Повелители микромира

Нобелевскую премию дали за обуздание квантовых систем

Нобелевскую премию по физике 2012 года получили Серж Арош и Дэвид Уайнленд. Этой награды они удостоились за "создание технологий измерения и манипулирования квантовыми системами". Арош и Уайнленд не были первооткрывателями, но именно благодаря их достижениям многие загадочные свойства квантовых систем стали предметом экспериментов, вещью, которую теперь практически можно потрогать руками. Последствия этого прорыва не заставили себя долго ждать: опыты физиков совершили революцию в квантовой оптике. Их работы позволили создать сверхточные атомные часы и показать, что квантовые вычисления могут выполняться на практике.

Немного о механике

Квантовая механика является одной из самых точных (то есть позволяющих производить точнейшие расчеты) теорий из когда-либо созданных человеком. Несмотря на это единого мнения о природе объектов, с которыми приходится работать в рамках этой теории, до сих пор нет.

Чаще всего, говоря о квантовой механике, придерживаются так называемой копенгагенской интерпретации, которую сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг в 20-х годах прошлого века. До недавнего времени это была самая популярная интерпретация после сугубо инструментального подхода, сформулированного Дэвидом Мермином в словах "заткнись и считай" (часто эту фразу приписывают Ричарду Фейнману), однако в последние годы она стала терять свои позиции. Сейчас копенгагенская уступает так называемой многомировой интерпретации.

Итак, основные положения копенгагенской интерпретации следующие. Все события в мире квантовой механики носят вероятностный характер. Основным объектом, описывающим систему, является волновая функция, квадрат модуля которой (вообще говоря, волновая функция может принимать не только действительные, но и комплексные значения), например, для частицы задает распределение вероятности обнаружения этой самой частицы в той или иной точке пространства. То есть, чтобы вычислить вероятность нахождения какого-нибудь электрона в том или ином регионе пространства, нужно взять этот самый квадрат и проинтегрировать его по интересующему нас региону. Например, электронные облака, изучаемые в курсе школьной химии, - это и есть распределение в трехмерном пространстве квадрата волновой функции, соответствующей электрону.

Однако главная особенность копенгагенской интерпретации заключается не в вероятностной природе объектов, которыми оперирует квантовая механика, а в понятии наблюдения. С точки зрения этой интерпретации, всякое измерение неотвратимым образом воздействует на систему. Вследствие этого система теряет все свои квантовые свойства и становится классической. Вместо размазанной волновой функции у наблюдателя оказывается обычная (насколько это возможно) частица - те же электроны перестают быть облаками.

Этот процесс получил название редукции фон Неймана, или коллапса волновой функции. Насколько этот процесс связан с природой изучаемого объекта, а насколько с описывающей его математикой - вопрос, достойный отдельного обсуждения (если коллапс, например, мгновенный, то он противоречит тому, что всякое взаимодействие не может распространяться быстрее света). Забегая вперед, впрочем, скажем, что за годы физикам удалось вписать коллапс в физику, используя самые разные подходы: квантовую декогеренцию, стохастическое уравнение Шредингера и многое другое.

Кстати, Эрвин Шредингер придумал своего знаменитого кота (изначально, кстати, пример с котом предназначался не для объяснения сути копенгагенской интерпретации, а наоборот - для демонстрации ее абсурдности!) именно для иллюстрации коллапса волновой функции. Несмотря на то, что пример широко известен, для полноты изложения позволим себе его напомнить. Представим себе черный ящик, внутрь которого помещен кот. Помимо животного в ящике находится прибор для убивания кота, - например, ампула с ядовитым газом, - который срабатывает от единственного атома некоего радиоактивного элемента. Если атом распадается, то прибор включается и кот гибнет. Если атом не распадается, то кот живет. С точки зрения внешнего наблюдателя, кот внутри ящика спустя некоторое время (период полураспада элемента, если быть точным) окажется одновременно в двух состояниях - живом и мертвом. При этом в каждом из них кот будет находиться с вероятностью 1/2. В свою очередь, измерить состояние системы - это то же самое, что открыть ящик и посмотреть, что стало с животным.

Таким образом, копенгагенская интерпретация однозначно утверждает, что квантовые системы и описывающие их волновые функции привычными нам методами изучать невозможно в принципе. А уж манипулировать ими - тем более. Однако, как оказалось, природа оставила людям лазейки в этом, на первый взгляд, фундаментальном запрете - и именно Сержу Арошу и Девиду Уайнленду удалось их найти.

Серж Арош и Девид Уайнленд

В 80-х годах прошлого века квантовая оптика - подраздел квантовой механики, занимающийся, как следует из названия, оптическими системами, - переживала период бурного расцвета. Это было связано, среди прочего, с технологиями, которые наконец достигли нужного для производства соответствующего оборудования уровня. Одним из популярных объектов для изучения в это время стали так называемые объемные резонаторы - по сути пара отражающих элементов-зеркал, между которыми возбуждалось электромагнитное поле. В случае удачного подбора условий - температуры, расстояния между зеркалами и прочих параметров, физикам удавалось добиться того, что возникающие фотоны жили в резонаторе достаточно долго. Иногда фотоны, прежде чем их поглотят стенки камеры, успевали прожить десятые доли секунды, "пробегая" в общей сложности до 40 тысяч километров.

С помощью таких резонаторов одни физики изготавливали мазеры - микроволновые лазеры, то есть источники когерентного излучения в микроволновом диапазоне, другие интересовались взаимодействием фотонов и атомов материи. Француз Серж Арош, работавший тогда в Париже, относился ко второй категории. Он, впрочем, заинтересовался вот чем: можно ли с помощью атомов узнать, что, с точки зрения квантовой механики, происходит внутри резонатора? Если быть точным, то можно ли узнать, есть ли внутри резонатора хоть один фотон.

При этом, конечно, Арош хотел получить ответ на свой вопрос, не уничтожая фотон в резонаторе - то есть не вызывая коллапса его волновой функции. Но разве такое возможно? Не противоречит ли это фундаментальным основам квантовой механики? Оказалось, что нет, не противоречит. Эксперимент Ароша выглядел следующим образом. Он брал резонатор, состоящий из двух зеркал, охлажденных почти до абсолютного нуля и расположенных на расстоянии около трех сантиметров друг от друга. Внутри резонатора создавалось поле, то есть по сути от стенки к стенке летали фотоны.

Сквозь этот резонатор пропускали ридберговские атомы - атомы, один из электронов которых находится на очень высоком энергетическом уровне. С классической точки зрения, это означает, что данный электрон движется вокруг ядра по орбите с очень большим радиусом и напоминает тонкий пончик (электрон почти равномерно "размазан" по почти круговой орбите). "Остаток" атома можно рассматривать как отдельный катион, то есть положительно заряженный ион. В результате структура получившегося атома напоминает классическую схему атома водорода. Радиус таких атомов на несколько порядков больше обычных (в 2008 году атом калия удалось раздуть до 1 миллиметра!) - в работе Ароша использовались атомы рубидия диаметром 125 нанометров.

Скорость ридберговских атомов была подобрана таким образом, что они не поглощали фотон. Но особым образом подобранные исходные состояния атомов менялись специфическим образом, проходя через резонатор. Если быть точным, то состояние атома можно представлять в виде волны, - так вот, если в резонаторе был фотон, то пики этой волны смещались. А это, в свою очередь, можно было зарегистрировать уже обычными измерениями. Развивая идеи и используя более одного атома, Арош создал технологию подсчета количества фотонов в резонаторе.

Американец Дэвид Уайленд, в отличие от Ароша, интересовался ионами. Объектом его исследований были ионы, помещенные в ловушку. Ловушка представляет собой вакуумную камеру, в которой присутствует статическое и колебательное электрическое поле. Эти поля позволяют удерживать и изучать одиночные ионы - за разработку такой ловушки, получившей название ловушки Пауля, Вольфганг Пауль и Ханс Демельт в 1989 году получили Нобелевскую премию по физике.

Главным достижением Уайнленда стало умелое использование лазерных импульсов. Например, оказалось, что, подбирая особым образом такие импульсы, можно "затолкать" ион в самое нижнее энергетическое состояние. А после, с помощью уже других импульсов, перевести ион в суперпозицию нижнего и следующего за ним энергетического состояния. Суперпозицией в квантовой механике называется ситуация (мы по-прежнему говорим про копенгагенскую интерпретацию), когда волновая функция может схлопываться лишь к конечному числу классических состояний - в данном случае, двум. Получив ион в настоящем квантовом состоянии, физики наконец смогли изучать эти, казалось бы, загадочные объекты.

Коллапс, часы и квантовые компьютеры

Последствия опытов Уайнленда и Ароша сложно переоценить. В 90-х годах развернулась полномасштабная атака на коллапс волновой функции. В течение последних 20 лет были получены результаты, которые перевернули представление ученых об этом процессе - возникла теория декогеренции, в настоящее время являющаяся де-факто стандартным объяснением видимости коллапса. Возникли целые новые направления в квантовой физике. Например, слабые квантовые измерения позволяют остановить коллапс волновой функции - и так далее. Фундаментальный запрет перестал пугать физиков.

Были у этих открытий и прикладные последствия. Так, результаты нобелевских лауреатов позволили создать сверхточные атомные часы (в этой деятельности сам Уайнленд принимал посильную роль). В частности, ученые создали часы, в которых роль маятника исполняет ион, а второй используется для считывания "колебаний" первого без разрушения его квантового состояния. В 2008 году вышла работа, в которой Уайнленд показал, что такие часы позволяют добиться точности на два порядка выше распространенных сейчас цезиевых часов. Эта точность настолько велика, что при поднятии часов в лаборатории буквально на 30 сантиметров они начинают идти по-другому из-за разницы в гравитационных потенциалах!

Наконец, самым известным публике последствием экспериментов Уайнленда и Ароша стали эксперименты по квантовым вычислениям. В 90-х годах возникла идея квантового компьютера - вычислительной машины, функционирующей на принципах квантовой механики. Отличительной чертой таких гипотетических машин должны были стать вероятностная природа всех алгоритмов (ответ дается с некоторой вероятностью) и невероятная вычислительная мощь. Функционировать они должны были на кубитах - квантовых аналогах бита, которые могли находиться не только в состояниях 0 и 1, но и в их суперпозиции.

Уайнленд стал первым, кто сумел собрать из двух кубит логическую систему, реализующую отрицание NOT. Нельзя сказать, что это было очень уж впечатляюще. Да и на пути к созданию квантового компьютера (равно как и полноценных квантовых криптосистем, в которых используются наработки нобелевских лауреатов) предстоит решить еще множество сложнейших практических задач. Но это не отменяет достижений американца.

Вместо заключения

Если говорить коротко, не углубляясь в научные понятия, то ситуация такова: Дэвид Уайнленд и Серж Арош не сделали великих открытий. Они не обнаружили ускоренное расширение Вселенной, не открыли графен. Но их невероятная любознательность и инженерный талант позволили ученым преодолеть, казалось бы, нерушимый барьер. И это продолжает приносить удивительные, пусть и не всегда понятные плоды.