Nobelio premija fizikoje - 2012 m. • Igoris Ivanovas • Mokslo naujienos apie "elementus" • Nobelio premijos, fizika

Nobelio premija fizikoje – 2012 m

Pav. 1. Serge Arosh ir David Weinland – Nobelio premija fizikos 2012 metais. Vaizdas iš nobelprize.org

2012 m. Spalio 9 d. Nobelio komitetas paskelbė Nobelio premijos fizikos apdovanojimą Serge Aroshui ir Davidui Vinelandui už "pažangius eksperimentinius metodus, leidžiančius išmatuoti atskiras kvantines sistemas ir juos kontroliuoti".

Kartais taip atsitinka, kad Nobelio premija apdovanojama už vieną, tuo pačiu metu atliktą atradimą, kuris buvo geras spėjimas arba puikus supratimas. Tačiau fizikos revoliucija ne visada taip lengva; dažniau paaiškėja, kad sunkumai pasiekia tikslą vienas po kito, o kiekvieną kartą reikia padaryti naują proverį. Toks aprašymas visiškai taikomas 2012 m. Nobelio premijos fizikos apdovanojimams – pranc. Serge Aaroche (Serge Haroche) ir amerikietis David Vineland (David Wineland). Jie vaidino pagrindinį vaidmenį didžiuliu pastarųjų dešimtmečių eksperimentinės fizikos pasiekimu – atskirų elementariųjų dalelių kvantinės būklės kontrole. Tačiau tai nebuvo padaryta nedelsiant, tačiau keliuose svarbiausiuose etapuose, kurie praėjo trečią šimtmetį ir baigėsi garsiais rezultatais (įskaitant praktines taikymo sritis), abu laimėtojai pažodžiui per pastaruosius metus.

Prieš pradedant išsamią istoriją, įdomu pabrėžti keletą įdomių dalykų, kurie jungia Aroshos ir Vinelando studijas. Arosh dirba su vienos fotonų kvantinėmis būsenomis, sugautomis rezonatoriuje ir nuolatos atsietomis nuo išorinio pasaulio. "Vineland" dirba su vienkartinėmis jonų kvantinėmis būsenomis, taip pat izoliuotomis nuo chaotiškų išorinių veiksnių. Tačiau tuo pačiu metu Arosh naudoja atomus, kad stebėtų fotono būklę, ir Vineland naudoja fotonus manipuliuoti jonų būsenomis. Abu metodai leidžia atlikti eksperimentus, ką pusę šimtmečio galima būtų laikyti tik "psichiniu eksperimentu", taip pat ištirti, kaip kvantinis ir klasikinis pasaulis yra tarpusavyje susiję. Ir pagaliau Arosh ir Vineland yra seni ir geri draugai.

Stebuklai su fotonais: darbai Sergeas Arosha

Ultra-Q rezonatoriai

S. Sergeo Aroso studijos susijusios su kvantinės optikos, fizikos sekcija, kuri tiria atskirų fotonų kvantines savybes, šviesos elementarius elementus. Paprastai fotonai naudojami tik kaip vienkartiniai "pasiuntiniai" – jie išsiskleidžia šaltinyje, sklendžiasi prie fotoefekto ir ten įsisavinami.Jei kažkas nutiko su jais kelyje, apie tai žinome tik po jų "mirties". Tokio fotono gyvenimas yra trumpalaikis, jį ilgai negalima laikyti ir studijuoti. Ir Sergeas Arosas pats užsibrėžė tikslą – išmokti laikyti vienintelį fotoną gana ilgą laiką eksperimento metu ir per šį laiką atidžiai jį išnagrinėti.

Iš principo galima laikyti fotoną, priverčiant jį skubėti į priekį ir atgal tarp dviejų aukščiausios kokybės įgaubtų veidrodžių (veidrodžių įgaubtieji neleidžia fotonui pereiti į šoną). Tiesa, frazė "skubėjimas pirmyn ir atgal" nevisiškai tiksliai atspindi padėtį. Kai šviesos bangos ilgis yra panašus į atstumą tarp veidrodžių, fotonas nesikeičia tarp veidrodžių, bet, tarsi dregantis, tarp jų užfiksuos – šviesos banga atsiranda ant veidrodžių. Ši veidrodžių sistema yra vadinama rezonatorius (anglų literatūroje vartojamas terminas ertmė "ertmė").

Fotonų laikymo kokybė būdinga geros kokybės Rezonatorius, Q. Šis skaičius rodo maždaug tuo, kiek fotonas atsispindi nuo veidrodėlių, kol jis kažkaip nuskaitys (ar tiksliau, kiek kartų fotono laikymo trukmė yra ilgesnė už šviesos bangos svyravimo periodą).Akivaizdu, kad kokybės faktorius yra labai priklausomas nuo veidrodžių atspindžio: kuo arčiau refleksijos koeficientas vienybei, tuo didesnis kokybės faktorius.

Pav. 2 Vienas iš vario mikrobangų rezonatoriaus su superlaidžiuoju niobio dangomis, kurio aukšta kokybė Q = 4,2 · 1010. Rezonatorius pagamintas Serge Arosch laboratorijoje (S. Kuhr ir kt., Phys. Lett., 90, 164101 (2007)); mikrobangų fotono tarnavimo laikas buvo 0,13 sekundės

Mikrobangų diapazone (bangos ilgiai milimetrais arba centimetrais), naudojant superlaidus, galima labai gerai atspindėti. Jau 1970 ir 1980 m. Fizikams buvo milijonai gerų rezonatorių, dabar jau pasiekia dešimtys milijardų (2 pav.). Tokiu rezonatoriumi mikrobangų fotonas "gyvens" dešimtadalį sekundės – daug laiko šiuolaikinei eksperimentinei fizikai. Per šį laiką jūs galite skubėti ir sugeneruoti fotoną ir paveikti jį bei nuskaityti jo būklę (kaip tai padaryti, bus aprašyta toliau). Pagrindinis dalykas yra tas, kad fotonai perėjo į "dalelių" kategoriją, kuri ilgai išliko eksperimento metu, "daleles", į kurias jau galima atlikti įvairius eksperimentus.

Kvantinė elektrodinamika rezonatoriuje

Ir čia šioje istorijoje atsiranda "posūkis", labai būdingas šiuolaikinei fizikai. Kuriant kokybiškus rezonatorius – tokį, atrodytų, visiškai techninį pasiekimą – atvėrė naują fizikos fizikos skirsnį – rezonatoriaus kvantinė elektrodinamika (anglų kalba ertmės kvantinė elektrodinamika, CQED) Tai leido mums nustatyti tokius eksperimentus su fotonais, kurie tiesiog "išbandė" pačius pagrindus Kvantinės fizikos ir leido mums iš naujo išnagrinėti paslaptingą perėjimą tarp kvantinės ir klasikinės dalelių elgesio (žr. Apžvalgos straipsnį: G. Walter. Vienatominis maseris ir kiti eksperimentai, susiję su kvantine elektrodinamika rezonatoriaus / / UFN 166, 777 (1996)).

Vienas ryškiausių tokių eksperimentų pavyzdžių, atliktų Sergeo Arosh grupėje, yra eksperimentinis demonstravimas, kad vieno sužadintojo atomo gyvenimo trukmė gali būti labai pakeista, pastatant ją į tokį rezonatorių.

Patirtis yra paprastas, o rezultatas, nepatyręs išvaizda, yra tiesiog nuostabus. Tarp dviejų veidrodžių tuščias Rezonatorius (ty be fotonų viduje) plaukia per atomu, kuris yra susijaudinęs būsenoje.Paprastai susijaudinęs atomas yra nestabilus, o po trumpo laiko jo elektronas šokinėja į žemesnį lygį, skleidžiantis fotoną. Atrodytų, kad ši spontaninė spinduliuotė yra grynai intraatominis procesas, o susijaudinęs būsenos gyvenimas yra savybė atomui. Tačiau paaiškėja, kad, skrendant per tuščią rezonatorių, atomas gali pagreitinti arba, priešingai, sulėtinti fotono "mirksėjimą"!

Aš siūlau dar kartą apsvarstyti šią situaciją. Susijaudinęs atomas yra vakuume, niekas jo "neliečia" (rezonatoriaus sienos yra centimetras toli nuo atomo!), Mes neturime jokio išorinio elektromagnetinio lauko. Mes esame tiesiog apriboti vakuumą aplink jį – ir tai yra pakankamai, kad užkirstų kelią arba, atvirkščiai, prisidėtų prie fotono emisijos.

Kasdieninės intuicijos požiūriu situacija yra gana neįprasta. Esame pripratę prie to, kad rezultatas gali sukelti tik tiesioginį poveikį objektui: tiesioginiu ryšiu su juo arba per jėgos laukus. Ir čia pasirodo, kad mes uždraustume ar "paskatinome" skilimą, beveik neveikdami atomo!

Šio akivaizdaus paradokso sprendimas – tai kvantiniai objektai ne vietosyra nevienodai. Tiksliau sakant, kai atomas išskiria fotoną, šis fotonas neveikia iš viso. tiesiai iš atomo (3 pav.). Apskritai optinis fotonas apskritai neįmanoma lokalizuoti atominiu tikslumu. Štai kodėl atomai ir molekulės nėra matomos optiniu mikroskopu, ir būtent dėl ​​šios priežasties beprasmiška paklausti, iš kurios sudėtingos molekulės dalies (pvz., Dažų molekulės) fotonas skrenda, kai jis skleidžia. Pagrindinė priežastis yra tai, kad elektromagnetinė sąveika yra gana silpna, taigi smulkios struktūros konstanta yra maža.

Pav. 3 Schematiškai pavaizduota, kaip sužadintas atomas skleidžia fotoną. Standartinis išeinančio fotono vaizdas kaip objektas, lokalizuotas atominiu mastu (viršuje), pateikia labai neteisingą fotono "pradinio dydžio" idėją. Labiau pageidautina, kad fotonas būtų vaizduojamas kaip debesys, kurio matmenys yra daug didesni nei atominiai (žemyn žemyn)

Tikslingiau įsivaizduoti spinduliuotės procesą, tarsi fotoną iš karto atsirastų tam tikra apimtis aplink atomą ir išplėstų visomis kryptimis (3 pav.).Šis tūris yra didesnis už patį patį tomą, ir jis dar labiau padidėja fotono bangos ilgiu, ty sumažėja skirtumas tarp energijos lygių, tarp kurių įvyko perėjimas. Todėl, jei šiame tomoje yra kitų objektų, kurių būsimas fotonas gali "sugauti", jie gali pakeisti spinduliuotės greitį.

Aroshos eksperimentuose buvo naudojami specialūs labai susijaudinti atomai (tai vadinamieji Rydbergo atominiai būsenai). Jų skirtumas tarp energijos lygių, tarp kurių vyksta perėjimas, yra toks mažas, kad išmatuoto fotono bangos ilgis yra gana makroskopinė vertė – milimetrai ir centimetrai. Nors pats atomas yra nedidelis, bet kai jis "bando" išskleisti fotoną, jis "analizuoja situaciją" centimetrais.

Aroshem naudojamas rezonatorius buvo panašaus dydžio ir tai leido jai daryti įtaką skilimo greičiui. Pvz., Labai mažame rezonatoriuje išmatuotas fotonas tiesiog netinka – o pats faktas vien trukdo jo spinduliavimui, stabilizuoja susijaudinusią būseną. Jei rezonatoriaus dydis pasirenkamas taip, kad fotonas tampys tolygiai, tai atnetei bus dar patogiau išsiskleisti toks fotonas,sparčiai didėja radiacijos tikimybė (4 pav.).

Pav. 4 Fotonų emisijos greitis neribotoje erdvėje sužadintame atoma nustatomas tik vidiniais atominiais procesais (kairėje) Tačiau, jei atomas yra rezonatoriuje, tada spinduliuotė gali būti stipriai arba stipriai slopinama (centre) arba žymiai padidėja (dešinėje)

Būtina teisingai pasakyti, kad šis poveikis fizikams nebuvo staigmena. 1930 m. Edward Purcell teoriškai tai prognozavo, o pirmieji eksperimentiniai tokio elgesio patarimai pasirodė devintojo dešimtmečio pradžioje. Tiesa, tai buvo apie molekulių, esančių tarp dviejų plokščių veidrodžių, emisija, o poveikis buvo gana "purvinas". Sergeas Arosas ir jo darbuotojai pasiekė daug stipresnį ir švaresnį poveikį: savo 1983 m. Straipsnyje jie praneša apie apie penkis šimtus (!) Fotonų spinduliuotės pagreitį. Dar kartą pajauk kaukę: švytėjimas sustiprėjo tik dėl to, kad erdvėje vakuume aplink radiatorių buvo apribotas teisingas kelias!

Praėjus ketveriems metams, optiniu diapazono poveikiu vienu metu įrodė kelios tyrimo grupės, be to, dešimt kartų spinduliuotės amplifikacijos ir silpninimo kryptimi.Be преувеличения, mes galime pasakyti, kad prasidėjo эра манипулирования proceso внутриатома. Situacijos aprašymas nuo 1989 m. Yra žinomas žurnalo "Arosch" ir "Kleppner" populiariame straipsnyje Fizika šiandien. Tuo tarpu Sergeas Arosha grupė tęsėsi …

Fotonų ir fejerverkų rezultatų skaičiavimas

Kalbant apie eksperimentus su viena ar daugiau dalelių, kyla natūralus klausimas: kaip galima išmatuoti dalelių skaičių? Elektronams, tarkim, atsakymas yra paprastas: reikia išmatuoti objekto elektrinį krūvį ir padalyti jį į vieno elektrono krūvį. Kaip išmatuoti, kiek fotonų "įstrigo" tarp rezonatoriaus veidrodžių?

Fotonų problema yra ta, kad jie lengvai įsisavinami. Jei yra daug fotonų, tai yra nereikšminga – būtent klasikinio elektrinio ar magnetinio lauko intensyvumas matuojamas bandymo mokesčiais. Tačiau kai yra keletas fotonų, tai nėra gerai juos sugerti – tai visiškai pakeičia matomo objekto būklę. Gal jūs kažkaip galėsite be jo? Pasirodo, taip. Kvantinėje mechanikoje ne visi matavimai iš esmės keičia sistemos būklę; Yra vadinamieji kvantiniai nesuderinami matavimai (anglų k.) Kvantiniai ne griovimo matavimai), kurie sugeba be jo (beje, tokio tipo matavimus pasiūlė sovietinis fizikas Vladimiras Braginskis).

1990 m. Pasirodė Arosha straipsnis ir jo bendraautoriai, kuriuose buvo pasiūlyta speciali schema fotonų rezonatoriuje neardomajam matavimui matuoti. Norėdami tai padaryti, autoriai vėl siūlo naudoti specialiai paruoštus atomus, kurie sklendžia per rezonatorių. Tik šį kartą rezonatorius atlieka skirtingą vaidmenį: jis nesukelia nei fotonų emisijos, nei absorbcijos, bet šiek tiek pasikeičia atomo energijos lygis, priklausomai nuo fotonų skaičiaus. Energijos lygių pasikeitimas (kuris vyksta tik per rezonatoriaus praėjimą) šiek tiek keičia išėjimo anato būseną, matuojant kurį galima "skaičiuoti fotonus".

Pav. 5 Tiesioginis stebėjimas gimimo, gyvenimo ir išnykimo vieno mikrobangų fotono, kuris pasirodė rezonatoriuje apie pusę sekundės. Raudonos ir mėlynos brūkšnys atsakyti į pakartotinio eksperimento dėl atomo per rezonatorių perdavimą ir jo išvesties būklės matavimo rezultatus; raudona Atvejai rodomi tada, kai išvesties ataka yra būdinga sąlygai e ir atitinka vieną fotoną rezonatoriuje, mėlynas – gali g (nulis fotonai rezonatoriuje). Vaizdas iš straipsnio Kvantinė šuoliai į šviesą ertmėje // Gamta 446, 297 (2007)

Tačiau šios idėjos įgyvendinimas iškilo rimtų techninių sunkumų, kuriuos įveikti buvo tik 2007 m. Tačiau po kelių mėnesių "Arosha" grupė atliko keletą puikių tyrimų, leidusių jiems iš naujo pažvelgti į pagrindinius kvantinius reiškinius.

  • 2007 m. Kovo mėn. Galima atsekti vienos fotonės išvaizdą ir išnykimą rezonatoriuje (5 pav.).
  • 2007 m. Rugpjūtis: laipsniškas "septynių fotonų pradinės būklės" sutraukimas ", kuriame aišku, kaip fotonai vienas po kito dingsta iš rezonatoriaus pusę sekundės.
  • 2008 m. Rugsėjis: "Schrödingerio katės" būklės stebėjimas, kai rezonatoriuje nėra tam tikro fotonų skaičiaus, tačiau yra trijų fotonų ir keturių fotonų būklės superpozicija.
  • 2008 m. Spalis: stebimas kvantinis Zeno efektas rezonatoriuje (Kvantinė Zeno efektas susideda iš ryškių kvantinės mechanikos savybių, kad nuolatinis lūžimo sistemos stebėjimas "užšaldo" jo išsiplėtimą).

Tikras fejerverkų rezultatas! Žinoma, "Arosha" grupė šiuo metu nesibaigs, bet atidarys vis daugiau naujų sukurtų eksperimentų metodų. Pavyzdžiui, prieš mėnesį, atėjo kitas savo straipsnį, kuriame Quantum Zenonas poveikis yra ne tik ten, ir jau yra naudojamas rankiniam kontrolės Kvantinė evoliucija fotonų srityje ertmę ir gauti egzotiškų kvantinės būsenos elektromagnetinio lauko.

Apibendrinant pagal šią istoriją dalyje, mes galime priminti, kad garsioji diskusijos tarp Niels Bora ir Albertas Einšteinas apie fizinio pobūdžio kvantinės mechanikos sukasi, be kitų dalykų, ir aplink minties eksperimentą "Fotonas dėžutė". Praktinis tokio langelio įgyvendinimas, taip pat daug smulkių kvantinių manipuliacijų fotonais, techniniu požiūriu tuo metu buvo tiesiog neįmanomas. Sergeas Arošas tapo pagrindine figūra, dėl kurios buvo įgyvendinti panašūs psichiniai kvantiniai-mechaniniai eksperimentai.

Vienatūris kvantinė chirurgija: Dovydo Vinelando darbas

Techniniu požiūriu ne mažiau sunku manipuliuoti individualaus jono kvantine būsena. Žinoma, atomai, skirtingai nei fotonai, niekur neišnyksta ir šiuo atžvilgiu lengviau dirbti su jais.Kita vertus, atomo bangos ilgis (prisiminkite, kad kvadratiniame pasaulyje kiekviena dalelė atitinka tam tikrą bangų procesą), kai jis juda normaliomis sąlygomis, yra labai mažas. Todėl kvantiniai efektai, susiję su transliaciniu judesiu (ty viso atomo judesiu), esant įprastoms temperatūroms nėra pastebimi. Norint pastebėti transliacinio judėjimo kvantavimą, reikia vienintelio atomo ar jonų ne tik sugauti, bet ir atvėsti iki labai žemos temperatūros, maždaug millikelvino ir mažesnės.

Vieno jono spąstai ir aušinimas

Iš esmės technologinė jonų spąstai, kurių įkraunamos dalelės centre laikomos kintamuoju tam tikros formos elektromagnetiniu lauku, buvo sukurtos prieš pusę šimtmečio. Ji netgi atnešė savo kūrėjams Wolfgangui Paului ir Hansui Demeltui pusę Nobelio premijos už fiziką 1989 m. (Žr. Detales Nobelio paskaitose: V. Paulius. Elektromagnetiniai spąstai užkraunamoms ir neutralioms dalelėms. UFN 160, 109-127 (1990) ir H. Demelt. Eksperimentai su atsitiktinai izoliuota subatomine dalelė // UFN 160, 129-139 (1990)). 1973 m. Vinelandas, Ekstromas ir Demetas pranešė apie pirmuosius eksperimentus su vienu elektronu, įstrigę tokioje spąstoje.Demetas suprato gražų pavadinimą šiai sistemai – "geoniumui" – tam tikram dirbtiniam atomų analogui, kuriame elektronas yra susijęs su žeme (žinoma, naudojant spąstus). Šių eksperimentų tikslas buvo ištirti vidines elektrono charakteristikas, ypač jo anomalinį magnetinį momentą, ir jo palyginimą su teorinėmis prognozėmis (dabar šis matavimo tipas yra visa atskiroji metrologijos ir kvantinės elektrodinamikos dalis).

Tame pačiame 1973 m. Straipsnyje taip pat buvo paminėta individualių jonų spąstai. Skirtingai nuo atskirų elektronų, jonai yra įdomūs, nes jie turi daugybę vidaus laisvės laipsnių ir, sugaudę tokį joną gaudyklėje, galima jį ištirti aukštyn ir žemyn. Šio tikslo link 1975 m. Buvo sukurtas Doplerio jonų aušinimo būdas (įskaitant Vinelandą). Šiuo metodu jonai ar atomai spinduliuoja lazerio spinduliu, kurio dažnis yra labai artimas rezonansiniam sklidimui, tačiau tik tie, kurie labai judindami šviesos spindulį, skleidžia šviesą, praranda energiją ir taip atvėsina. Ši technika buvo įdiegta 1978 m. Eksperimentuose Vineland grupei su Mg jonais.+ ir eksperimentuose grupės Тошека su Ba jonais+. Tačiau abiem atvejais tai buvo debesys su kelių dešimčių jonų, tačiau po poros metų buvo atskiriami individualūs jonai ir prasidėjo jų spektroskopijos tyrimas (1980 m. Toshek grupės darbai ir Vineland-Itano, 1981). Be to, šiuose straipsniuose buvo pastebėta, kad viename jonų liuminescencinis švytėjimas mikroskopu puikiai matomas.

Abiejuose 1980-1981 m. Straipsniuose juose esančio jono temperatūra buvo apskaičiuota keliais dešimtimis milijkilvinovų, o jonas vis tiek buvo per daug (tiksliau – perkelti į valstybę su mažiausiomis transliacinėmis judesėmis). Tolesnė pažanga šioje srityje buvo siejama su nauja vėsinimo technika, kurią taip pat sukūrė ir įgyvendino Vinelandas šoninis kanalas aušinimas (anglų kalba šoninis kanalas aušinimas) Verta pasilikti išsamiau.

Elektronų atmosferoje atomų ar jonų debesys turi daugybę galimų variantų, kaip "pakuoti" aplink branduolį ir kaip organizuoti elektronų nugarą. Mažiausia energijos dalis yra vadinama pagrindine būsena, ji yra stabili, o variantai su didesniu energijos (susijaudinusiomis būsenomis) po kurio laiko paverčia į pagrindinę būseną fotonu.Be to, jei atomas patenka į spąstus, tada jo transliacinis judesys taip pat yra kvantifikuojamas, tai yra, jis taip pat gali turėti griežtai konkrečią formą. Šis judėjimas turi pagrindinę būseną, kurioje jonas praktiškai užšąla spąstų centre (jis turi tik nepavojingą kvantinį drebėjimą, vadinamą "nuliniu svyravimu"), ir visą sužadintų būsenų kopėčių, reaguojančių į judesį atgal ir atgal vis labiau plinta. Elektroninės apvalkalo sužadinimo energija yra keletą kartų didesnė už transliacijos judesio sužadinimo energiją, taigi jonų energijos spektras (šiame šiurkščiame aproksimente) yra pavaizduotas fig. 6

Pav. 6 Parodyta supaprastinta jonų energijos spektro schema: žemė ir viena sujungto elektrono apvalkalo būklė, ir abiem atvejais yra pastebimos kelios sukeltos judesio judėjimo būsenos

Dabar linksma dalis. Fizikai sugeba perduoti pagrindinio elektrono apvalkalo būseną į susijaudinamą ir mesti "tiksliai" tiksliai į norimą sužadintą būseną, todėl mes tiesiog turime šviesti ant atomo su norimu bangos ilgiu.Pasirodo, kad šis derinys – mes pribloškiame atomą, kaip to reikia, ir jis išeina iš šios būsenos kaip "jis yra pripratęs prie", leidžiantis aušinti atomų judėjimą į priekį (7 pav.).

Pav. 7 Šaldymo metodo idėja šoninėje juostoje. 1 žingsnyje mes sužadiname elektronų apvalkalą ir šiek tiek sumažinsime transliacinį judesį. 2-ajame etape atomas "patenka" į elektroninės apvalkalo pagrindinę būseną, nekeičiant transliacinio judesio. Kai pasiekiame "kopėčių" apačią, jonas, esantis pagrindiniame elektronų apvalkalo būsenoje ir transliaciniame judėjime, niekur negali eiti.

Norėdami tai padaryti, mes priimame atomą ar joną į žemės elektroninę būklę ir didelį transliacinį judesį ir perkelkite jį į būseną su susijaudintu elektroniniu apvalkalu (dažniausiai tai yra tik išorinio elektrono spintelė), bet su šiek tiek mažesnis judėjimas. Po kurio laiko atomas apšviečia fotoną ir "patenka" į elektroninės apvalkalo pagrindinę būseną, o transliacinis judesys nesikeičia. Grynasis šio dviejų žingsnių proceso rezultatas yra tas, kad transliacinis judėjimas šiek tiek sumažėjo.Kartodamas šią procedūrą po laiko, mes galime visiškai numalšinti transliacinį judėjimą, "sodinti" atomą į pagrindinę būseną (taigi tik nulinis svyravimas išlieka). Ir "sėjant" šioje būsenoje, atomas nebebus malonus, nes jame tiesiog nėra šokinėti.

Praktiškai įgyvendinant šią idėją, be abejonės, buvo nemažai techninių smulkmenų – ypač, susijaudinęs atomas turėjo "padėti" greitai pašalinti sužadinimą, kad pasiektų pageidaujamą aušinimo greitį. Intensyvus darbas per keletą metų leido "Vineland" ir darbuotojams juos įveikti, o 1989 m. Pasirodė straipsnis apie pagrindinės gyvsidabrio jono transliacinio judėjimo kvantinės būklės pasiekimą. Tiesa, šiame straipsnyje lokalizacija buvo pasiekta tik skersinėje plokštumoje, o kvantinis judėjimas palei įrengimo ašį dar nebuvo pasiektas. Tačiau po kelerių metų, 1995 m., Vineland grupė pasiekė tikrąją trimačio lokalizaciją vieninteliu jonu žemės kvantinėje būsenoje.

Taigi, 1995 m. Dešimtmečius trukęs epas buvo užbaigtas – daugiausia dėka grupės "Vineland" pasiekimams – dėl visiško vienos jonų kvantinės lokalizacijos.

Kvantinė informatika kaip eksperimentinis mokslas

Kai tik jėgos transliacinis judesys gaudyklėje visiškai atitiktų tyrėjus, iškart buvo įgyvendintos neįprastos kvantinės-mechaninės situacijos, kurios iki tol išliko tik hipotetinės. Be to, 1995 m. "Vineland" grupė padėjo joną į kvantišką transliacinio judesio superpoziciją, kai jonas nesiliauja ir nejudina, bet tuo pat metu stovi ir juda (tam tikra Schrodingerio katės vienatinė versija). Norėdami tai pasiekti, tas pats metodas buvo naudojamas perduoti būsenas tarp pagrindinių ir sužadintų energijos juostų. Iš pradžių elektrono apvalkalas atomo buvo perkeltas iš grynai įžeminto būklės į žemės prigimties ir susijaudinusias būsenas. "Susijaudinusi dalis" tada "nukrito" į pagrindinę elektroninę būklę, bet su kitokiu transliaciniu judesiu. Rezultatas buvo būklė atomo su elektronine apvalkale esančioje būklėje, bet su transliacinio judesio superpozicija.

Šis darbas buvo svarbiausias žingsnis kintinės informacijos fizikos transformavime iš grynai teorinio ir eksperimentinio mokslo. Tuo metu fizikai jau seniai svajojo ne tik mokytis manipuliuoti kvantine būsena viename atomyje,bet ir perduoti šią kvantinę informaciją iš vieno atomo į kitą yra vienas iš pirmųjų žingsnių kuriant kvantinį kompiuterį. 1995 m. "Vineland Group" (kuris, beje, buvo pavadintas "Pagrindinių kvantinių loginių elementų demonstravimu") darbas parodė, kaip tai padaryti. Kvantinė superpozicija, kuri vis tiek "išgyveno" viduje joną, dabar gali būti paversta kažkuo "išorine", į transliacinio judėjimo superpoziciją. Tai reiškia, kad šalia esančio antrojo tokio jono, kuris neišvengiamai yra susijęs su pirmuoju dėl elektrostatinės sąveikos, jis galės jį suvokti ir paversti savo vidine superpozicija neprarandant nuoseklumo (kuris buvo pasiektas 2003 m.). Tada tokia atomų linijinė grandinė, kuri užkabina periodinio spąstai, gali atlikti visas kvantinio kompiuterio funkcijas (8 pav.).

Pav. 8 Kvantinio kompiuterio schema į šaltojo jono grandinę, įstrigusią periodinėje spąstoje. Specialiai paruošti šviesos impulsai kontroliuoja logines operacijas tarp jonų, o jautrus fotoaparatas aptinka atskirų jonų išmetimą ir taip parodo operacijų rezultatus.Nuotrauka iš straipsnio Blatt, Wineland, Nature 453, 1008 (2008 m. Birželio 19 d.)

Pasibaigus šiam pasiekimui, eksperimentiniai metodai kvantinės informacijos fizikoje (tiksliau sakant, joninėje realizacijoje) pradėjo vystytis kaip lavina. 1998 m. "Vineland" pasiekė dviejų erdvių atskyrimo jonų kvantinį įsiskverbimą – vėlgi per transliacinį judėjimą. 2000 m. Kelios mokslinių tyrimų grupės pasiekė kontroliuojamą kvantinį kelių jonų įsipainiojimą. Šiandien įdiegta 14-jonų kvantinė užtvankos dalis, taip pat daugelis loginių operacijų, kurių reikia, kad kvantinis skaičiuotuvas veiktų (žr. Blatt ir Vineland apžvalgos straipsnį 2008 m.).

Super tikslūs laikrodžiai

Net aukščiau aprašytų metodų raidos auštant buvo aišku, kad atskirų jonų gaudymas spąstais ir kvantinė kontrolė gali turėti praeities praktinių pritaikymų. Viena vertus, giliai aušinamos vienos kvantinės dalelės gali tapti labai jautriu išorinių trikdžių jutikliu. Kita vertus, tų atominių perėjimų, kurie nėra jautrūs išoriniams trikdžiams, naudojimas leis sukurti naują itin stabilų dažnio standartą. Šiuo metu "Vineland" grupė, be kita ko, dirba šioje užduotyje, naudodama visus tuos pačius užfiksuotus jonus.Pvz., Prieš dvejus metus jie pranešė, kad sukūrė optinį laikrodį, kurio greitis buvo matuojamas santykiniu tikslumu 10-17. Dabar 10-ojo lygmens judėjimo tikslumas jau yra aptartas literatūroje.-18 ir geriau (žr. 2011 m. apžvalgą).

Praktinis ultra-tiksliojo dažnio standarto naudojimas yra tas, kad jūs galite pastebėti ir naudoti labai silpnus fizinius efektus praktiniais tikslais. Čia ryškus pavyzdys yra dar vienas Vinelando grupės straipsnis prieš dvejus metus, kurio dėka bendrosios reliatyvumo teorijos (!) Poveikis gali būti taikomas geodezijos ir hidrologijos (!) Dėka labai tikslių atominių laikrodžių. Tai, kad pagal bendrąją reliatyvumo teoriją laikas skirtingos įtampos gravitaciniame lauke vyksta skirtingai. Kai atsitraukia nuo Žemės paviršiaus, gravitacinis laukas pradeda silpnėti, todėl laikrodžio greitis, esantis skirtinguose aukščiuose, skirsis. Vineland grupė praneša, kad sugebėjo pastebėti šį neatitikimą, kai aukščio skirtumas yra mažesnis nei 1 metras!

Toks glaudus ryšys tarp skirtingų fizikos šakų ir jų netikėto požiūrio į praktinius pritaikymus yra šiuolaikinio mokslo bruožas.Ir jei mes kalbame apie praktinę pagrindinės fizikos naudą, dabartinių Nobelio premijos laureatų darbai dar kartą patvirtina teorijos pagrįstumą: su fundamentalaus mokslo pagalba rasime ir naudojate naujus gamtos reiškiniuskuriuos mes tiesiog negalėjome spėlioti, prisilietė prie "novatoriškų" ar "racionalizavimo" pasiūlymų, pagrįstų senais fizikais.

Literatūra ir nuorodos:

Pagrindiniai Sergeo Aroshos straipsniai:

  • P. Goy, J. M. Raimondas, M. Gross ir S. Haroche. Oranžinių spontaniškų išmetamų vienos atomo stebėjimas " Fiz. Rev. Lett. 50, 1903 (1983).
  • W. Jhe, …, S. Haroche. Spontaninio lūžio papildymas optiniu dažniu uždaroje erdvėje // Fiz. Rev. Lett. 58, 666 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Dviejų fotonų maserio generatorius realizavimas // Fiz. Rev. Lett. 59, 1899 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Kvantiniam matavimui matuoklio progresyvinės decoherencijos stebėjimas // Fiz. Rev. Lett. 77, 4887 (1996).
  • S. Gleyzes, …, S. Haroche. Kvantiniai fotono spiečiai ertmėje // Gamta 446, 297 (2007 m. Kovo 15 d.).
  • S. Deleglise, …, S. Haroche. Neklasikinių ertmės būsenos rekonstrukcija su nuotraukomis // Gamta 455, 510 (2008 m. Rugsėjo 25 d.).

Pagrindiniai David Vineland straipsniai:

  • D. J. Wineland, R. E. Drullinger ir F. L. Walls. Susijungtų rezonansinių absorbentų spinduliuotės slėgio aušinimas Fiz. Rev. Lett. 40, 1639 (1978).
  • D. J. Wineland ir Wayne M. Itano. Vienos Mg spektroskopija+ Jonas / Fiz. Lett. A 82, 75 (1981).
  • F. Diedrich, J. C. Bergquist, W. M. Itano ir D. J. Wineland. Lazerinis aušinimas iki nulinės taškinės energijos energijos // Fiz. Rev. Lett. 62, 403 (1989).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. "Raman Cooling" atgaivinantis šoninis atomas "3D" nulio taško energija // Fiz. Rev. Lett. 75, 4011 (1995).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. Pagrindinio kvantinio loginio vartelio demonstracija // Fiz. Rev. Lett. 75, 4714 (1995).
  • Q. A. Turchette, D. J. Wineland. Dviejų spąstais jonų determinantinis įterpimas // Fiz. Rev. Lett. 81, 3631 (1998).
  • C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, D. J. Wineland. Optiniai laikrodžiai ir santykinė dalis Mokslas 329, 1630 (2010 m. Rugsėjo 24 d.).

Naudingos nuorodos:

  • Informacija pateikiama Nobelio komiteto interneto svetainėje.
  • M. Schirber. Nobelio premija. Kvantinės įtvarinės priemonės. Fizika 5, 114 (2012).
  • Ion Storage Group, vadovaujama Wineland. Be kitų dalykų, daugelyje grupės straipsnių yra PDF rinkmenų.
  • 2012 m. Fizikos Nobelio premijos ištekliai – S. Aroso ir D. Vinelando publikacijų rinkinys Amerikos fizikos instituto žurnaluose.
  • Erdvės kvantinė elektrodinamika yra grupės, tyrinančios kvantinę elektrodinamiką rezonatoriuje, vadovaujamame Serge Aros, puslapis. Taip pat yra medžiagų iš konferencijų "Atomai, ertmės" ir "Photons", skirtos Serge Arosch 65-mečiui, kuriose yra įdomių apžvalgų apie šios fizikos srities raidos istoriją.

Igoris Ivanovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

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