Элементарные частицы будто недотроги. Стоит лишь попытаться напрямую измерить их физические свойства, как они исчезают словно невесомая паутинка. Значит, пробить окно в квантовый мир и выявить свойства частиц вообще нельзя? Оказалось, можно. Именно за это достижение были награждены в этом году Нобелевской премией по физике сразу двое ученых: француз Серж Арош [его мать – урожденная Валентина Рублева, уроженка Одессы – прим. перев.], который работает в Коллеж де Франс и Высшей нормальной школе Парижа, и Дэвид Вайнленд из Национального института стандартов и технологий в Боулдере, штат Колорадо.
Арош заключил в «ловушку» частицы света (фотоны), а затем измерял их свойства при прохождении атомов через неё. Вайнленд же поступил наоборот: он заключил в «ловушку» атомы, а затем измерял их квантовые состояния, воздействуя на атомы фотонами. Оба метода помогут лучше понять фундаментальные законы квантовой механики. К тому же, они будут способствовать развитию новых технологий – квантовых компьютеров и атомных часов небывалой точности. Новость о вручении Нобелевской премии потрясла Ароша: «Когда я увидел телефонный код Швеции, то аж присел», – сказал он на пресс-конференции вскоре после оглашения имен лауреатов.
Читайте также: Бозон Хиггса пока не достоин Нобелевской премии
В квантовом мире частицы света и материи подчиняются довольно-таки странным законам: так, одна частица может пребывать сразу в нескольких взаимоисключающих состояниях – причем одновременно! А группы частиц могут оказаться каким-то таинственным образом взаимозависимы посредством явления, известного как «квантовая запутанность». Однако эти квантовые свойства трудно наблюдать: частицы демонстрируют свою квантовую природу только находясь в изоляции, причем их квантовые свойства теряются даже от малейшего воздействия извне. По этой причине проводить эксперименты с ними крайне сложно, поскольку уже сама попытка измерить их свойства полностью эти самые свойства изменяет. И вот, разработанные Вайнлендом и Арошем методы, как раз дают физикам шанс исследовать эти квантовые состояния, не разрушая их.
В экспериментах Ароша микроволновые фотоны сперва удерживались в зеркальной ловушке, постоянно при этом отражаясь от стенок между парой сверхпроводящих зеркал, а затем сквозь этот «фотонный туман» ученые направляли поток атомов рубидия. После этого, на входе и выходе из ловушки у атомов измеряли спин, в результате чего можно было опосредованно определять квантовые свойства высокочастотных фотонов находящихся внутри ловушки. В ходе дальнейших экспериментов ученые смогли зарегистрировать квантовую волновую функцию фотона (которая одновременно описывает все его возможные квантовые состояния), а затем зафиксировать его редукцию к некоему, четко определенному состоянию.
Также по теме: Ученые обнаружили гигантскую «брилиантовую» планету
Группе Вайнленда удалось удержать ионы бериллия в электрическом поле в условиях низкой температуры, при этом состояние ионов контролировалось с помощью лазера, приводившего электроны в возбуждение. В ходе данного процесса колебательная энергия системы поглощалась и в результате температура снижалась. Таким образом, исследователям удалось с помощью лазеров изменять характер колебания ионов, позволяя им управлять квантовыми взаимодействиями в данной системе. По мнению физика Эммануила Блоха, работающего в Институте квантовой оптики общества Макса Планка в Гархинге (Германия), результаты этой работы уже используются при создании атомных часов беспрецедентной точности. В дальнейшем эти методики будут применяться в квантовом компьютере – устройстве, которое работает на основе законов квантовой механики, тесно связанной с теорией вероятности.
По мнению Блоха, при вручении премии по физике, «выбрали именно тех двух ученых, которые внесли реальный вклад в фундамент квантовой физики». Блох отметил, что эта Нобелевская премия по квантовой оптике последняя. Блох считает, что теперь появится великое множество методов, подобных тем, что использовали Вайнленд и Арош, которые позволят ученым удерживать, а затем изучать и манипулировать все более сложными квантовыми системами. «Думаю, что мы действительно стали очевидцами революции в атомной физике», - добавил Блох.
