Nobelprisen i fysikk - 2012 • Igor Ivanov • Vitenskapelig nyhet om "Elements" • Nobelpris, fysikk

Nobelprisen i fysikk – 2012

Fig. 1. Serge Arosh og David Weinland – Nobelprisen i fysikk for 2012. Bilde fra nobelprize.org

Den 9. oktober 2012 kunngjorde Nobelkomiteen Nobelprisen i fysikk til Serge Arosh og David Vineland for "gjennombruddseksperimentelle metoder som gjorde det mulig å måle individuelle kvantesystemer og kontrollere dem."

Noen ganger skjer det at Nobelprisen tildeles for en enkelt, samtidig funnet oppdagelse, som var et godt gjetning eller en strålende innsikt. Men revolusjonen i fysikk er ikke alltid så lett så lett; Oftere viser det seg at vanskeligheter kommer i veien til målet en etter en, og hver gang er det nødvendig å gjøre et nytt gjennombrudd. En slik beskrivelse gjelder fullt ut Nobelprisen i fysikk for 2012 – franskmannen Serge Aaroche (Serge Haroche) og den amerikanske David Vineland (David Wineland). De spilte en nøkkelrolle i den store oppnåelsen av eksperimentell fysikk de siste tiårene – kontroll over kvantestatistikken til individuelle elementære partikler. Dette ble imidlertid ikke gjort umiddelbart, men i flere viktige stadier, som strakte seg i et tredje århundre og endte med høye resultater (inkludert praktiske bruksområder) av begge vinnerne bokstavelig talt de siste årene.

Før du begynner på en detaljert historie, er det interessant å understreke flere interessante poeng som kombinerer studiene av Arosha og Vineland. Arosh arbeider med kvantetilstander av enkeltfotoner fanget i en resonator og permanent frakoblet fra omverdenen. Vineland arbeider med kvantestater av enkeltjoner fanget og også isolert fra kaotisk ekstern påvirkning. Men samtidig bruker Arosh atomer til å observere tilstanden til en foton, og Vineland bruker fotoner til å manipulere tilstandene av ioner. Begge metodene gjør det mulig å gjennomføre eksperimentelt hva et halvt århundre siden kun kunne betraktes som et "mentalt eksperiment", og også å studere hvordan kvante og klassiske verden forholder seg til hverandre. Og til slutt, Arosh og Vineland er gamle og gode venner.

Mirakler med fotoner: fungerer av Serge Arosha

Ultra-Q resonatorer

Studiene av Serge Arosh er relatert til kvanteoptikk, en del av fysikk som studerer kvanteegenskapene til enkelte fotoner, "elementære biter" av lys. Vanligvis er fotoner bare brukt som engangs "budbringere" – de sendes ut ved kilden, flyr til fotodetektoren og absorberes der.Hvis noe skjedde med dem på veien, vil vi kun vite om det først etter deres "død". Livet til en slik foton er flyktig, det kan ikke holdes og studeres i lang tid. Og Serge Arosh satte seg nettopp dette målet – for å lære å holde en enkelt foton lenge lenge inne i den eksperimentelle oppsettet og i løpet av denne tiden å nøye undersøke det.

I prinsippet er det mulig å holde en foton ved å tvinge den til å haste frem og tilbake mellom to konkav speil av super høy kvalitet (sponens konkavitet tillater ikke fotonen å bevege seg til siden). Sant, uttrykket "rushing frem og tilbake" gjenspeiler ikke nøyaktig situasjonen. Når lengden på lysbølgen er sammenlignbar med avstanden mellom speilene, beveger fotonen ikke mellom speilene, men som om skjelv fryser mellom dem – det viser seg en stående lysbølge som hviler på speilene. Dette speilsystemet kalles hulrom (i engelsk litteratur brukes begrepet hulrom "Cavity").

Photon holdkvaliteten er preget av god kvalitet resonator, Q. Dette tallet viser omtrent hvor mange ganger fotonet reflekterer fra speilene før det på en eller annen måte kryper ut (eller, nærmere bestemt, hvor mange ganger fotonets holdetid er lengre enn lysbølgens periode).Det er klart at kvalitetsfaktoren er kritisk avhengig av speilets reflektivitet: jo nærmere refleksjonskoeffisienten til enhet, desto høyere kvalitetsfaktor.

Fig. 2. En av speilene til en kobber mikrobølge resonator med et superledende niob belegg, har en rekordhøy kvalitet på Q = 4,2 · 1010. Resonatoren ble fremstilt i laboratoriet av Serge Arosch (S. Kuhr et al. Appl. Phys. Lett. 90, 164101 (2007)); levetiden til mikrobølgefotonen i det var 0,13 sekunder

I mikrobølgeområdet (bølgelengder i størrelsesorden millimeter eller centimeter), takket være bruken av superledere, er det mulig å oppnå ekstremt god refleksjon. Allerede på 1970- og 1980-tallet var det millioner av gode resonatorer til disposisjon for fysikere, og nå når det nå titusenvis av milliarder (figur 2). I en slik resonator vil en mikrobølgefoton "leve" tiendedeler av et sekund – en enorm tid for moderne eksperimentell fysikk. I løpet av denne tiden kan du uten hast og generere en foton og påvirke den, og "skanne" sin tilstand (hvordan gjøres dette, vil bli beskrevet nedenfor). Det viktigste er at fotoner har flyttet inn i kategorien "partikler" som lever lenge inne i eksperimentelle oppsett, "partikler", som en rekke eksperimenter allerede kan utføres.

Quantum Electrodynamics i resonatoren

Og her i denne historien synes "sving", veldig karakteristisk for moderne fysikk. Opprettelsen av høyverdige resonatorer – en slik tilsynelatende helt teknisk prestasjon – åpnet en ny del av grunnleggende fysikk for fysikere – resonator kvante elektrodynamikk (på engelsk kavitetskvantumelektrodynamikk, CQED). Dette tillot oss å sette opp slike eksperimenter med fotoner, som bokstavelig talt "probed" selve grunnlaget for kvantefysikken og tillot oss å revurdere den mystiske overgangen mellom partikkelens kvantum og klassiske oppførsel (se gjennomgangsartikel: G. Walter. Monatomisk maser og andre eksperimenter på kvantelektrodynamikk av resonatoren / / UFN 166, 777 (1996)).

Et av de mest slående eksemplene på slike eksperimenter, utført i gruppen Serge Arosh, er en eksperimentell demonstrasjon at levetiden til et enkelt spennende atom kan forandres sterkt ved å plassere det i en slik resonator.

Opplæringen av opplevelsen er enkel, og resultatet, på et uerfaren utseende, er rett og slett fantastisk. Mellom to speil tom En resonator (det vil si uten fotoner inni) flyr gjennom et atom som er i en spennende tilstand.Generelt er spente atomer ustabile, og etter en kort tid springer elektronen i det til et lavere nivå, og sender ut en foton. Det ser ut til at denne spontane strålingen er en ren intra-atom prosess, og levetiden til den opphissede tilstanden er atomets egen karakteristikk. Imidlertid viser det seg at når et fly gjennom en tom resonator kan et atom akselerere eller omvendt redusere prosessen med å "blinke" en foton!

Jeg foreslår igjen å tenke over denne situasjonen. Et begeistret atom er i vakuum, ingen "berører" det (resonatorveggene er et centimeter vekk fra atom!), Vi påvirkes ikke av noen eksterne elektromagnetiske felt. Vi er bare begrense vakuumet rundt det – og dette er nok til å forhindre eller omvendt bidra til utslipp av en foton.

Fra synspunkt av hverdagens intuisjon er situasjonen ganske uvanlig. Vi er vant til at et resultat bare kan føre til direkte innvirkning på et objekt: enten gjennom direkte kontakt med det eller gjennom kraftfelt. Og her viser det seg som om vi forbyder eller "oppmuntrer" forfall, uten å fungere på atom!

Løsningen på dette tilsynelatende paradokset er at kvanteobjektene nonlocaler ikke-punktvis. Nærmere bestemt, når et atom avgir en foton, flyr dette fotografiet ikke i det hele tatt. rett fra atomet (figur 3). Et optisk foton er generelt umulig å lokalisere med atom presisjon. Derfor er atomer og molekyler ikke synlige under et optisk mikroskop, og det er nettopp derfor at det er meningsløst å spørre, for eksempel, hvilken del av et komplekst molekyl (et fargemolekyl) en foton flyr når den utsender. Den grunnleggende årsaken til dette er at elektromagnetisk samhandling er ganske svak, så den fine strukturen er konstant liten.

Fig. 3. En skjematisk fremstilling av hvordan et spennende atom sender ut en foton. Standardbilde av utgående foton som et objekt lokalisert i atomskala (på toppen), gir en veldig feil ide om "første størrelse" av fotonet. Mye mer foretrukket ville være et bilde der fotonen er avbildet som en sky med dimensjoner som er mye større enn atomiske (ned nedenfor)

Det er mer riktig å forestille seg strålingsprosessen som om fotonet vises umiddelbart i et bestemt volum rundt atom og ekspanderer deretter i alle retninger (figur 3).Dette volumet er størrelsesordener som er større enn volumet av atomet selv, og det øker enda mer med en økning i fotonens bølgelengde, det vil si med en reduksjon i forskjellen mellom energinivåene mellom overgangen skjedde. Derfor, hvis noen fremmedlegemer er i dette volumet, som fremtidens foton kan "fange", så kan de endre strålens hastighet.

I eksperimenter av Arosha ble det brukt spesielle, svært spennende atomer (disse er de såkalte atomvåpen i Rydberg). I dem er forskjellen mellom energinivåene som overgangen finner sted, så liten at bølgelengden til den utstrålede fotonen er ganske makroskopisk verdi – millimeter og centimeter. Selv om atomet selv er lite, men når det "prøver" å avgive en foton, "probes situasjonen" i centimeter.

Resonatoren brukt av Aroshem var av tilsvarende størrelse, og dette tillot det å påvirke nedfallshastigheten. For eksempel, i en svært liten resonator, ville den utstrålede fotonen ganske enkelt ikke passe – og dette faktum alene forhindrer dets stråling, stabiliserer den opphissede tilstanden. Hvis resonatorns størrelse er valgt slik at fotonen passer jevnt inn i den, vil det være enda mer praktisk for at atomet skal avgive en slik foton,sannsynligheten for stråling øker kraftig (figur 4).

Fig. 4. Foton-utslippshastigheten ved et spennende atom i ubegrenset rom bestemmes bare av interne atomiske prosesser (til venstre). Men hvis atomet er i resonatoren, kan strålingen sterkt eller sterkt undertrykkes (i sentrum), eller øke dramatisk (til høyre)

For å være rettferdig må det sies at denne effekten ikke var en overraskelse for fysikere. Denne oppførselen ble teoretisk spådd av Edward Purcell tilbake i 1946, og de første eksperimentelle hintene til slik oppførsel oppstod tidlig på 1970-tallet. Det var sant at det gjaldt utslipp av molekyler mellom to flat speil, og effekten var ganske "skitten". Serge Arosh og hans ansatte har oppnådd en mye sterkere og renere effekt: i 1983-artikkelen rapporterer de om omtrent fem hundre (!) Akselerasjon av fotonstråling. Føler sjansen igjen: Gløden har intensivert bare på grunn av det faktum at vi har begrenset plassen i et vakuum rundt radiatoren på riktig måte!

Fire år senere ble effekten demonstrert samtidig av flere forskergrupper i det optiske området, i tillegg både i retning av forsterkning og demping av stråling tifold.Uten overdrivelse kan vi si at epoken med å manipulere tempoet i intra-atomiske prosesser har begynt. En beskrivelse av situasjonen fra 1989 finnes i Arosch og Kleppners populære artikkel i tidsskriftet Fysikk i dag. Og gruppen av Serge Arosha, i mellomtiden, flyttet videre …

Teller fotoner og fyrverkeri resultater

Når det gjelder eksperimenter med en eller flere partikler, oppstår et naturlig spørsmål: hvordan kan man måle antall partikler? For elektroner, si, er svaret enkelt: det er nødvendig å måle den elektriske ladningen til et objekt og dele det i en ladning av en elektron. Hvordan måle hvor mange fotoner er "fast" mellom speilene til resonatoren?

Problemet med fotoner er at de lett absorberes. Hvis det er et stort antall fotoner, er dette ubetydelig – dette er hvordan intensiteten til et klassisk elektrisk eller magnetisk felt måles av testkostnader. Men når det er få fotoner, er det ikke bra å absorbere dem – dette endrer helt tilstanden til objektet som måles. Kanskje kan du gjøre det uten å gjøre det? Det viser seg, ja. I kvantemekanikken endrer ikke alle målinger i det hele tatt tilstanden til et system; Det er såkalte kvantum-ikke-destruktive målinger (på engelsk kvantum ikke-riving målinger), som klarer å gjøre uten det (forresten, denne typen måling ble foreslått av den sovjetiske fysikeren Vladimir Braginsky).

I 1990 oppstod en artikkel av Arosha og medforfattere der en spesiell ordning ble foreslått for ikke-destruktiv måling av antall fotoner i en resonator. For å gjøre dette foreslår forfatterne igjen å bruke spesielt tilberedte atomer som flyr gjennom resonatoren. Bare denne gangen spiller resonatoren en annen rolle: det fører ikke til utslipp eller absorpsjon av fotoner, men svinger litt energienivåene til et atom med en mengde avhengig av antall fotoner. Skiftet av energinivåer (som kun er tilstede under passasjen gjennom resonatoren) forandrer tilstanden til utgangsatomet litt, ved å måle hvilken som kan "telle fotoner".

Fig. 5. Direkte observasjon av fødsel, liv og forsvunnelse av en enkelt mikrobølgefoton, som dukket opp i resonatoren i omtrent et halvt sekund. Røde og blå streker svar på resultatene av et gjentatt eksperiment på overføring av et atom gjennom en resonator og måling av utgangstilstanden; rød Tilfeller vises når utgangsatomet var i tilstanden som er konvensjonelt betegnet e og svarer til en foton i resonatoren, blå – stand g (nullfotoner i resonatoren). Bilde fra artikkel Quantum hopper i lys i et hulrom // natur 446, 297 (2007)

Implementeringen av denne ideen har imidlertid vært i alvorlige tekniske vanskeligheter som ble overvunnet bare i 2007. Men i løpet av få måneder har Arosha-gruppen utført flere strålende studier, noe som tillot dem å se på de grunnleggende kvantumfenomenene.

  • Mars 2007: Det er mulig å spore utseendet og forsvinden av en enkelt foton i resonatoren (figur 5).
  • August 2007: en gradvis "sammenbrudd" av den sju fotografiske innledende tilstanden, der det er klart hvordan fotoner forsvinner den ene etter den andre fra resonatoren i et halvt sekund.
  • September 2008: observasjon av tilstander av typen "Schrödinger cat", når det ikke er et visst antall fotoner i resonatoren, men en superposisjon av en trefoton og firefoton tilstand.
  • Oktober 2008: observere quantum zeno effekten i en resonator (quantum zeno effekten består i kvantemekanikkens slående egenskap, at kontinuerlig observasjon av et decaying system "fryser" dets forfall).

Virkelige fyrverkeri resultater! Selvfølgelig kommer Arosha-gruppen ikke til å stoppe ved dette, men åpner opp flere og flere nye applikasjoner av de utviklede eksperimentelle metodene. For eksempel, for en måned siden, kom en annen artikkel ut hvor Zeno kvanteffekten ikke bare er observert, men er allerede brukt til å manuelt kontrollere kvanteevolusjonen av fotonfeltet i resonatoren og for å oppnå eksotiske kvanteforhold i det elektromagnetiske feltet.

Oppsummering, under denne delen av historien, kan man huske at den berømte diskusjonen mellom Niels Bohr og Albert Einstein om kvennemekanikkens fysiske essens dreide seg om blant annet et mentalt eksperiment med en "single photon box". Den praktiske implementeringen av en slik boks, samt mange mer subtile kvantemodulasjoner med fotoner, var simpelthen umulig fra et teknisk synspunkt på den tiden. Serge Arosh ble en nøkkelfigur, takket være slike mentale kvantemekaniske eksperimenter ble implementert.

Monatomisk Quantum Surgery: David Vines arbeid

Manipulering av kvantetilstanden til et individuelt ion er ikke mindre vanskelig fra et teknisk synspunkt. Selvfølgelig forsvinner atomer, i motsetning til fotoner, hvor som helst, og i denne forstand er det lettere å jobbe med dem.Men på den annen side, bølgelengden av et atom (husk at hver partikkel tilsvarer en bestemt bølgeprosess i kvanteverdenen) når den beveger seg ved normale hastigheter, er svært liten. Derfor er kvanteffekter assosiert med translasjonsbevegelsen (det vil si bevegelsen av atomet som en helhet) ved normale temperaturer ikke merkbare. For å merke kvantiseringen av translasjonsbevegelse er det nødvendig med et enkelt atom eller ion for ikke bare å fange, men også å avkjøle til svært lave temperaturer, i rekkefølgen av millikelvin og lavere.

Single ion fangst og kjøling

I prinsippet utviklet teknologien for ioniske feller, der ladede partikler holdes i midten av et vekslende elektromagnetisk felt av en bestemt form, utviklet for et halvt århundre siden. Hun førte til og med sine skapere, Wolfgang Paul og Hans Demelt, halvparten av Nobelprisen i fysikk for 1989 (se detaljer i Nobelforelesningene: V. Paul. Elektromagnetiske feller for ladede og nøytrale partikler // UFN 160, 109-127 (1990) og H. Demelt. Eksperimenter med hvilende isolert subatomisk partikkel // UFN 160, 129-139 (1990)). I 1973 rapporterte Vineland, Ekstrom og Demelt de første forsøkene med en enkelt elektron fanget i en slik felle.Demelt kom opp med et vakkert navn for dette systemet, "geonium", en slags kunstig analog av et atom der en elektron er i en bundet tilstand med jorden (selvfølgelig med en felle). Formålet med disse forsøkene var å studere elektronens indre egenskaper, spesielt dets anomale magnetiske øyeblikk, og dens sammenligning med teoretiske spådommer (nå er denne typen måling en helt egen del av metrologi og kvantelektrodynamikk).

I samme artikkel fra 1973 ble det også nevnt muligheten for å fange individuelle ioner. I motsetning til enkelt elektroner er ioner interessante ved at de har mange interne frihetsgrader, og det er mulig å studere den opp og ned, etter å ha tatt et slikt ion i en felle. Mot dette målet i 1975 ble en Doppler-metode for kjøling av ioner utviklet (inkludert av Vineland). I denne metoden skinner ioner eller atomer med en laserstråle med en frekvens svært nær resonans spredning, men bare de som beveger seg med stor hastighet mot lysstrålen, sprer lys, mister energi og dermed kjølig. Denne teknikken ble implementert i 1978 i eksperimenter av Vineland-gruppen med Mg-ioner.+ og i eksperimentene fra Toshek-gruppen med Ba ioner+. I begge tilfeller, men det var en sky med flere titalls ioner, men etter et par år har blitt fanget enkelte ioner og begynt å studere deres spektroskopi (Toszek arbeid i 1980, gruppen og Vineland-Itano 1981). I disse artiklene ble det påpekt at den fluorescerende gløden av en enkelt ion er perfekt synlig i mikroskopet.

Begge artiklene 1980-1981, ble ionefelle temperaturen anslått til flere titalls millikelvins, men det var fremdeles for mye for å stoppe ion (eller rettere sagt, oversette den til tilstanden med lavest mulig translatorisk bevegelse). Ytterligere fremskritt på dette området var knyttet til en ny kjøleteknikk, også utviklet og implementert av Vineland, som kalles sideband kjøling (på engelsk sideband kjøling). Det er verdt å bo mer detaljert.

En elektronmolle i et atom eller en ion har et stort sett mulige muligheter for å "pakke" rundt kjernen og hvordan man organiserer spinnene av elektroner. Varianten som har den laveste energien kalles grunntilstanden, den er stabil, og varianter med høyere energi (spennende tilstander) etter en tid, blir til grunntilstanden med utslipp av en foton.I tillegg, hvis et atom er inne i en felle, så blir dess translasjonsbevegelse også kvantisert, det vil si at den også kan ha en strengt spesifikk form. Denne bevegelsen har en bakken tilstand hvor ionet praktisk talt fryser midt i fellen (det har bare en uopprettelig kvantesjitter, kalt "null oscillasjoner"), og en hel stige av begeistret tilstand som reagerer på å bevege seg frem og tilbake med stadig større amplitude. Elektronskallets eksitasjonsenergi er flere størrelsesordener større enn eksiteringsenergien av translasjonsbevegelse, og derfor har energispektret til en ion (i denne grove tilnærming) formen vist i fig. 6.

Fig. 6. Forenklet diagram over ionens energispektrum: Jordens og en spennende tilstand av elektronskallet er vist, og i begge tilfeller er det flere spennende tilstander av translasjonsbevegelse notert

Nå den morsomme delen. Fysikere er i stand til å overføre jordens tilstand til elektronskallet til en opphisset, og å kaste den "målrettet", akkurat til den spennende tilstanden vi ønsker, for dette trenger vi bare å skinne et lys på et atom med ønsket bølgelengde.Det viser seg at denne kombinasjonen – vi exciterer et atom som vi trenger det, og det går ut av denne tilstanden som "han er vant til", slik at fremoverbevegelsen av atomer blir avkjølt (figur 7).

Fig. 7. Ideen om metoden for kjøling i sidebåndet. I trinn 1 spenner vi på elektronskallet og reduserer litt translasjonsbevegelsen. Ved trinn 2 faller atomet i jordens tilstand av elektronskallet, uten å endre translasjonsbevegelsen. Når vi når bunnen av "stigen", kan ionet, som ligger i bakken av både elektronskallet og translasjonsbevegelsen, ikke gå hvor som helst.

For å gjøre dette, tar vi et atom eller ion i jordelektron tilstand og med en stor translasjonsbevegelse og overfører den til en tilstand med et spennende elektronskall (vanligvis er det bare en spinnflip av den eksterne elektronen), men med litt mindre bevegelse. Etter en stund lyser atomet fotonen og "faller" inn i jordskalens jordtilstand, og translasjonsbevegelsen endres ikke. Nettoresultatet av denne to-trinns prosessen er at translasjonsbevegelsen har gått noe ned.Gjenta denne prosedyren gang etter gang, vi kan helt slukke translasjonsbevegelsen, "plante" atomet i bakken tilstand (slik at bare null oscillasjoner forblir). Og "såing" i denne tilstanden, vil atomet ikke lenger være spent, fordi det bare har ingen steder å hoppe.

I den praktiske gjennomføringen av denne ideen var det selvsagt ganske mange tekniske finesser – spesielt det spennende atomet måtte "hjelpe" for raskt å fjerne eksitasjonen for å oppnå ønsket kjølingshastighet. Intensivt arbeid i løpet av flere år gjorde det mulig for Vineland og ansatte å overvinne dem, og i 1989 kom en artikkel fram for å oppnå grunnleggende kvantestatistikk for den translasjonelle bevegelsen av kvikksølvion. Sant i denne artikkelen ble lokalisering bare oppnådd i tverrplanet, og kvantisert bevegelse langs aksen for oppsettet var ikke tilgjengelig ennå. Men noen få år senere, i 1995, kom Vineland-gruppen til den sanne tredimensjonale lokalisering av en enkelt ion i grunnkvantumtilstanden.

Så i 1995 ble epikken, som varte i flere tiår, fullført – takket i stor grad til Vineland-gruppens prestasjoner – på den fullstendige kvante lokalisering av en enkelt ion.

Kvantuminformatikk som en eksperimentell vitenskap

Så snart jonens translasjonelle bevegelse i fellen fulgte forskerne helt, ble uvanlige kvantemekaniske situasjoner implementert umiddelbart, som til da forblev rent hypotetisk. Også i 1995 plasserte Vineland-gruppen ionen i en tilstand av kvanteoppsetting av translasjonsbevegelse – når ionen ikke står stille og ikke beveger seg, men samtidig står og beveger seg (en slik monatomisk versjon av Schrodinger katt). For å oppnå dette ble samme teknikk brukt til å overføre tilstander mellom de viktigste og spennende energibåndene. I begynnelsen ble elektronskallet av et atom overført fra en rent jordtilstand til en tilstand av overliggende posisjon av bakken og opphissede tilstander. Den "spennende delen" så "falt" på grunnleggende elektronisk tilstand, men med en annen translasjonsbevegelse. Resultatet var en tilstand av et atom med et elektronskall i bakken tilstand, men med en superposisjon av translasjonsbevegelse.

Dette arbeidet var det viktigste trinnet i transformasjonen av kvanteinformasjons fysikk fra rent teoretisk til eksperimentell vitenskap. Fysikere på den tiden hadde lenge drømt om ikke bare å lære å manipulere kvantetilstanden i et enkelt atom,men også å overføre denne kvanteinformasjonen fra et atom til et annet er et av de første trinnene mot opprettelsen av en kvantecomputer. Vineland-konsernet i 1995 (som for øvrig ble kalt "Demonstrasjon av en Fundamental Quantum Logic Gate") viste hvordan dette kan gjøres. Kvant-superposisjonen, som fortsatt "levde" inne i ionet, kunne nå bli omgjort til noe "ekstern", til en overordnet translasjonsbevegelse. Dette betyr at hvis det er en annen slik ion i nærheten, som uunngåelig er knyttet til den første på grunn av elektrostatisk interaksjon, vil den kunne oppleve det og gjøre det til sin interne superposisjon uten å miste sammenheng (som ble oppnådd i 2003). En lineær kjede av slike atomer, som henger i feltet av en periodisk felle, kan da utføre alle funksjonene til en kvantecomputer (figur 8).

Fig. 8. Et skjematisk diagram av en kvantecomputer på en kjede av kalde ioner fanget i en periodisk felle. Spesielt forberedte lyspulser styrer de logiske operasjonene mellom ioner, og det følsomme kameraet registrerer utslipp av enkelte ioner og leser dermed resultatet av operasjonene.Bilde fra artikkelen Blatt, Wineland, Nature 453, 1008 (19. juni 2008)

Etter denne prestasjonen begynte eksperimentelle metoder i kvikkinformasjonsfysikken (eller rettere i sin ioniske realisering) å utvikle seg som en lavine. I 1998 oppnådde Vineland kvantekonfliktasjonen av to romlig adskilte ioner – igjen gjennom overlegning av translasjonsbevegelse. I 2000-årene oppnådde flere forskergrupper kontrollert kvanteforstyrrelse av flere ioner. I dag er 14-ion-kvanteinnfanging implementert, så vel som mange av de logiske operasjonene som er nødvendige for kvantkalkulatoren til å virke (se Blatt og Vinelands gjennomgangsartikel for 2008).

Super presise klokker

Selv ved begynnelsen av utviklingen av metodene beskrevet ovenfor, var det klart at fangst- og kvantekontrollen av enkelte ioner kunne ha vidtgående praktiske anvendelser. På den ene siden kan dypt avkjølte enkeltkvantumpartikler bli en overfølsom sensor for eksterne forstyrrelser. På den annen side vil bruken av de atomovergangene som ikke er følsomme for eksterne forstyrrelser, tillate opprettelsen av en ny, ekstremt stabil frekvensstandard. Vineland-gruppen jobber nå blant annet med denne oppgaven, og bruker alle de samme innfangede ioner.For to år siden rapporterte de for eksempel opprettelsen av en optisk klokke, hvis hastighet ble målt med relativ nøyaktighet 10-17. Nå er nøyaktigheten av bevegelsen på nivå 10 allerede diskutert i litteraturen.-18 og bedre (se 2011 gjennomgang).

Den praktiske bruken av den ytre eksakte frekvensstandarden er at den lar deg legge merke til og bruke ekstremt svake fysiske effekter for praktiske formål. Et levende eksempel her er en annen artikkel av Vineland-gruppen for to år siden, takk til hvilken effekten av den generelle relativitetsteorien (!) Kan brukes i geodesi og hydrologi (!) Takket være bruken av ultra-presise atomklokker. Poenget her er at i henhold til den generelle relativitetsteorien, flyter tiden annerledes i gravitasjonsfeltet av forskjellige spenninger. Når man beveger seg vekk fra jordens overflate, begynner gravitasjonsfeltet å svekke seg, og derfor vil klokkens hastighet, som befinner seg i forskjellige høyder, avvike. Vineland-gruppen rapporterer at det klarte å legge merke til denne uoverensstemmelsen når høydedifferansen er mindre enn 1 meter!

En slik nær tilknytning mellom ulike grener av fysikk og deres uventede tilnærming til praktiske anvendelser er et karakteristisk trekk ved moderne vitenskap.Og hvis vi snakker om de praktiske fordelene ved grunnleggende fysikk, bekrefter nå gjeldende gjeldende Nobelprisvinnere sin gyldighet av oppgaven: Ved hjelp av grunnleggende vitenskap finner vi og bruker i praksis nye naturfenomenersom vi ikke bare kunne gjette oss selv, fast i rammen av "innovative" eller "rasjonaliserings" forslag basert på den gamle fysikken.

Litteratur og lenker:

Viktige artikler av Serge Arosha:

  • P. Goy, J.M. Raimond, M.Gross og S. Haroche. Observasjon av Cavity-Enhanced Spontaneous Emission Single-Atom // Phys. Rev. Lett. 50, 1903 (1983).
  • W. Jhe, …, S. Haroche. Supplering av spontan forfall ved optisk frekvens i begrenset rom // Phys. Rev. Lett. 58, 666 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Realisering av en tofoton maser oscillator // Phys. Rev. Lett. 59, 1899 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Observere den progressive dekoherens av måleren i kvantemåling // Phys. Rev. Lett. 77, 4887 (1996).
  • S. Gleyzes, …, S. Haroche. Quantum hopp av en foton i et hulrom // natur 446, 297 (15. mars 2007).
  • S. Deleglise, …, S. Haroche. Rekonstruksjon av ikke-klassiske hulrom med stillbilder // natur 455, 510 (25. september 2008).

Viktige artikler av David Vineland:

  • D.J. Wineland, R.E. Drullinger, og F.L. Walls. Stråling-trykkkjøling av bundet resonansabsorbenter // Phys. Rev. Lett. 40, 1639 (1978).
  • D. J. Wineland og Wayne M. Itano. Spektroskopi av en enkelt Mg+ Ion // Phys. Lett. En 82, 75 (1981).
  • F. Diedrich, J. C. Bergquist, W. M. Itano, and D. J. Wineland. Laserkjøling til nullpunkt Energi av bevegelse // Phys. Rev. Lett. 62, 403 (1989).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. Raman Cooling Resurrecting-Sideband Atom 3D Nullpunkt Energi // Phys. Rev. Lett. 75, 4011 (1995).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. Demonstrasjon av en Fundamental Quantum Logic Gate // Phys. Rev. Lett. 75, 4714 (1995).
  • Q. A. Turchette, … D. J. Wineland. Deterministisk Entanglement av To Trapped Ions // Phys. Rev. Lett. 81, 3631 (1998).
  • C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, D.J. Wineland. Optiske klokker og relativitet // vitenskap 329, 1630 (24. september 2010).

Nyttige lenker:

  • Informasjon på Nobelkomiteens nettside.
  • M. Schirber. Nobelprisen – Verktøy for Quantum Tinkering // fysikk 5, 114 (2012).
  • Ion Storage Group, ledet av Wineland. Inneholder blant annet PDF-filer av de fleste artikler i gruppen.
  • 2012 Nobelprisressurser for fysikk – et utvalg av publikasjoner fra S. Aros og D. Vineland i tidsskriftene fra American Institute of Physics.
  • Cavity quantum electrodynamics – side av en gruppe som studerer kvantelektrodynamikk i en resonator under veiledning av Serge Aros. Det er også materialer fra Atoms, Cavities and Photons konferansen dedikert til 65 års jubileum av Serge Arosch, som inneholder interessante vurderinger av historien om utviklingen av dette felt av fysikk.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Legg att eit svar

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