Нобелевская премия по физике 2012 года

Манипулируя отдельными квантовыми системами

Серж Арош и Дэвид Дж. Винланд удостоены Нобелевской премии по физике за разработку методов измерения и манипулирования одиночными частицами без разрушения их квантовых свойств. Арош «ловит» фотоны, измеряет и контролирует их квантовые состояний при помощи атомов. Винланд же держит ионы в ловушке и управляет ими светом.

Однофотонный контроль

Серж Арош и его коллеги разработали эксперимент по изучению квантовой механики микроволнового света в ловушке между двумя зеркалами (резонатор). Они показали, что квантом света , фотоном , можно управлять с поразительной точностью.

Свет обычно обнаруживается путем разрушения: например, датчик света , называемый фотодиодом , генерирует электрический импульс при поглощении фотона. Но группа Арош смогла зарегистрировать интенсивность света с помощью неразрушающего метода , в котором атомы, пролетающие через ловушку с фотонами не взаимодействуют с последними, а являются своеобразными зондами их состояния. С квантовой точки зрения каждой частице, здесь это атом, соответствует определенная длина волны. В данном случае после прохождения ловушки атом менял фазу своего квантового состояния, что свидетельствовало о наличии фотона между зеркал. Когда в эксперименте используются водородоподобные возбужденные атомы, так званые ридберговские атомы, метод становится достаточно чувствительным для обнаружения одного фотона и регистрации его смерти – поглощения зеркалом резонатором. Таким образом, появилась возможность считать фотоны без их разрушения. Комманда Ароша также подготовила эксперимент, в котором фотоны находились в состоянии «кота Шредингера», а точнее в состоянии суперпозиции и наблюдали как это состояние меняется при поглощении фотонов в резонаторе.

Пленение иона

Экспериментатор, Дэвид Винланд стал первым, кто использовал электромагнитные устройства, известные как ловушки Пола, для захвата ионов в ловушку для квантовой метрологии. В ходе работы, он разработал множество новаторских экспериментальных методов что с тех пор стали стандартными средствами манипуляций с отдельными атомами. Вооруженный эффективной технологией одноатомного детектирования вместе с лазерным охлаждением с целью привести ион до самой низкой энергией колебательного состояния, Винланд проводит сверхвысокоточную спектроскопию одиночных ионов. Примечательно, что именно с этой технологией, он заложил основу для беспрецедентного контроля над электронными и поступательными степенями свободы иона с возможностью создания таких суперпозиционных состояний, существование которых возможно лишь в резонаторе посредством взаимодействия света и вещества.

Эти работы вывели современную науку на новый уровень и приблизили нас на огромный шаг к созданию квантового компьютера. Уже сейчас осуществлена передача информации (квантового состояния) между 14 ионами, заключенными в ловушку, представленную Винландом. Кроме того, практическим применением вышеупомянутых открытий также стали сверхточные часы с точностью хода 10–17 Это сделает возможным регистрацию очень слабых физических эффектов и их дальнейшее практическое применение.