Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики
Нобелівську премію з фізики 2012 року було присуджено Сержу Арошу і Девіду Вайнленду за роботи в галузі квантової оптики з формулюванням «за революційні експериментальні методи, що дозволили вимірювати окремі квантові системи та маніпулювати ними». Розроблення цих «революційних експериментальних м...
Saved in:
| Published in: | Вісник НАН України |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/67248 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики / Л.П. Яценко // Вісн. НАН України. — 2013. — № 4. — С. 30-39. — Бібліогр.: 29 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859611548213837824 |
|---|---|
| author | Яценко, Л.П. |
| author_facet | Яценко, Л.П. |
| citation_txt | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики / Л.П. Яценко // Вісн. НАН України. — 2013. — № 4. — С. 30-39. — Бібліогр.: 29 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вісник НАН України |
| description | Нобелівську премію з фізики 2012 року було присуджено Сержу Арошу і Девіду Вайнленду за роботи
в галузі квантової оптики з формулюванням «за революційні експериментальні методи, що дозволили
вимірювати окремі квантові системи та маніпулювати ними». Розроблення цих «революційних експериментальних методів», яке тривало впродовж кількох десятиліть, дає можливість спостерігати такі
фундаментальні квантові явища, як народження і смерть фотона, квантову заплутаність, квантові
стрибки, квантову телепортацію, реалізувати квантові логічні операції з одиночними іонами, і, нарешті, перейти до практичного втілення ідеї квантового комп’ютера та керування процесами у квантових
системах.
Нобелевская премия по физике 2012 года была присуждена Сержу Арошу и Девиду Вайнленду за работы в
области квантовой оптики с формулировкой «за революционные экспериментальные методы, позволившие измерить отдельные квантовые системы и манипулировать
ими». Разработка этих «революционных экспериментальных методов», продолжавшаяся в течение нескольких десятилетий, дает возможность наблюдать такие фундаментальные квантовые явления, как рождение и смерть фотона, квантовую запутанность, квантовые скачки, квантовую
телепортацию, реализовать квантовые логические операции с одиночными ионами и, наконец, перейти к практическому воплощению идеи квантового компьютера и
управления процессами в квантовых системах.
The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly
to Serge Haroche and David J. Wineland for their research
in the field of quantum optics with formulation
«for ground-breaking experimental methods that enable
measuring and manipulation of individual quantum
systems». The «ground-breaking experimental me thods»
development, which lasted for several decades, made it
possible to observe such fundamental quantum phenomena
as birth and death of a single photon, quantum
entanglement, quantum jumps, quantum teleportation,
to realize quantum gates with single ions and, finally, to
start the practical realization of the quantum computer
idea and the control of the processes in quantum systems.
|
| first_indexed | 2025-11-28T12:52:05Z |
| format | Article |
| fulltext |
30 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА — 2012
Нобелівську премію з фізики 2012 року було присуджено Сержу Арошу і Девіду Вайнленду за роботи
в галузі квантової оптики з формулюванням «за революційні експериментальні методи, що дозволили
вимірювати окремі квантові системи та маніпулювати ними». Розроблення цих «революційних експе-
риментальних методів», яке тривало впродовж кількох десятиліть, дає можливість спостерігати такі
фундаментальні квантові явища, як народження і смерть фотона, квантову заплутаність, квантові
стрибки, квантову телепортацію, реалізувати квантові логічні операції з одиночними іонами, і, нареш-
ті, перейти до практичного втілення ідеї квантового комп’ютера та керування процесами у квантових
системах.
Ключові слова: квантові системи, квантовий комп’ютер, Нобелівська премія, Арош, Вайнленд.
УДК 535.14
Л.П. ЯЦЕНКО
Інститут фізики Національної академії наук України
пр. Науки, 46, Київ, 03028, Україна
ЕКСПЕРИМЕНТИ З ОКРЕМИМИ
ФОТОНАМИ Й АТОМАМИ ПІДТВЕРДЖУЮТЬ
ФУНДАМЕНТАЛЬНІ ОСНОВИ КВАНТОВОЇ МЕХАНІКИ
ТА КВАНТОВОЇ ОПТИКИ
© Л.П. Яценко, 2013
ЛАУРЕАТИ НОБЕЛІВСЬКОЇ ПРЕМІЇ
З ФІЗИКИ 2012 РОКУ
Серж Арош (Serge Haroche) народився
11 вересня 1944 р. у м. Касабланка в Марок-
ко. Його батько, Альбер Арош, був адвока-
том і походив із родини євреїв-сефардів.
Мати, Валентина Арош (Рубльова), родом з
Одеси, — учителька. Коли майбутньому но-
белівському лауреату виповнилося 12 років,
Марокко проголосило незалежність, і вся
родина переїхала до Франції. У 1963–1967 рр.
Серж вивчав фізику у Вищій нормальній
школі (фр. École normale supérieure) та на
факультеті наук Паризького університету.
З 1967 по 1971 р. С. Арош працював над ди-
сертацією на здобуття ступеня доктора філо-
софії під науковим керівництвом майбут-
нього нобелівського лауреата з фізики (1997)
Клода Коен-Таннуджі (Claude Cohen-Tan-
noudji). У цій роботі під назвою «Теоретич-
ні та експериментальні дослідження фізич-
них властивостей атомів, що взаємодіють з
радіочастотними фотонами» він вивчав
ефекти оптичної накачки в лужних атомах і
вперше використав формалізм так званих
«одягнених» атомів [1]. Цікаво, що резуль-
тати дисертації стали важливою складовою
частиною «революційних експерименталь-
них методів», розроблених С. Арошем зі спів-
робітниками для неруйнівного детектуван-
ня фотонів за допомогою лужних атомів
(рубідію), збуджених у високоенергетичні
рідбергівські стани.
Значущим етапом у науковій кар’єрі Сер-
жа Ароша виявилися два роки (1972–1973),
які він провів у Стенфордському універси-
теті на позиції постдока в лабораторії ще од-
ного майбутнього нобелівського лауреата з
фізики (1981) Артура Шавлова (Arthur
31ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА
Schawlow). Там він за допомогою лазерів на
барвниках досліджував еволюцію в часі од-
ного з основоположних явищ квантової ме-
ханіки — суперпозиції квантових станів [2].
Упродовж 1974–2012 рр. С. Арош проводив
свої дослідження у Вищій нормальній школі,
де згуртував потужну команду з давніх колег,
постдоків, аспірантів і студентів. З 2012 р.
Серж Арош — директор Колеж де Франс
(фр. Collège de France), одного з найпрестижні-
ших вищих навчальних закладів Франції. До
речі, посада професора цього закладу вважа-
ється вершиною наукової ка р’є ри у Франції.
Девід Вайнленд (David J. Wineland) усьо-
го на півроку старший за свого французько-
го колегу. Він народився 24 лютого 1944 р. у
містечку Вауватоза поблизу Мілуокі — сто-
лиці штату Вісконсин. Після його народжен-
ня сім’я деякий час жила в Денвері, а згодом,
коли Девіду було три роки, переїхала до
Сак раменто (штат Каліфорнія). У 1961 р.
Д. Вайнленд закінчив школу Енсіна, розта-
шовану в Сакраменто, а в 1965 р. в Каліфор-
нійському університеті в Берклі здобув сту-
пінь бакалавра. З 1966 р. він працював над
дисертацією на здобуття PhD у Гарвард-
ському університеті під керівництвом ви-
датного вченого Нормана Рамсі (Norman
Ramsey), нобелівського лауреата з фізики
(1989). Дисертацію, яку Д. Вайнленд захис-
тив у 1970 р., було присвячено мазерам на
атомарному дейтерії, частота якого, завдяки
прецизійному контролю параметрів мазера
та створенню довгоживучих квантових су-
перпозицій надтонких станів, відтворюва-
лася з точністю до 5·10–12 [3]. Після цього
Д. Вайнленд працював у групі Ганса Георга
Демельта (Hans Georg Dehmelt) у Вашинг-
тонському університеті й зробив значний
внесок у розроблення електромагнітних
пасток для окремих електронів та іонів, за
що Г. Демельту було присуджено Нобелів-
ську премію (1989). Починаючи з 1975 р.,
уже понад 37 років, Д. Вайнленд працює в
Національному бюро стандартів, нині Наці-
ональний інститут стандартів і технології
(NIST), в Боулдері (штат Колорадо).
Можна бачити, що життєві шляхи нобе-
лівських лауреатів 2012 р. дуже подібні:
вони майже ровесники, їхніми вчителями
були видатні фізики, нобелівські лауреати
різних років, приблизно водночас вони за-
хистили докторські дисертації, понад 35 ро-
ків незмінно працювали у своїх лабораторіях,
Серж АРОШ (Serge HAROCHE)
Девід ВАЙНЛЕНД (David WINELAND)
32 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА
близько 25 років тому розпочали свої про-
екти з дослідження окремих фотонів за до-
помогою атомів (Серж Арош) та окремих
атомів (іонів) за допомогою фотонів (Девід
Вайнленд) і, нарешті, їхні шляхи перетну-
лися, коли їх разом було удостоєно Нобелів-
ської премії 2012 року.
ЕКСКУРС В ІСТОРІЮ
РОЗВИТКУ КВАНТОВОЇ ФІЗИКИ
Нобелівська премія Сержа Ароша і Девіда
Вайнленда є продовженням низки Нобелів-
ських премій ХХ ст., що відзначають віхи
становлення квантової фізики, яка є осно-
вою сучасної науки.
На кінець ХІХ ст. завдяки зусиллям Нью-
тона, Максвелла, Фарадея та багатьох ін-
ших видатних учених фізику вважали фак-
тично завершеною класичною наукою. У
квітні 1900 р. у публічній лекції в Королів-
ському інституті Великої Британії (Royal
Institution of Great Britain) на тему «Хмари
з де в’ятнадцятого століття над динамічною
теорією тепла» сер Вільям Томсон (лорд
Кельвін), один із найвідоміших на той час
фізиків світу, зазначив, що грандіозну бу-
дівлю фізики вже зведено, залишилися
тільки дрібні оздоблювальні штрихи [4].
Щоправда, він зауважив, що на безхмарно-
му небосхилі фізики помітні дві невеликі
хмаринки, дві проблеми, які не знайшли
поки що пояснення з позицій класичної фі-
зики. Однак ці проблеми здавалися тоді
тимчасовими і скороминущими. Йшлося
про те, що, по-перше, класична фізика не
могла пояснити досліди Майкельсона, які
не виявили впливу руху Землі на швидкість
світла, і, по-друге, що результати експери-
ментів з дослідження особливостей спектра
випромінювання нагрітих тіл суперечили
висновкам аналізу, який ґрунтувався на
класичній фізиці.
Як тепер добре відомо, лорд Кельвін по-
милявся. З цих двох хмаринок пролилася
злива, що докорінно змінила фізику. Для
розв’язання першої проблеми Альберт Ей-
нштейн створив теорію відносності, яка на
сьогодні є основою фізики на макроскопіч-
ному рівні, у масштабах Всесвіту, галактик
та на швидкостях, близьких до швидкості
світла. Друга проблема, так звана проблема
спектра випромінювання чорного тіла, та-
кож спричинила зміну фундаментальних
поглядів на природу, але на мікроскопічно-
му рівні, у масштабі окремих атомів і моле-
кул. Без цього не можна було пояснити,
чому нагрітий до певної температури шма-
ток заліза стає червоним, а не яскраво-
фіолетовим, як це мало б бути в рамках ста-
рої доброї класичної фізики.
Перший крок до вирішення проблеми
чорного тіла зробив на самому початку ми-
нулого століття німецький фізик Макс
Планк, припустивши, що енергія світла
може змінюватися не неперервно, а дискрет-
ними, хоч і надзвичайно малими, порціями
— квантами. Для мінімально можливої змі-
ни енергії, ΔЕ, Планк написав одну з двох
найвідоміших коротких формул фізики:
ΔЕ = hν, де ν — частота світла, а h — знамени-
тий квант дії, або стала Планка. Це припу-
щення, яке жодним чином не могло бути об-
ґрунтоване в класичному підході, дало змогу
Планку отримати правильну формулу для
розподілу енергії у спектрі випромінювання
чорного тіла.
Квантова гіпотеза німецького вченого,
глибоку суть якої було усвідомлено науко-
вою спільнотою набагато пізніше, стала по-
чатком розвитку квантової фізики. Її основи
суперечать усякому здоровому глузду пере-
січної людини. Упродовж наступних 30 ро-
ків побудову сучасної квантової фізики було
завершено, завдяки роботам Ейнштейна,
Планка, Бора, де Бройля, Гейзенберга, Шре-
дінгера, Ландау, які в різний час здобули ви-
знання у вигляді Нобелівської премії з фізи-
ки, а також завдяки дослідженням десятків
інших учених, яким хоч і не пощастило
отримати найвище визнання, проте вони
зробили свій значний внесок у становлення
цієї науки.
В основу квантової фізики покладено
квантову механіку, що описує рух і взаємо-
дію мікрочастинок — електронів, атомів і
молекул. Згідно з принципами квантової
33ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА
механіки, ці частинки в різних умовах мо-
жуть виявляти властивості як частинки,
так і хвилі. Поведінка квантових систем з
погляду повсякденної інтуїції виглядає
дуже дивною і не піддається розумінню з
точки зору здорового глузду: неможливо
одночасно виміряти координату і швид-
кість частинки; не існує визначеної траєк-
торії частинки; частинка може перебувати
водночас у різних місцях і ми можемо зна-
ти лише ймовірність того, що під час вимі-
рювання її можна знайти в заданому місці;
як передбачив Планк, внутрішня енергія
атома чи молекули може змінюватися тіль-
ки дискретно і т.д. Однак квантова механі-
ка — це математично обґрунтована теорія,
всі передбачення якої до цього часу блис-
куче узгоджуються з експериментом. Біль-
ше того, в повсякденному житті використо-
вують величезну кількість різних приладів
(від мобільних телефонів до лазерів), які
діють виключно завдяки виконанню зако-
нів квантової механіки.
Квантові властивості виявляє також і світ-
ло. Класичну оптику сьогодні замінює кван-
това оптика, яка розглядає світло як кванто-
вий об’єкт, що складається з квантів — фо-
тонів. Сучасне поняття фотонів суттєво
відрізняється від перших квантів Планка і
Ейнштейна, і все ж можна вважати, що
світло складається з елементарних части-
нок — фотонів, які в певних умовах вияв-
ляють властивості частинки, а в інших —
хвилі. В цьому сенсі фотони близькі за
властивостями до електронів і атомів, про-
те між ними існує істотна відмінність,
оскільки вільний фотон завжди рухається
зі швидкістю світла і його маса спокою до-
рівнює нулю.
Більшість експериментів з перевірки
квантових законів мали справу з величез-
ною (макроскопічною) кількістю атомів чи
фотонів. У цьому разі з погляду здорового
глузду квантові явища в основному більш-
менш зрозумілі, хоча й у цьому випадку
вони можуть виявлятися на макроскопіч-
ному рівні, наприклад надпровідність, над-
плинність та ін. Однак дивна квантова по-
ведінка окремого атома чи фотона при цьо-
му не спостерігається завдяки усередненню
за гігантською кількістю атомів.
Однак іще на етапі становлення кванто-
вої механіки в знаменитих дискусіях Бора і
Ейнштейна широко застосовували так зва-
ний уявний експеримент з окремим атомом
чи електроном. Очікувані результати таких
експериментів повністю суперечили по-
всякденному досвіду, й Ейнштейн викорис-
товував їх для підтримки своєї тези про те,
що «Бог не грає в кості». Ці експерименти
були уявними, оскільки тоді ніхто навіть
гадки не мав, що досліди з окремим атомом
чи фотоном дійсно можна провести, на-
стільки складними вони здавалися.
Проте з розвитком експериментальної
техніки, і насамперед з появою лазерів, над-
провідної технології та сучасних ком п’ю-
терів, подібні експерименти перейшли з
розряду принципово неможливих до мож-
ливих у принципі. Зацікавленість у дослі-
дженнях з окремими одиночними кванто-
вими об’єк тами зумовлена не лише природ-
ним для фізиків прагненням перевірити
свої фундаментальні уявлення про фізичну
реальність, продемонструвавши парадок-
сальні квантові ефекти, а й, як не дивно,
«Фотонна коробка» для збереження фотона. На думку
Ейнштейна, такий уявний експеримент доводить по-
рушення співвідношення невизначеності між енергією
та часом: ΔE·Δt ≥ h [5]
34 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА
незвичайними можливостями практичного
використання суто квантових ефектів.
Найвідомішим можливим практичним
використанням квантових ефектів у окре-
мих атомах є створення квантового ком-
п’ютера. Головна ідея полягає в тому, що
замість стандартного для класичного ком-
п’ю тера базового поняття «біт» (тобто мік-
ропристрою, що може перебувати у двох
станах, які відповідають значенням 0 і 1)
використовують поняття «кубіт» (кванто-
вого об’єкта, який може бути водночас у
так званій квантовій суперпозиції станів 0
і 1). Квантові обчислення зводяться до ма-
ніпулювання та вимірювання квантових
станів окремих кубітів і дають змогу кар-
динально прискорити роз в’язання деяких
задач. Найпривабливішою для практично-
го застосування виглядає можливість фак-
торизувати великі числа (тобто розкладати
їх на множники) за дуже короткий час. На-
приклад, для того щоб знайти множники
1000-значного числа за допомогою класич-
ного комп’ютера, знадобиться час, більший
за час існування Всесвіту, тоді як кванто-
вий комп’ютер зможе розв’язати цю задачу
за кілька секунд. Такі перспективи зумов-
люють практичний інтерес до квантових
комп’ютерів, оскільки неможливість фак-
торизації великих чисел є основою сучас-
них методів криптографії.
Принципово важливим під час досліджен-
ня квантової поведінки окремих фотонів або
атомів є забезпечення неруйнівної взаємодії
квантового об’єкта з вимірювальним прила-
дом, яким для досліджуваного фотона може
бути атом, а для досліджуваного атома —
фотон. Як зазначив у своїй нобелівській
лекції Серж Арош, реєстрація окремої кван-
тової частинки була можливою ще за часів
Шредінгера, проте, як той влучно зауважив,
це була «посмертна» фізика, що повністю
руйнувала об’єкт дослідження. Можливо,
саме розроблення неруйнівної методики
вимірювань дозволило отримати результа-
ти нобелівського рівня, особливо коли
йдеться про маніпулювання окремими фо-
тонами.
КЕРОВАНІ ФОТОНИ В КОРОБЦІ:
ВІД КВАНТІВ ДО КЛАСИКИ
Отже, понад 20 років тому в Нормальній
школі в Парижі 40-річний професор Серж
Арош разом зі своїми молодшими колегами
Мішелем Брюном (M. Brune) і Жаном-Марі
Раймоном (J-M. Raimond), які захистили
докторські дисертації під його керівницт-
вом, розпочали довгостроковий проект фун-
даментальних досліджень у галузі резона-
торної квантової електродинаміки (cavity
quantum electrodynamics), яка дає нам змогу
стати свідками взаємодії між світлом і мате-
рією на найбільш фундаментальному рівні.
Метою проекту було створення неруйнівно-
го детектора одиночних фотонів і дуже якіс-
ної коробки (резонатора), в якій фотони мо-
гли б залишатися живими впродовж достат-
ньо тривалого часу.
Ідею методу неруйнівного детектування
N фотонів у мікрохвильовому резонаторі
було запропоновано в 1990 р. у роботі [6]. В
основу методу покладено ефект світлового
зсуву, тобто дуже малої зміни частоти пере-
ходів атома між збудженими рідбергівськи-
ми станами під час взаємодії атома з нерезо-
нансним світлом, передбачений К. Коен-
Таннуджі ще в 1961 р. [7]. Величина цього
зсуву пропорційна числу фотонів N у резо-
наторі. В результаті, якщо створити диполь-
ний момент в атомі перед взаємодією з фо-
тоном резонатора, то після взаємодії фаза
дипольного моменту змінюється на величи-
ну, пропорційну N, яка може досягати по-
рядку π. Таку значну зміну фази дипольного
моменту можна зареєструвати, а отже, отри-
мати інформацію про число фотонів у резо-
наторі без їх руйнування.
Уперше метод було реалізовано в 1999 р.
у дослідженні [8], де вдалося побачити фо-
тон кілька разів упродовж усього кількох
мікросекунд. Проте для здійснення запла-
нованих експериментів з окремими фотона-
ми цей час був занадто короткий — потріб-
но, щоб час життя фотонів був у десятки
тисяч разів довший. Для цього необхідно
було значною мірою вдосконалити пастку
для фотонів, що й було зроблено, але знадо-
35ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА
билося на це 7 років наполегливої праці.
Нарешті, в лабораторії у Вищій нормальній
школі було створено найнадійнішу у світі
пастку для фотона — резонатор, сформова-
ний двома дзеркалами, відбиваючись від
яких фотон може «жити» впродовж 130 мс,
що в масштабах мікросвіту становить ві-
чність. За цей час фотон проходить загалом
близько 40 тис. км, відбиваючись від дзер-
кал 1,5 млрд разів, і при цьому залишається
в резонаторі. Це найдовше у світі захоплення
фотона [9] стало можливим завдяки вико-
ристанню новітніх технологій виготовлення
дзеркал та охолодженню всієї установки до
температур, близьких до температури абсо-
лютного нуля, коли металева ніобієва плів-
ка, що формує поверхню дзеркала, стає над-
провідною і припиняє поглинати світло.
Використовуючи такий резонатор, С. Аро-
шу зі співробітниками вдалося, починаючи
з 2007 р., провести низку вражаючих експе-
риментів.
У роботі [10] вперше спостерігали наро-
дження, життя і смерть одного фотона. Було
показано, що фотон у порожньому до цього
резонаторі виникає миттєво (на мілісекунд-
ній шкалі часу) в результаті так званого
квантового стрибка, живе в резонаторі якийсь
час, тривалість якого є випадковою величи-
ною із середнім значенням 0,13 с, і зникає
також унаслідок квантового стрибка.
Процес квантового вимірювання і колап-
су хвильової функції було наочно продемон-
стровано в експериментах, описаних у [11].
Початковий когерентний стан із середнім
числом фотонів 2,4 після взаємодії з вели-
кою кількістю пробних атомів колапсував
до фоківського стану, номер якого визначав-
ся випадково.
У реальному часі було продемонстровано
[12], як відбувається руйнування квантової
суперпозиції двох макроскопічних станів —
так звана «проблема кота Шредінгера». При
цьому як класичний об’єкт — кіт, що, за
Шредінгером, може бути одночасно і жи-
вим, і мертвим, — використовували мікро-
хвильове класичне випромінювання, яке ін-
жектували в резонатор. Час життя квантової
когерентності двох класичних об’єктів, ви-
значений за виглядом реконструйованої
функції Вігнера системи, становив приблиз-
но 30 мс, що значно менше від часу життя
фотона в резонаторі. Величина зменшення
часу життя квантової когерентності визна-
чається ступенем класичності двох об’єктів,
що складають квантову суперпозицію (кіт
Шредінгера), і зі збільшенням розміру об’єк-
тів час життя когерентності дуже швидко
прямує до нуля.
Квантовий ефект Зенона, який полягає в
зупиненні еволюції квантової системи, якщо
за нею неперервно спостерігати, було експе-
риментально продемонстровано в роботі
[13].
У статті [14] описано серію нещодавно
проведених експериментів з вивчення кван-
тового зворотного зв’язку (quantum feed-
back). Проблема стабілізації стану квантової
системи за допомогою зворотного зв’язку
значно ускладнюється тим, що, згідно з
принципами квантової механіки, процес ви-
мірювання змінює стан системи, тому тіль-
ки неруйнівні спостереження дають прин-
ципову можливість реалізації методу.
ІОНИ В ПАСТЦІ:
ВІД СТАНДАРТУ ЧАСТОТИ
ДО КВАНТОВОГО КОМП’ЮТЕРА
Якщо Серж Арош вивчав окремі фотони
за допомогою атомів, то інший лауреат,
Серж Арош разом з Ігорем Доценком, вихованцем
Київського національного університету імені Тараса
Шевченка, налаштовують найдосконаліший у світі
резонатор (фото з сайту www.nobelprize.org)
36 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
ОФІЦІЙНИЙ РОЗДІЛ
Девід Вайнленд, досліджував окремі атоми
з використанням фотонів. Для роботи з
окремим атомом його, як і фотон, потрібно
впіймати в пастку. Д. Вайнленд застосовував
для цього електромагнітні пастки, які дають
змогу достатньо довго утримувати зарядже-
ну частинку. Такі пастки були відомі ще з
середини 70-х років із праць В. Поля та Г. Де-
мельта, лауреатів Нобелівської премії за це
відкриття. Важливою особливістю атомів
(чи іонів) є їхній тепловий рух, який майже
повністю маскує квантові ефекти в захопле-
них пасткою атомах та істотно обмежує час
життя атома в пастці. Для того, щоб ефек-
тивно маніпулювати окремими іонами в
пастці, потрібно було розробити методи їх
охолодження практично до абсолютного
нуля.
У 1975 р. постдок у лабораторії Г. Демель-
та Девід Вайнленд запропонував ідею так
званого охолодження в боковій смузі (side-
band cooling), суть якої полягає в можливо-
сті поглинання захопленим у пастку атомом
фотонів з енергією, меншою від енергії збу-
дженого стану на енергію кванта механічно-
го коливання атома в пастці, і в подальшому
випромінюванні фотона з енергією, що до-
рівнює енергії збудженого стану [15]. Різни-
ця енергій поглинутого і перевипроміненого
квантів черпається з енергії теплового руху
атома, і в разі забезпечення циклічності про-
цесу відбуватиметься швидке охолодження
атома.
Уже в 1978 р., через три роки після пере-
ходу в Національне бюро стандартів у Боул-
дері, Д. Вайнленд зі співробітниками експе-
риментально продемонстрував цю методику,
охолодивши до 50 К за допомогою майже
резонансного неперервного лазера ансамбль
іонів магнію, захоплених пасткою Пенінга
[16]. Цікаво, що робота [17] наукової групи
під керівництвом німецького фізика П. То-
шека, в якій було реалізовано охолодження
захоплених іонів барію, надійшла до редак-
ції журналу на один день раніше, ніж стаття
Д. Вайнленда.
Подальші зусилля було спрямовано на
здійснення контрольованого захоплення й
охолодження одиночного іона в пастці. У
1981 р. це було продемонстровано на при-
кладі іона магнію, охолодженого до 50 мК
[18]. Починаючи з 1981 р., майбутній но-
белівський лауреат зосередив свої зусилля
переважно в двох напрямах. Перший —
створення нового покоління атомних годин-
ників (стандартів частоти) на основі захо-
плених одиночних іонів. Лазерне охоло-
дження іона майже до абсолютного нуля
дає змогу зменшити фактично до нуля зсув
частоти, зумовлений лінійним ефектом До-
плера, що був до цього часу основною про-
блемою атомних стандартів частоти; при
цьому відсутня взаємодія з іншими атома-
ми та забезпечена майже нескінчена взаємо-
дія з лазерним полем. Тому такі стандарти
частоти мали на кілька порядків кращі по-
тенціальні характеристики порівняно з на-
явними тоді цезієвими стандартами частоти.
За 30 років у цьому напрямі було досягнуто
вражаючих результатів: створено найточні-
ші на сьогодні атомні годинники на основі
іонів алюмінію та ртуті з відносною точ ні стю
відтворюваності частоти квантового пере-
ходу 2·10–17 [19].
Водночас зі створенням стандартів час-
тоти Д. Вайнленд розробляв другий на-
прям — проводив експерименти з вивчення
кван тових ефектів під час взаємодії лазер-
ного випромінювання з окремими кванто-
вими об’єктами — іонами, захопленими в
пастці. В 1986 р. майже одночасно три гру-
Девід Вайнленд працює з пасткою для одиночного іона
(фото з сайту www.nobelprize.org)
37ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
ОФІЦІЙНИЙ РОЗДІЛ
пи дослідників [20–22] експериментально
спостерігали квантові стрибки в атомах. Ці
роботи довели, що переходи між квантови-
ми станами атомів відбуваються фактично
миттєво, як і передбачає квантова механі-
ка. В експерименті такі стрибки виявляли-
ся як різкі зміни інтенсивності флуорес-
ценції одиночного іона при зміні його
квантового стану. Наступним важливим
етапом стало спостереження квантування
руху іона ртуті в пастці [23] і в подальшо-
му охолодження цього іона до основного
коливального стану [24].
У середині 90-х років було розпочато ро-
боти з практичної реалізації ідеї квантових
обчислень, поштовхом до яких стала теоре-
тична публікація [25] Дж. Цирака (J.I. Cirac)
і П. Цоллера (P. Zoller) з пропозицією ство-
рити основний елемент квантового ком п’ю-
тера — квантовий вентиль (quantum gate) —
на основі іонів, захоплених пасткою. Одразу
після появи цієї статті Д. Вайнленд зі спів-
робітниками, використовуючи іон, охоло-
джений практично до абсолютного нуля,
експериментально продемонстрував кван-
товий вентиль, що виконує логічну опера-
цію CNOT [26]. Фактично ця робота наочно
показала, що квантовий комп’ютер не є
тільки математичною абстракцією, але й
може бути створений реально.
Після цього в лабораторії Д. Вайнленда
було проведено десятки важливих для кван-
тової інформатики досліджень. Зокрема, в
1998 р. вперше було продемонстровано де-
терміністичну квантову заплутаність станів
двох іонів [27], наявність якої є однією з го-
ловних умов реалізації квантового ком п’ю-
тера. У 2000 р. здійснено першу демонстра-
цію квантової заплутаності чотирьох іонів,
яка довела принципову можливість масш-
табування квантових обчислень з іонами на
відносно велике число квантових вентилів,
що необхідно для практичного створення
квантового комп’ютера. У 2004 р. вперше
продемонстровано квантову телепортацію
інформації між масивними частинками [28],
яку можна використати для ефективного
перерозподілу інформації в масштабованому
квантовому комп’ютері. У 2009 р. було ство-
рено програмований двокубітний кванто-
вий процесор [29].
ПРАКТИЧНА ЗНАЧУЩІСТЬ
Дослідження, відзначені Нобелівською
премією з фізики 2012 року, — яскравий
приклад фундаментальних робіт, що не ма-
ють прямого практичного застосування в
найближчому майбутньому, але які є прин-
циповими для розвитку світової науки. У
своєму першому телефонному інтерв’ю
(див. www.nobelprize.org), одразу після
звістки про отримання Нобелівської пре-
мії, на запитання про можливе практичне
значення досягнутих результатів Серж
Арош відповів:
«Якщо ви запитаєте мене, які можуть бути
практичні застосування наших результатів, я
сказав би вам, що не знаю. Проте я хотів би про-
сто сказати, що такі застосування без сумніву
будуть. Тільки не ясно, чи будуть вони важливи-
ми для широкої громадськості, чи такими, що до-
поможуть поліпшити деякі пристрої, які вико-
ристовуватимуться вченими. Наприклад, якщо
взяти роботу Девіда Вайнленда, то частина його
досліджень присвячена розвитку атомних годин-
ників, і завдяки розробленій ним методиці роботи
з окремими частинками він створив годинники,
що мають фантастичну точність. І цю точність
можна використати для розроблення способів
виявлення дуже малих ефектів, зокрема таких, як
невеликі гравітаційні зсуви. Це лише одне з мож-
ливих застосувань. У своїх дослідженнях я також
використовую атомні годинники, але в зовсім ін-
шому контексті. Я використовую годинники, які
настільки чутливі до світла, що їх можна засто-
сувати для виявлення одиночних фотонів. Отже,
знову ж, є певний зв’язок між його роботою і моєю.
Однак яка буде практична користь від того, що
ми в змозі виявити фотони, не руйнуючи їх, я не
знаю. Я сподіваюся, що буде знайдено якісь за-
стосування, але не можу сказати, які саме».
Девід Вайнленд у подібному інтерв’ю був
більш оптимістичним стосовно практичного
використання їхніх результатів, особливо в
плані створення квантового комп’ютера:
38 ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА
«Слід сказати, що потрібно пройти ще довгий
шлях, перш ніж ми матимемо роботоздатний
квантовий комп’ютер. Проте більшість із нас
відчувають, що, хоча ще дуже далеко до реалізації
такого комп’ютера, в остаточному підсумку це
станеться».
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Haroche S. Etude théorique et expérimentale des
propriétés physiques d’atomes en interaction avec
des photons de radiofréquence (thèse d’état) // Ann.
Phys. — 1971. — V. 6. — Р. 189–327.
2. Haroche S., Paisner J., Schawlow A.L. Hyperfine quan-
tum beats observed in Cs vapor under pulsed dye la-
ser excitation // Phys. Rev. Lett. — 1973. — V. 30 —
Р. 948.
3. Wineland D.J., Ramsey N.F. Atomic Deuterium Ma-
ser // Phys. Rev. A. — 1972. — V. 5. — Р. 821–837.
4. Lord Kelvin Nineteenth-Century Clouds over the Dy-
namical Theory of Heat and Light // Phil. Mag. —
1901. — S. 6, V. 2. — Р. 1.
5. Bohr N. Discussion with Einstein on Epistemologi-
cal Problems in Atomic Physics // Albert Einstein.
Philosopher-Scientist / ed. P.A. Schilpp. — Evan-
ston: Library of Living Philosophers, 1949. —
Р. 200–241.
6. Brune M., Haroche S., Lefèvre-Seguin V. et al. Quantum
nondemolition measurement of small photon number
by Rydberg atom phase sensitive detection // Phys.
Rev. Lett. — 1990. — V. 65. — Р. 976.
7. Cohen-Tannoudji C. Observation d’un déplacement de
raie de résonance magnétique causé par l’excitation
optique // C.R. Acad. Sci. — 1961. — V. 252. —
Р. 394.
8. Nogues G., Rauschenbeutel A., Osnaghi S. et al. Seeing
a single photon without destroying it // Nature. —
1999. — V. 400. — Р. 239.
9. Kuhr S., Gleyzes S., Guerlin C. et al. Ultrahigh finesse
Fabry–Perot superconducting resonator // Appl.
Phys. Lett. — 2007. — V. 90. — Р. 164101.
10. Gleyzes S., Kuhr S., Guerlin C. et al. Quantum jumps
of light recording the birth and death of a photon in a
cavity // Nature. — 2007. — V. 446. — Р. 297.
11. Guerlin C., Bernu J., Deléglise S. et al. Progressive field-
state collapse and quantum non-demolition photon
counting // Nature. — 2007. — V. 448. — Р. 889.
12. Deléglise S., Dotsenko I., Sayrin C. et al. Reconstruc-
tion of non-classical cavity field states with snap-
shots of their decoherence // Nature. — V. 455. —
Р. 510.
13. Bernu J., Deléglise S., Sayrin C. et al. Freezing a cohe rent
field growth in a cavity by quantum Zeno effect // Phys.
Rev. Lett. — 2008. — V. 101. — Р. 180402.
14. Sayrin C., Dotsenko I., Zhou X. et al. Real-time quan-
tum feedback prepares and stabilizes photon number
states // Nature. — 2011. — V. 477. — Р. 73.
15. Wineland D.J., Dehmelt H. Proposed 1014 Dv < v Laser
Fluorescence Spectroscopy on Tl+ Mono-Ion Oscilla-
tor III (side band cooling) // Bull. Am. Phys. Soc. —
1975. — V. 20. — Р. 637.
16. Wineland D.J., Drullinger R.E., Walls F.L. Radia-
tion-Pressure Cooling of Bound Resonant Absorb-
ers // Phys. Rev. Lett. — 1978. — V. 40. — Р. 1639–
1642.
17. Neuhauser W., Hohenstatt M., Toschek P., Dehmelt H.
Optical-Sideband Cooling of Visible Atom Cloud
Confined in Parabolic Well // Phys. Rev. Lett. —
1978. — V. 41. — Р. 233–236.
18. Wineland D.J., Itano W.M. Spectroscopy of a single
Mg+ ion // Phys. Rev. Lett. A. — 1981. — V. 82, N 2. —
P. 75–78.
19. Lorini L., Ashby N., Brusch A. et al. Recent atomic
clock comparisons at NIST // Eur. Phys. J. —
2008. — V. 163. — Р. 19–35.
20. Nagourney W., Sandberg J., Dehmelt H. Shelved optical
electron amplifier: Observation of quantum jumps //
Phys. Rev. Lett. — 1986. — V. 56. — Р. 2797.
21. Sauter Th., Neuhauser W., Blatt R., Toschek P.E. Ob-
servation of Quantum Jumps // Phys. Rev. Lett. —
1986. — V. 57. — Р. 1696.
22. Bergquist J.C., Hulet R.G., Itano W.M., Wine-
land D.J. Observation of Quantum Jumps in a Sin-
gle Atom // Phys. Rev. Lett. — 1986. — V. 57. —
P. 1699.
23. Bergquist J.C., Itano W.M., Wineland D.J. Recoilless
optical absorption and Doppler sidebands of a single
trapped ion // Phys. Rev. — 1987. — V. A36. —
Р. 428.
24. Diedrich F., Bergquist J.C., Itano W.M., Wineland D.J.
Laser Cooling to the Zero-Point Energy of Motion //
Phys. Rev. Lett. — 1989. — V. 62. — Р. 403.
25. Cirac J.I., Zoller P. Quantum Computations with
Cold Trapped Ions // Phys. Rev. Lett. — 1995. —
V. 74, N 20. — Р. 4091–4094.
26. Monroe C., Meekhof D.M., King B.E. et al. Demonstra-
tion of a Fundamental Quantum Logic Gate // Phys.
Rev. Lett. — 1995. — V. 75. — Р. 4714–4717.
27. Turchette Q.A., Wood C.S., King B.E. et al. Determin-
istic entanglement of two ions // Phys. Rev. Lett. —
1998. — V. 81. — Р. 3631.
28. Barrett M.D., Chiaverini J., Schaetz T. et al. Determin-
istic quantum teleportation of atomic qubits // Na-
ture. — 2004. — V. 429. — Р. 737–739.
29. Hanneke D., Home J.P., Jost J.D. et al. Realization of a
programmable two-qubit quantum processor // Na-
ture Physics. — 2009. — doi: 10.1038/nphys1453.
Стаття надійшла 18.01.2013 р.
39ISSN 0372-6436. Вісн. НАН України, 2013, № 4
НОБЕЛІАНА
Л.П. Яценко
Институт физики
Национальной академии наук Украины
пр. Науки, 46, Киев, 03028, Украина
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ОТДЕЛЬНЫМИ
ФОТОНАМИ И АТОМАМИ ПОДТВЕРЖДАЮТ
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ
МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ОПТИКИ
Нобелевская премия по физике 2012 года была при-
суждена Сержу Арошу и Девиду Вайнленду за работы в
области квантовой оптики с формулировкой «за револю-
ционные экспериментальные методы, позволившие изме-
рить отдельные квантовые системы и манипулировать
ими». Разработка этих «революционных эксперименталь-
ных методов», продолжавшаяся в течение нескольких де-
сятилетий, дает возможность наблюдать такие фундамен-
тальные квантовые явления, как рождение и смерть фото-
на, квантовую запутанность, квантовые скачки, квантовую
телепортацию, реализовать квантовые логические опера-
ции с одиночными ионами и, наконец, перейти к практи-
ческому воплощению идеи квантового компьютера и
управления процессами в квантовых системах.
Ключевые слова: квантовые системы, квантовый
компьютер, Нобелевская премия, Арош, Вайнленд.
L.P. Yatsenko
Institute of Physics
of National Academy of Sciences of Ukraine
46 Nauky Ave., Kyiv, 03028, Ukraine
EXPERIMENTS WITH INDIVIDUAL
PHOTONS AND ATOMS CONFIRM
THE FUNDAMENTALS OF QUANTUM
MECHANICS AND QUANTUM OPTICS
The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly
to Serge Haroche and David J. Wineland for their re-
search in the field of quantum optics with formulation
«for ground-breaking experimental methods that ena-
ble measuring and manipulation of individual quantum
systems». The «ground-breaking experimental me thods»
development, which lasted for several decades, made it
possible to observe such fundamental quantum phe-
nomena as birth and death of a single photon, quantum
entanglement, quantum jumps, quantum teleportation,
to realize quantum gates with single ions and, finally, to
start the practical realization of the quantum computer
idea and the control of the processes in quantum sys-
tems.
Keywords: quantum systems, quantum computer, No-
bel Prize, Haroche, Wineland.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-67248 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0372-6436 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-28T12:52:05Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Яценко, Л.П. 2014-08-29T08:34:10Z 2014-08-29T08:34:10Z 2013 Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики / Л.П. Яценко // Вісн. НАН України. — 2013. — № 4. — С. 30-39. — Бібліогр.: 29 назв. — укр. 0372-6436 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/67248 535.14 Нобелівську премію з фізики 2012 року було присуджено Сержу Арошу і Девіду Вайнленду за роботи в галузі квантової оптики з формулюванням «за революційні експериментальні методи, що дозволили вимірювати окремі квантові системи та маніпулювати ними». Розроблення цих «революційних експериментальних методів», яке тривало впродовж кількох десятиліть, дає можливість спостерігати такі фундаментальні квантові явища, як народження і смерть фотона, квантову заплутаність, квантові стрибки, квантову телепортацію, реалізувати квантові логічні операції з одиночними іонами, і, нарешті, перейти до практичного втілення ідеї квантового комп’ютера та керування процесами у квантових системах. Нобелевская премия по физике 2012 года была присуждена Сержу Арошу и Девиду Вайнленду за работы в области квантовой оптики с формулировкой «за революционные экспериментальные методы, позволившие измерить отдельные квантовые системы и манипулировать ими». Разработка этих «революционных экспериментальных методов», продолжавшаяся в течение нескольких десятилетий, дает возможность наблюдать такие фундаментальные квантовые явления, как рождение и смерть фотона, квантовую запутанность, квантовые скачки, квантовую телепортацию, реализовать квантовые логические операции с одиночными ионами и, наконец, перейти к практическому воплощению идеи квантового компьютера и управления процессами в квантовых системах. The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly to Serge Haroche and David J. Wineland for their research in the field of quantum optics with formulation «for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems». The «ground-breaking experimental me thods» development, which lasted for several decades, made it possible to observe such fundamental quantum phenomena as birth and death of a single photon, quantum entanglement, quantum jumps, quantum teleportation, to realize quantum gates with single ions and, finally, to start the practical realization of the quantum computer idea and the control of the processes in quantum systems. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Нобеліана—2012 Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики Эксперименты с отдельными фотонами и атомами подтверждают фундаментальные основы квантовой механики и квантовой оптики Experiments with individual photons and atoms confirm the fundamentals of quantum mechanics and quantum optics Article published earlier |
| spellingShingle | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики Яценко, Л.П. Нобеліана—2012 |
| title | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики |
| title_alt | Эксперименты с отдельными фотонами и атомами подтверждают фундаментальные основы квантовой механики и квантовой оптики Experiments with individual photons and atoms confirm the fundamentals of quantum mechanics and quantum optics |
| title_full | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики |
| title_fullStr | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики |
| title_full_unstemmed | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики |
| title_short | Експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики |
| title_sort | експерименти з окремими фотонами й атомами підтверджують фундаментальні основи квантової механіки та квантової оптики |
| topic | Нобеліана—2012 |
| topic_facet | Нобеліана—2012 |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/67248 |
| work_keys_str_mv | AT âcenkolp eksperimentizokremimifotonamiiatomamipídtverdžuûtʹfundamentalʹníosnovikvantovoímehaníkitakvantovoíoptiki AT âcenkolp éksperimentysotdelʹnymifotonamiiatomamipodtverždaûtfundamentalʹnyeosnovykvantovoimehanikiikvantovoioptiki AT âcenkolp experimentswithindividualphotonsandatomsconfirmthefundamentalsofquantummechanicsandquantumoptics |