października 2012 r. Komitet Noblowski ogłosił przyznanie Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki Serge'owi Aroshowi i Davidowi Vinelandowi za "przełomowe metody eksperymentalne, które umożliwiły pomiar indywidualnych systemów kwantowych i ich kontrolę".

Czasami zdarza się, że Nagroda Nobla jest przyznawana za jedno, jednocześnie dokonane odkrycie, co było dobrym domysłem lub genialnym wglądem. Jednak rewolucja w fizyce nie zawsze tak łatwo się dzieje; coraz częściej okazuje się, że trudności stoją na drodze do celu jeden po drugim i za każdym razem trzeba dokonać nowego przełomu. Taki opis w pełni odnosi się do dzieł Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2012 – Francuza Serge'a Aaroche (Serge Haroche) i amerykańskiego Davida Vinelanda (David Wineland). Odegrali kluczową rolę w wielkich osiągnięciach fizyki eksperymentalnej ostatnich dziesięcioleci – kontroli nad stanem kwantowym poszczególnych cząstek elementarnych. Nie zrobiono tego jednak natychmiast, ale na kilku kluczowych etapach, które rozciągnęły się na trzeci wiek i zakończyły się głośnymi wynikami (w tym praktycznymi zastosowaniami) obu zwycięzców dosłownie w ostatnich latach.

Zanim przejdziemy do szczegółowej historii, warto podkreślić kilka interesujących punktów, które łączą badania nad Arosha i Vineland. Arosh pracuje ze stanami kwantowymi pojedynczych fotonów złapanych w rezonatorze i trwale odłączonych od świata zewnętrznego. Vineland działa w stanach kwantowych pojedynczych jonów uwięzionych, a także izolowany od chaotycznych wpływów zewnętrznych. Ale jednocześnie Arosh używa atomów do obserwacji stanu fotonu, a Vineland używa fotonów do manipulowania stanami jonów. Obie metody pozwalają na przeprowadzanie eksperymentów, które pół wieku temu mogą być uznane tylko „eksperyment myślowy”, i zbadać, jak odnoszą się do siebie kwantowej i klasycznej świata. I wreszcie, Arosh i Vineland są starymi i dobrymi przyjaciółmi.

Cuda z fotonami: prace Serge'a Arosha

Rezonatory Ultra-Q

Badania Serge Arocha dotyczą optyki kwantowej – gałąź fizyki studiując właściwości kwantowe pojedynczych fotonów, „elementarnych części” światła. Zwykle fotony są używane tylko jako jednorazowe "posłańcy" – są emitowane u źródła, latają do fotodetektora i są tam pochłaniane.Jeśli coś im się stanie po drodze, dowiemy się o tym dopiero po ich "śmierci". Życie takiego fotonu jest ulotne, nie może być przechowywane i badane przez długi czas. I Serge Arosh postawił sobie właśnie ten cel – nauczyć się trzymać jeden foton przez dość długi czas w układzie eksperymentalnym i podczas tego czasu, aby go dokładnie zbadać.

Zasadniczo możliwe jest trzymanie fotonu przez zmuszanie go do poruszania się w przód i w tył pomiędzy dwoma wklęsłymi zwierciadłami super wysokiej jakości (wklęsłość lusterek nie pozwala fotonowi przesunąć się na bok). To prawda, że ​​wyrażenie "pędzi w tę iz powrotem" nie oddaje dokładnie sytuacji. Kiedy długość fali świetlnej jest porównywalna z odległością między zwierciadłami, foton nie porusza się między zwierciadłami, ale jakby drżąc, zamarza między nimi – okazuje się, że stojąca fala świetlna spoczywa na zwierciadłach. Ten system luster nazywa się rezonator (w literaturze angielskiej termin ten jest używany jama "jama").

Jakość utrzymania fotonu charakteryzuje się dobra jakość rezonator, Q. Liczba ta pokazuje, w przybliżeniu, ile razy foton odbija się od luster, zanim w jakiś sposób wypełni się (lub dokładniej, ile razy czas przebywania fotonu jest dłuższy niż okres oscylacji fali świetlnej).Oczywiste jest, że współczynnik jakości jest krytycznie zależny od odbicia luster: im bliższy współczynnik odbicia do jedności, tym wyższy współczynnik jakości.

Ryc. 2 Jedno z luster miedzianego rezonatora mikrofalowego z nadprzewodnikową powłoką niobu o rekordowej jakości Q = 4,2 · 1010. Rezonator został wyprodukowany w laboratorium Serge'a Aroscha (S. Kuhr i inni, Appl. Phys. Lett. 90, 164101 (2007)); czas życia fotonu mikrofalowego wynosił 0,13 sekundy

W zakresie mikrofal (długości fal rzędu milimetrów lub centymetrów), dzięki zastosowaniu nadprzewodników, możliwe jest uzyskanie wyjątkowo dobrego odbicia. Już w latach 70. i 80. XX wieku do dyspozycji fizyków pozostały miliony dobrych rezonatorów, ale teraz osiągają one już dziesiątki miliardów (ryc. 2). W takim rezonatorze foton mikrofalowy będzie "żył" w dziesiątych częściach sekundy – ogromna ilość czasu dla współczesnej fizyki eksperymentalnej. W tym czasie można, bez pośpiechu, generować foton i wpływać na niego, a "skanować" jego stan (jak to zrobić, zostanie opisany poniżej). Najważniejsze jest to, że fotony przeniosły się do kategorii "cząstek", które żyją długo w obrębie układu eksperymentalnego, "cząstek", na których można już przeprowadzić wiele eksperymentów.

Kwantowa elektrodynamika w rezonatorze

I tu w tej historii pojawia się "zwrot", bardzo charakterystyczny dla współczesnej fizyki. Stworzenie rezonatorów wysokiej jakości – takie pozornie całkowicie techniczne osiągnięcie – otworzyło dla fizyków nową sekcję fizyki podstawowej rezonatorowa elektrodynamika kwantowa (w języku angielskim elektrodynamika kwantowa jamy, CQED). To pozwoliło nam na przeprowadzenie takich eksperymentów z fotonami, które dosłownie "sondowały" same podstawy fizyki kwantowej i pozwoliły nam ponownie zbadać tajemnicze przejście między kwantowym i klasycznym zachowaniem cząstek (patrz artykuł przeglądowy: G. Walter. Monatomiczny maser i inne eksperymenty na kwantowej elektrodynamice rezonatora / / UFN 166, 777 (1996)).

Jednym z najbardziej uderzających przykładów takich eksperymentów, przeprowadzonych w grupie Serge'a Arosha, jest eksperymentalna demonstracja, że ​​żywotność pojedynczego wzbudzonego atomu można znacznie zmienić, umieszczając go w takim rezonatorze.

Inscenizacja tego doświadczenia jest prosta, a wynik na niedoświadczonym wyglądzie jest po prostu niesamowity. Między dwoma lusterkami pusty Rezonator (czyli bez fotonów w środku) leci przez atom będący w stanie wzbudzonym.Ogólnie, wzbudzone atomy są niestabilne, a po krótkim czasie elektron w nim przeskakuje na niższy poziom, emitując foton. Wydawałoby się, że to spontaniczne promieniowanie jest czysto wewnątrzatomowym procesem, a czas życia stanu wzbudzonego jest własną charakterystyką atomu. Okazuje się jednak, że podczas lotu przez pusty rezonator atom może przyspieszyć lub odwrotnie spowolnić proces "flashowania" fotonu!

Proponuję jeszcze raz zastanowić się nad tą sytuacją. Podekscytowany atom znajduje się w próżni, nikt go "nie dotyka" (ściany rezonatora są oddalone o centymetr od atomu!), Nie są pod wpływem zewnętrznych pól elektromagnetycznych. Jesteśmy po prostu ogranicz próżnię wokół niego – i to wystarczy, aby zapobiec lub, przeciwnie, przyczynić się do emisji fotonu.

Z punktu widzenia codziennej intuicji sytuacja jest dość niezwykła. Przyzwyczailiśmy się do tego, że wynik może tylko wywierać bezpośredni wpływ na obiekt: albo poprzez bezpośredni kontakt z nim, albo poprzez pola siłowe. I tutaj okazuje się, że zabraniamy lub "zachęcamy" do rozpadu, bez jakiegokolwiek działania na atomie!

Rozwiązaniem tego pozornego paradoksu są obiekty kwantowe nielokalnynie są punktowe. W szczególności, gdy atom emituje foton, ten foton wcale nie wylatuje. prosto z atomu (ryc. 3). Foton optyczny jest zasadniczo niemożliwy do zlokalizowania z dokładnością atomową. Właśnie dlatego atomy i cząsteczki nie są widoczne pod mikroskopem optycznym i właśnie z tego powodu nie ma sensu pytać, na przykład, z której części złożonej cząsteczki (powiedzmy cząsteczki barwnika) foton leci, kiedy emituje. Podstawową przyczyną tego jest to, że oddziaływanie elektromagnetyczne jest raczej słabe, a więc stała struktura drobnej struktury jest mała.

Ryc. 3 Schematyczne przedstawienie tego, jak wzbudzony atom emituje foton. Standardowy obraz fotonu wychodzącego jako obiektu zlokalizowanego na skali atomowej (u góry), daje bardzo zły pomysł "początkowego rozmiaru" fotonu. O wiele bardziej korzystny byłby obraz, w którym foton jest przedstawiony jako chmura o wymiarach znacznie większych niż atomowy (poniżej)

Bardziej słuszne jest wyobrazić sobie proces promieniowania, jak gdyby foton pojawił się natychmiast w pewnej objętości wokół atomu, a następnie rozszerzył się we wszystkich kierunkach (ryc. 3).Ta objętość jest o rząd wielkości większa niż objętość samego atomu, a wzrasta jeszcze bardziej wraz ze wzrostem długości fali fotonu, to znaczy ze spadkiem różnicy między poziomami energii, pomiędzy którymi nastąpiło przejście. Dlatego, jeśli jakiekolwiek obce obiekty znajdują się w tej objętości, do której przyszły foton może "złapać", wówczas mogą zmienić prędkość swojego promieniowania.

W eksperymentach Arosha zastosowano specjalne wysoko wzbudzone atomy (są to tak zwane stany atomowe Rydberga). W nich różnica poziomów energii, pomiędzy którymi następuje przejście, jest tak mała, że ​​długość fali emitowanego fotonu jest dość makroskopowa – milimetry i centymetry. Chociaż sam atom jest malutki, ale kiedy "próbuje" emitować foton, "bada sytuację" w centymetrach.

Rezonator używany przez Aroshem miał porównywalną wielkość, co pozwoliło mu wpływać na szybkość zaniku. Na przykład w bardzo małym rezonatorze emitowany foton po prostu nie pasowałby – i sam ten fakt zapobiega jego promieniowaniu, stabilizuje stan wzbudzenia. Jeżeli rozmiar rezonatora jest tak dobrany, że foton pasuje do niego równomiernie, wtedy jeszcze wygodniej będzie emitować taki foton,prawdopodobieństwo promieniowania wzrasta gwałtownie (ryc. 4).

Ryc. 4 Szybkość emisji fotonów przez wzbudzony atom w nieograniczonej przestrzeni jest określana tylko przez wewnętrzne procesy atomowe (po lewej). Jeśli jednak atom znajduje się w rezonatorze, wówczas promieniowanie może być silnie lub silnie tłumione (w środku) lub dramatycznie zwiększyć (po prawej)

Aby być uczciwym, należy stwierdzić, że efekt ten nie był dla fizyków niespodzianką. Takie zachowanie teoretycznie przewidywał Edward Purcell w 1946 r., A pierwsze eksperymentalne wskazówki dotyczące takich zachowań pojawiły się na początku lat siedemdziesiątych. To prawda, że ​​chodziło o emisję cząsteczek położonych pomiędzy dwoma płaskimi zwierciadłami, a efekt był raczej "brudny". Serge Arosh i jego personel osiągnęli znacznie silniejszy i czystszy efekt: w artykule z 1983 roku informują o około pięciuset (!) Przyśpieszeniu promieniowania fotonowego. Jeszcze raz poczuj zapał: blask nasilił się tylko dlatego, że w odpowiedni sposób ograniczyliśmy przestrzeń w próżni wokół grzejnika!

Cztery lata później efekt został wykazany od razu przez kilka grup badawczych w zakresie optycznym, ponadto, zarówno w kierunku wzmocnienia, jak i osłabienia promieniowania dziesięciokrotnie.Bez przesady można powiedzieć, że rozpoczęła się era manipulowania tempem procesów wewnątrzatomowych. Opis sytuacji z roku 1989 można znaleźć w popularnym artykule Arosha i Kleppnera w czasopiśmie Fizyka dzisiaj. A grupa Serge'a Arosha, tymczasem, ruszyła dalej …

Liczenie fotonów i wyników fajerwerków

Jeśli chodzi o eksperymenty z jedną lub więcej cząsteczek, rodzi się naturalne pytanie: jak zmierzyć liczbę cząstek? Dla elektronów, powiedzmy, odpowiedź jest prosta: konieczne jest zmierzenie ładunku elektrycznego obiektu i podzielenie go na ładunek jednego elektronu. Jak zmierzyć, ile fotonów "utknęło" między lustrem rezonatora?

Problem z fotonami polega na tym, że są one łatwo wchłaniane. Jeśli istnieje ogromna liczba fotonów, to jest to mało znaczące – w ten sposób natężenie klasycznego pola elektrycznego lub magnetycznego mierzone jest za pomocą ładunków testowych. Ale kiedy jest mało fotonów, nie jest dobrze je wchłonąć – to całkowicie zmienia stan mierzonego obiektu. Może jakoś sobie z tym poradzisz? Okazuje się, tak. W mechanice kwantowej nie wszystkie pomiary w ogóle zmieniają stan układu; Istnieją tak zwane kwantowe pomiary nieniszczące (w języku angielskim Pomiary kwantowe nierozbicia), którzy sobie poradzą bez tego (zresztą ten typ pomiaru zaproponował radziecki fizyk Władimir Braginski).

W 1990 r. Opublikowano artykuł autorstwa Arosha i współautorów, w którym zaproponowano specjalny schemat nieniszczącego pomiaru liczby fotonów w rezonatorze. Aby to zrobić, autorzy ponownie proponują użycie specjalnie przygotowanych atomów, które przelatują przez rezonator. Tylko tym razem rezonator odgrywa inną rolę: nie prowadzi do emisji ani absorpcji fotonów, ale nieznacznie zmienia poziomy energii atomu o pewną ilość w zależności od liczby fotonów. Przesunięcie poziomów energii (które występuje tylko podczas przejścia przez rezonator) nieznacznie zmienia stan wyjściowego atomu, mierząc, który z nich może "liczyć fotony".

Ryc. 5 Bezpośrednia obserwacja narodzin, życia i zniknięcia pojedynczego mikrofalowego fotonu, który pojawił się w rezonatorze przez około pół sekundy. Czerwone i niebieskie kreski reagować na wyniki powtarzanego eksperymentu na transmisję atomu przez rezonator i pomiar jego stanu wyjściowego; czerwony Przypadki są pokazane, gdy wyjściowy atom był w warunku oznaczonym konwencjonalnie e i odpowiadający jednemu fotonowi w rezonatorze, niebieski – w stanie g (zero fotonów w rezonatorze). Zdjęcie z artykułu Quantum skacze w świetle w jamie // Natura 446, 297 (2007)

Wdrożenie tego pomysłu napotkało jednak poważne trudności techniczne, które zostały pokonane dopiero w 2007 roku. Ale w ciągu kilku miesięcy grupa Arosha wykonała kilka błyskotliwych badań, które pozwoliły im na świeże spojrzenie na podstawowe zjawiska kwantowe.

  • Marzec 2007: możliwe jest prześledzenie wyglądu i zniknięcia pojedynczego fotonu w rezonatorze (ryc. 5).
  • Sierpień 2007: stopniowe "zapadanie się" siedmio-fotonowego stanu początkowego, w którym jasne jest, jak fotony znikają jedna po drugiej z rezonatora przez pół sekundy.
  • Wrzesień 2008: obserwacja stanów typu "kot Schrödingera", gdy w rezonatorze nie ma pewnej liczby fotonów, ale superpozycja stanu trójfotonowego i czterofotonowego.
  • Październik 2008: obserwacja kwantowego efektu Zenona w rezonatorze (kwantowy efekt Zeno polega na uderzającej własności mechaniki kwantowej, że ciągła obserwacja rozpadającego się systemu "zamraża" jego rozpad).

Prawdziwe fajerwerki! Oczywiście grupa Arosha nie zamierza na tym poprzestać, ale otwiera coraz więcej nowych zastosowań opracowanych metod eksperymentalnych. Na przykład miesiąc temu wyszedł inny artykuł, w którym efekt kwantowy Zeno nie jest obserwowany, ale jest już używany do ręcznej kontroli ewolucji kwantowej pola fotonowego w rezonatorze i do uzyskania egzotycznych stanów kwantowych pola elektromagnetycznego.

Podsumowując, pod tą częścią opowieści można przypomnieć, że słynna dyskusja Nielsa Bohra i Alberta Einsteina na temat fizycznej istoty mechaniki kwantowej obracała się, między innymi, wokół eksperymentu mentalnego z "pojedynczym fotonowym pudełkiem". Praktyczna implementacja takiego pudełka, a także wiele subtelniejszych manipulacji kwantowych za pomocą fotonów, była po prostu niemożliwa z technicznego punktu widzenia w tym czasie. Serge Arosh stał się kluczową postacią, dzięki której zaimplementowano podobne mentalne eksperymenty kwantowo-mechaniczne.

Monatomic Quantum Surgery: The Work of David Vineland

Manipulowanie stanem kwantowym pojedynczego jonu jest nie mniej trudne z technicznego punktu widzenia. Oczywiście atomy w przeciwieństwie do fotonów nie znikają nigdzie iw tym sensie łatwiej z nimi pracować.Z drugiej jednak strony długość fali atomu (pamiętajmy, że w świecie kwantowym każda cząstka odpowiada pewnemu procesowi falowemu), gdy porusza się z normalną prędkością, jest bardzo mała. Dlatego efekty kwantowe związane z ruchem translacyjnym (to jest ruchem atomu jako całości), w zwykłych temperaturach, nie są zauważalne. Aby zauważyć kwantyzację ruchu translacyjnego, potrzebny jest pojedynczy atom lub jon nie tylko do wychwytywania, ale także do schłodzenia do bardzo niskich temperatur, rzędu millikelvin i niższych.

Zalewanie i chłodzenie pojedynczego jonu

W zasadzie technologia pułapek jonowych, w której naładowane cząstki są utrzymywane w centrum przez naprzemienne pole elektromagnetyczne o pewnym kształcie, została opracowana pół wieku temu. Przyniosła nawet swoim twórcom, Wolfgangowi Paulowi i Hansowi Demeltowi, połowę nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 1989 (szczegóły w wykładach Nobla: V. Paul, pułapki elektromagnetyczne na naładowane i neutralne cząsteczki // UFN 160, 109-127 (1990) i H. Demelt. Eksperymenty z niespokojną cząstką elementarną izolowaną // UFN 160, 129-139 (1990)). W 1973 Vineland, Ekstrom i Demelt zgłosili pierwsze eksperymenty z pojedynczym elektronem uwięzionym w takiej pułapce.Demelt wymyślił piękną nazwę dla tego systemu, "geonium", rodzaj sztucznego analogu atomu, w którym elektron jest w związanym stanie z Ziemią (oczywiście za pomocą pułapki). Celem tych eksperymentów było zbadanie wewnętrznych charakterystyk elektronu, w szczególności jego anomalnego momentu magnetycznego i jego porównania z teoretycznymi prognozami (teraz ten typ pomiaru stanowi cały odrębny rozdział metrologii i elektrodynamiki kwantowej).

W tym samym artykule z 1973 r. Wspomniano również o możliwości uwięzienia poszczególnych jonów. W przeciwieństwie do pojedynczych elektronów jony są interesujące, ponieważ mają liczne wewnętrzne stopnie swobody, a po złapaniu takiego jonu w pułapkę można go badać w górę iw dół. W tym celu w 1975 roku opracowano metodę Dopplera dla jonów chłodzących (w tym Vineland). W tej metodzie jony lub atomy lśnią wiązką laserową o częstotliwości bardzo zbliżonej do rozpraszania rezonansowego, ale tylko te, które poruszają się z dużą prędkością w kierunku wiązki światła, rozpraszają światło, tracą energię i tym samym chłodzą. Technika ta została wdrożona w 1978 roku w eksperymentach z grupą Vineland z jonami Mg.+ oraz w eksperymentach grupy Toshek z jonami Ba+. W obu przypadkach były to jednak chmury z kilkadziesiąt jonów, ale po paru latach złapano pojedyncze jony i rozpoczęto badania ich spektroskopii (prace grupy Toshek w 1980 r. I Vineland-Itano 1981 r.). W tych artykułach zauważono przy okazji, że fluorescencyjne jarzenie pojedynczego jonu jest doskonale widoczne w mikroskopie.

W obu artykułach z lat 1980-1981 temperatura jonów w pułapce była szacowana na kilkadziesiąt milikelvinov, a było jeszcze trochę za dużo, aby zatrzymać jon (dokładniej, aby przenieść go do stanu o najniższym możliwym ruchu do przodu). Dalszy postęp w tej dziedzinie wiązał się z nową techniką chłodzenia opracowaną i wdrożoną przez Vineland, która jest nazywana chłodzenie boczne (w języku angielskim chłodzenie boczne). Warto zatrzymać się bardziej szczegółowo.

Chmura elektronów w atomie lub jonie ma duży zestaw możliwych opcji "pakowania" się wokół jądra i organizowania spinów elektronów. Wariant o najniższej energii nazywany jest stanem podstawowym, jest stabilny, a warianty o wyższej energii (stany wzbudzone) po pewnym czasie zamieniają się w stan podstawowy z emisją fotonu.Ponadto, jeśli atom znajduje się w pułapce, wówczas jego ruch translacyjny jest również kwantyzowany, to znaczy, że może również mieć ściśle określoną postać. Ruch ten ma stan podłoża, w którym jon praktycznie zamarza w środku pułapki (ma tylko nieomylny jitter kwantowy, nazywany "zerowymi oscylacjami") i całą drabinę stanów wzbudzonych, które reagują na poruszanie się w tę iz powrotem z coraz większą amplitudą. Energia wzbudzenia powłoki elektronowej jest kilka rzędów wielkości większa niż energia wzbudzenia ruchu translacyjnego, a zatem widmo energii jonu (w tym przybliżonym przybliżeniu) ma postać pokazaną na ryc. 6

Ryc. 6 Uproszczony schemat widma energetycznego jonu: ziemia i jeden stan wzbudzony powłoki elektronowej są pokazane, aw obu przypadkach zanotowano kilka stanów wzbudzonych ruchu translacyjnego

Teraz zabawna część. Fizycy są w stanie przenieść stan ziemi powłoki elektronowej do wzbudzonego i rzucać go "celowo", dokładnie do stanu wzbudzonego, którego chcemy, do tego musimy po prostu zabłysnąć światło na atom o pożądanej długości fali.Okazuje się, że ta kombinacja – pobudzamy atom tak, jak tego potrzebujemy, i wychodzi on z tego stanu, jak "jest do tego przyzwyczajony", pozwalając na ochłodzenie ruchu atomów do przodu (ryc. 7).

Ryc. 7 Idea metody chłodzenia w paśmie bocznym. W kroku 1 pobudzamy powłokę elektronową i nieznacznie redukujemy ruch translacyjny. W kroku 2 atom "wpada" w stan masy skorupy elektronowej, bez zmiany ruchu translacyjnego. Kiedy docieramy do dna "drabiny", jon, który znajduje się w stanie podstawowym zarówno powłoki elektronowej, jak i ruchu translacyjnego, nie może nigdzie się udać.

Aby to zrobić, bierzemy atom lub jon w zmielonym stanie elektronowym iz dużym ruchem translacyjnym i przenosimy je do stanu z wzbudzoną powłoką elektronową (zwykle jest to tylko spinowe odwrócenie zewnętrznego elektronu), ale z nieznacznie mniejszy ruch. Po jakimś czasie atom oświetla foton i "wpada" w stan podłoża skorupy elektronowej, a ruch translacyjny się nie zmienia. Wynik netto tego dwuetapowego procesu polega na tym, że ruch translacyjny nieco się zmniejszył.Powtarzając tę ​​procedurę za każdym razem, możemy całkowicie ugasić ruch translacyjny, "zasadzając" atom w stanie podstawowym (tak, że pozostają tylko oscylacje zerowe). I "sianie" w tym stanie, atom nie będzie już podniecony, ponieważ po prostu nie ma gdzie skakać.

W praktycznym zastosowaniu tego pomysłu było oczywiście sporo technicznych subtelności – w szczególności wzbudzony atom musiał "pomóc" szybko usunąć wzbudzenie, aby osiągnąć pożądaną szybkość chłodzenia. Intensywna praca na przestrzeni kilku lat pozwoliła Vinelandowi i personelowi na pokonanie ich, aw 1989 r. Pojawił się artykuł opisujący osiągnięcie podstawowego stanu kwantowego ruchu translacyjnego jonu rtęci. To prawda, że ​​w tym artykule lokalizacja została osiągnięta tylko w płaszczyźnie poprzecznej, a skwantyzowany ruch wzdłuż osi konfiguracji nie był jeszcze dostępny. Jednak kilka lat później, w 1995 roku grupa Vineland osiągnęła prawdziwą trójwymiarową lokalizację pojedynczego jonu w ziemskim stanie kwantowym.

Tak więc w 1995 roku epos, który trwał dziesiątki lat, został ukończony – w dużej mierze dzięki osiągnięciom grupy Vineland – w zakresie całkowitej kwantowej lokalizacji pojedynczego jonu.

Informatyka kwantowa jako eksperymentalna nauka

Gdy tylko ruch translacyjny jonu w pułapce był całkowicie przestrzegany przez badaczy, natychmiast zaimplementowano niezwykłe sytuacje kwantowo-mechaniczne, które do tej pory pozostały czysto hipotetyczne. Również w 1995 r. Grupa Vineland umieściła jon w stanie kwantowej superpozycji ruchu translacyjnego – kiedy jon nie stoi nieruchomo i nie porusza się, ale jednocześnie stoi i porusza się (rodzaj monatomicznej wersji kota Schrodingera). Aby to osiągnąć, tę samą metodę zastosowano do przesyłania stanów między głównym i wzbudzonym pasmem energii. Początkowo skorupa elektronowa atomu została przeniesiona ze stanu czysto mielonego do stanu superpozycji stanów gruntowych i wzbudzonych. "Część wzbudzona" następnie "padła" na podstawowy stan elektroniczny, ale z innym ruchem translacyjnym. Rezultatem był stan atomu z powłoką elektronową w stanie podstawowym, ale z superpozycją ruchu translacyjnego.

Praca ta była najważniejszym krokiem w transformacji fizyki informacji kwantowej z czysto teoretycznej do eksperymentalnej. Fizycy przez ten czas od dawna marzyli nie tylko o nauce manipulowania stanem kwantowym wewnątrz pojedynczego atomu,ale także przeniesienie tej kwantowej informacji z jednego atomu do drugiego jest jednym z pierwszych kroków w kierunku stworzenia komputera kwantowego. Praca grupy Vineland z 1995 roku (która, nawiasem mówiąc, została nazwana "Demonstracją fundamentalnej bramy kwantowej") pokazała, jak można to zrobić. Superpozycja kwantowa, która wciąż "żyła" wewnątrz jonu, mogła teraz zostać przekształcona w coś "zewnętrznego" w superpozycję ruchu translacyjnego. Oznacza to, że jeśli w pobliżu znajduje się drugi taki jon, który jest nieodłącznie związany z pierwszym z powodu oddziaływania elektrostatycznego, wówczas będzie on w stanie go dostrzec i przekształcić w jego wewnętrzne superpozycję bez utraty spójności (co osiągnięto w 2003 r.). Liniowy łańcuch takich atomów, który wisi w polu okresowej pułapki, może następnie pełnić wszystkie funkcje komputera kwantowego (ryc. 8).

Ryc. 8 Schematyczny diagram komputera kwantowego w łańcuchu zimnych jonów uwięzionych w okresowej pułapce. Specjalnie przygotowane impulsy świetlne kontrolują logiczne operacje pomiędzy jonami, a czułe kamery wykrywają emisję poszczególnych jonów i odczytują w ten sposób wynik operacji.Zdjęcie z artykułu Blatt, Wineland, Nature 453, 1008 (19 czerwca 2008)

Po tym osiągnięciu eksperymentalne metody w fizyce informacji kwantowej (a raczej w jej realizacji jonowej) zaczęły się rozwijać niczym lawina. W 1998 Vineland osiągnął kwantowe splątanie dwóch przestrzennie oddzielonych jonów – ponownie poprzez superpozycję ruchu translacyjnego. W latach 2000. kilka grup badawczych uzyskało kontrolowane kwantowe splątanie kilku jonów. W dniu dzisiejszym zaimplementowano 14-jonowe splątanie kwantowe, a także wiele logicznych operacji niezbędnych do działania kalkulatora kwantowego (patrz artykuł przeglądowy Blatt and Vineland na rok 2008).

Super precyzyjne zegarki

Na początku rozwoju metod opisanych powyżej jasne było, że wychwytywanie i kontrola kwantowa poszczególnych jonów może mieć daleko sięgające praktyczne zastosowania. Z jednej strony głęboko schłodzone pojedyncze cząstki kwantowe mogą stać się superczułym czujnikiem zewnętrznych zakłóceń. Z drugiej strony użycie tych przemian atomowych, które nie są wrażliwe na zewnętrzne zakłócenia, pozwoli na stworzenie nowego ultra-stabilnego wzorca częstotliwości. Grupa Vineland pracuje obecnie, między innymi, nad tym zadaniem, wykorzystując wszystkie te same uchwycone jony.Dwa lata temu, na przykład, zgłosili stworzenie zegara optycznego, którego częstość została zmierzona ze względną dokładnością 10-17. Teraz literatura omawia dokładność ruchu na poziomie 10.-18 i lepiej (zobacz recenzję z 2011 r.).

Praktyczne wykorzystanie ultra-precyzyjnego standardu częstotliwości polega na tym, że pozwala on na zauważanie i używanie wyjątkowo słabych fizycznych efektów w praktycznych zastosowaniach. Żywym przykładem jest tutaj inny artykuł grupy Vineland dwa lata temu, dzięki któremu efekt ogólnej teorii względności (!) Może być stosowany w geodezji i hydrologii (!) Dzięki zastosowaniu ultra-precyzyjnych zegarów atomowych. Chodzi o to, że zgodnie z ogólną teorią względności czas płynie różnie w polu grawitacyjnym o różnych napięciach. Gdy odsuwa się od powierzchni Ziemi, pole grawitacyjne zaczyna słabnąć, a zatem prędkość zegara, znajdująca się na różnych wysokościach, będzie się różnić. Grupa Vineland informuje, że udało jej się zauważyć tę rozbieżność, gdy różnica wysokości jest mniejsza niż 1 metr!

Takie ścisłe powiązanie różnych gałęzi fizyki i ich nieoczekiwane podejście do praktycznych zastosowań jest charakterystyczną cechą współczesnej nauki.A jeśli mówimy o praktycznych korzyściach płynących z fizyki podstawowej, to prace obecnych laureatów Nagrody Nobla jeszcze raz potwierdzają słuszność tej tezy: dzięki nauce podstawowej odnajdujemy i wykorzystujemy w praktyce nowe zjawiska naturalnektórych po prostu nie mogliśmy odgadnąć, utknęliśmy w ramach propozycji "innowacyjnych" lub "racjonalizacyjnych" opartych na starej fizyce.

Literatura i linki:

Najważniejsze artykuły Serge Arosha:

  • P. Goy, J.M. Raimond, M.Gross i S. Haroche. Obserwacja spontanicznej emisji jonów w pojedynczej atomizacji zwiększonej w jamie // Phys. Rev. Lett. 50, 1903 (1983).
  • W. Jhe, …, S. Haroche. Dodatek spontanicznego rozpadu na częstotliwości optycznej w przestrzeni zamkniętej // Phys. Rev. Lett. 58, 666 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Realizacja dwufotonowego oscylatora maser // Phys. Rev. Lett. 59, 1899 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Obserwacja postępującej dekoherencji miernika w pomiarach kwantowych // Phys. Rev. Lett. 77, 4887 (1996).
  • S. Gleyzes, …, S. Haroche. Skoki kwantowe fotonu we wnęce // Natura 446, 297 (15 marca 2007 r.).
  • S. Deleglise, …, S. Haroche. Rekonstrukcja stanów nieklasycznych wnęki za pomocą snapshotów // Natura 455, 510 (25 września 2008 r.).

Najważniejsze artykuły Davida Vinelanda:

  • D. J. Wineland, R. E. Drullinger i F. L. Walls. Chłodzenie promieniowaniem ciśnieniowym absorberów wiązanych rezonansowych // Phys. Rev. Lett. 40, 1639 (1978).
  • D. J. Wineland i Wayne M. Itano. Spektroskopia pojedynczego Mg+ Jon Phys. Lett. A 82, 75 (1981).
  • F. Diedrich, J. C. Bergquist, W. M. Itano i D. J. Wineland. Chłodzenie lasera do energii punktu zerowego ruchu // Phys. Rev. Lett. 62, 403 (1989).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. Raman Cooling Resurrecting-Sideband Atom 3D Zero-Point Energy // Phys. Rev. Lett. 75, 4011 (1995).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. Demonstracja fundamentalnej bramy kwantowej // Phys. Rev. Lett. 75, 4714 (1995).
  • Q. A. Turchette, … D. J. Wineland. Deterministyczne splątanie dwóch pułapek // Phys. Rev. Lett. 81, 3631 (1998).
  • C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, D. J. Wineland. Zegary optyczne i względność // Nauka 329, 1630 (24 września 2010 r.).

Przydatne linki:

  • Informacje na stronie internetowej Komitetu Noblowskiego.
  • M. Schirber. Nagroda Nobla – Narzędzia do majsterkowania kwantowego // Fizyka 5, 114 (2012).
  • Ion Storage Group, prowadzona przez Wineland. Zawiera, między innymi, pliki PDF większości artykułów w grupie.
  • Zasoby Nobla w dziedzinie fizyki w 2012 r. – wybór publikacji S. Arosa i D. Vinelanda w czasopismach Amerykańskiego Instytutu Fizyki.
  • Elektrodynamika kwantowa jamy jest stroną grupy badającej elektrodynamikę kwantową w rezonatorze prowadzonym przez Serge'a Arosa. Są też materiały z konferencji Atoms, Cavities i Photons poświęconej 65. rocznicy urodzin Serge'a Aroscha, które zawierają interesujące recenzje z historii rozwoju tej dziedziny fizyki.

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: :???: :?: :!: