Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Прорыв из реального мира в квантовый

16.10.2012 | Температура XXI века | Количество просмотров: 5218 | Комментарии (1)

В этом году нобелевскую премию по физике получили американский ученый из НИСТ Дэвид Уайнленд и французский ученый из «Коллеж де Франс» Серж Арош. Формулировка нобелевского комитета звучала так: «for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems" (за создание прорывных экспериментальных методов манипулирования индивидуальными квантовыми системами). 

Само по себе объявление премии по физике – очень важное и интересное для всего мира событие. Фактически, это признание какого-открытия, как самого актуального для дальнейшего развития мира. Нобелевский комитет рассматривает множество номинантов каждый год. Причем имена всех номинантов могут быть оглашены только через 50 лет после вручения премии. 

Нобелевская премия по физике это, как правило, не премия за какую-то разовую работу или изобретение. За ней стоит огромная теоретическая и экспериментальная работа, которая длится порой десятилетиями. В этом году, по мнению научных журналов и СМИ наиболее вероятными претендентами на нобелевскую премию являлись открытие бозона Хигса и эксперименты по квантовой телепортации. Как это часто бывает, предсказания журналистов не сбылись – нобелевский комитет решил наградить другую работу. 

СМИ, разместившие информацию об открытии ученых, получивших нобелевскую премию по физике в 2012 году, конечно, пытались объяснить его доступным языком и связать с будущим прогрессом техники и технологии. Заголовки новостей гласили: «премия за самые точные часы», или «на пути создания самых быстрых компьютеров». Хотя, для нашей повседневной жизни, такие заголовки, на самом деле особого внимания не привлекают, т.к. точность часов нас вполне устраивает, также как и скорость компьютеров. Наиболее интересно, по-моему, звучит то, что ученые наконец смогли внедрится в загадочный квантовый мир, который, как мы знаем со школьных лет, обладает по истине волшебными свойствами.

Именно в мире квантовых законов случаются невероятные, с точки зрения нашей обыденной жизни вещи. Квантовая механика получила развитие в еще в 30-х годах 20 века. Эта теория предсказывала существование ряда парадоксов, которые объяснить было трудно. Самый известный парадокс заключается в том, что элементарная частица может одновременно существовать в нескольких состояниях и описать ее состояние можно только с помощью функции вероятности. Причем при измерении состояния частицы все другие состояния разрушаются. Любое соприкосновение с внешним миром разрушает квантовые свойства частиц. Шредингер, один из создателей квантовой механики, придумал мысленный эксперимент с котом, чтобы показать неполноту этого раздела физики. Суть его в следующем: кота запирают на час в ящик, туда же помещают радиоактивный атом, счетчик Гейгера и ампулу с ядовитым газом. Ядро атома должно распасться за час с вероятностью в 50%. Если ядро распадается, счетчик Гейгера реагирует на радиацию и открывает ампулу с газом – кот умирает. Если ядро не распадается, то кот остается жив. Получается, что кот целый час с вероятностью в 50 % жив и с той же вероятность мертв. В квантовой физике радиоактивный атом, пока мы его не наблюдаем, одновременно чуть-чуть распался и чуть-чуть — нет. Называется это «суперпозицией состояний». Чтобы внести ясность, нужно эту самую суперпозицию разрушить, ящик открыть и заглянуть внутрь.

 

Самый загадочный парадокс квантового мира, поставивший под сомнение правильность и полноту аппарата квантовой механики - это ЭПР-парадокс (парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена). Он был сформулирован в 1935 году в знаменитой работе Альберта Эйнштейна, Бориса Подольского и Натана Розена «Может ли квантово-механическое описание реальности быть полным?». Авторы показали, что из квантовой теории следует: если есть две частицы A и B с общим прошлым (разлетевшиеся после столкновения или образовавшиеся при распаде некоторой частицы), то состояние частицы B зависит от состояния частицы A и эта зависимость должна проявляться мгновенно и на любом расстоянии. Такие частицы называют ЭПР-парой и говорят, что они находятся в «запутанном» состоянии. 

Связь, существующая постоянно между двумя объектами на расстоянии, кажется невероятной.  Сам Эйнштейн считал им же предсказанное поведение частиц в ЭПР-парах «действием демонов на расстоянии» и был уверен, что ЭПР-парадокс лишний раз демонстрирует несостоятельность квантовой механики, которую ученый отказывался принимать. 

Экспериментально подтвердить квантовые свойства частиц очень сложно. Как уже было упомянуто, они теряют «таинственные» квантовые свойства во внешней среде. Именно поэтому ряд аномальных явлений, предсказанных квантовой физикой, никак не удавалось наблюдать напрямую, и исследователям приходилось изобретать косвенные эксперименты, которые давали базовое подтверждение теоретическим предсказаниям.

Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду удалось придумать оригинальные методы, позволяющие измерять и контролировать очень неустойчивые квантовые состояния, «поймать» которые напрямую считалось невозможным.

Два независимо разработанных метода имеют много общего. Вайнленд заключал в «ловушку» заряженные атомы (ионы), управляя ими и измеряя их параметры с помощью квантов света, то есть фотонов. Арош пошел в обратном направлении: измеряемыми в ловушке оказались фотоны, которые оказались там при прохождении сквозь нее атомов.

 В экспериментах Девида Вайнленда электрически заряженные ионы помещаются в созданную электродами ловушку, изолируются от окружающей среды. Главный секрет эксперимента – в управлении лазерными импульсами. Лазер используют для подавления движения частиц и перевода их в самое низкое энергетическое состояние, после чего с помощью тщательно подобранного импульса ион переводят в состояние суперпозиции, заключающееся в одновременном сосуществовании двух различных состояний с одинаковой вероятностью (например, на двух различных энергетических уровнях). Таким образом, стало возможно исследовать состояние суперпозиции.

 В лаборатории Сержа Ароша в Париже ловушка для фотонов состоит из зеркал, изготовленных из сверхпроводящего материала и охлажденных до температуры близкой к абсолютному нулю. Суперотражающие зеркала позволяют фотонам преодолевать суммарное расстояние в 40 000 км, сравнимое с путешествием вокруг Земли. Для регистрации микроволновых фотонов Арош использует так называемые атомы Ридберга, радиус которых в 1000 раз превышает радиус типичных атомов. Эти гигантские атомы посылают в ловушку один за другим с тщательно подобранной скоростью.  Взаимодействие с фотонами изменяет фазу квантового состояния атома Ридберга. Фазовый сдвиг измеряется, когда атом находится в ловушке, тем самым определяется присутствие или отсутствие в ней фотонов. Ценность эксперимента в том, что фотоны могут быть измерены фактически без их разрушения.

 Экспериментальные работы по изучению квантовых свойств частиц проводятся, конечно, не только во Франции и США. Особенно интересны эксперименты по квантовой телепортации, которые, по мнению журналистов, являлись претендентом номер один на нобелевскую премию этого года. В этих экспериментах ЭПР парадокс используется напрямую для передачи информации о состоянии частицы на расстояние. Об этом много писали. Экспериментальная реализация квантовой  телепортации поляризационного состояния фотона была осуществлена в 1997 году почти одновременно группами физиков под руководством Антона Цайлингера (Университет Инсбрука) и Франческо де Мартини (Университет Рима). В 2009 году учёным впервые удалось телепортировать квантовое состояние иона на один метр. В сентябре 2012 года Физики из Университета Вены и Академии наук Австрии установили новый рекорд в квантовой телепортации - 143 километра.

 

 Однако не успехи в описании и осуществлении телепортации информации, а именно фундаментальные экспериментальные исследования Сержа Ароша и Дэвида Вайнленда были признаны «прорывными» на пути к контролю состояния квантовых частиц. Без создания экспериментальных методов манипулирования индивидуальными квантовыми системами невозможно воплотить идею мгновенного переноса информации, которая действительно в будущем может привести к созданию сверхскоростных компьютеров. 

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Температура XXI века"

Комментарии:

Андрей 007,

частицы они телепортируют, В далеких сороковых Тесла и Энштейн смогли телепортировать эсминец, вот это интересно, а в наше время, ученые занимаются школьными экспериментами :D

Добавить комментарий: