Hadiah Nobel dalam Fizik - 2012 • Igor Ivanov • Berita Sains mengenai "Elemen" • Hadiah Nobel, Fizik

Hadiah Nobel dalam Fizik – 2012

Rajah. 1. Serge Arosh dan David Weinland – Hadiah Nobel dalam Fizik untuk tahun 2012. Imej dari nobelprize.org

Pada 9 Oktober 2012, Jawatankuasa Nobel mengumumkan penghargaan Hadiah Nobel dalam Fizik kepada Serge Arosh dan David Vineland untuk "kaedah eksperimen terobosan yang memungkinkan untuk mengukur sistem kuantum individu dan mengawalnya."

Kadang-kadang ia berlaku bahawa Hadiah Nobel dianugerahkan untuk penemuan tunggal, secara serentak dibuat, yang merupakan tekaan yang baik atau wawasan yang cemerlang. Walau bagaimanapun, revolusi dalam fizik tidak selalu begitu mudah; lebih kerap ternyata bahawa kesulitan dapat mencapai matlamat satu demi satu, dan setiap kali ia perlu membuat terobosan baru. Keterangan seperti itu sepenuhnya terpakai untuk kerja-kerja Hadiah Nobel dalam Fizik untuk tahun 2012 – orang Perancis Serge Aaroche (Serge Haroche) dan Amerika David Vineland (David Wineland). Mereka memainkan peranan penting dalam pencapaian fizik eksperimen yang hebat dalam dekad yang lalu – mengawal keadaan kuantum zarah asas individu. Walau bagaimanapun, ini tidak dilakukan dengan serta-merta, tetapi dalam beberapa peringkat utama, yang membentang untuk abad ketiga dan berakhir dengan hasil yang kuat (termasuk aplikasi praktikal) kedua-dua pemenang secara literal pada tahun-tahun kebelakangan ini.

Sebelum memulakan kisah terperinci, menarik untuk menekankan beberapa perkara menarik yang menggabungkan kajian-kajian Arosha dan Vineland. Arosh bekerja dengan keadaan kuantum foton tunggal yang terperangkap dalam resonator dan secara kekal dipadamkan dari dunia luar. Vineland berfungsi dengan keadaan kuantum ion tunggal yang terperangkap dan juga terpencil daripada pengaruh luaran yang kacau-bilau. Tetapi pada masa yang sama, Arosh menggunakan atom untuk memerhatikan keadaan foton, dan Vineland menggunakan foton untuk memanipulasi keadaan ion. Kedua-dua kaedah ini memungkinkan untuk menjalankan eksperimen apa yang separuh abad yang lalu hanya boleh dianggap sebagai "percubaan mental", dan juga untuk mengkaji bagaimana dunia kuantum dan klasik berkaitan dengan satu sama lain. Dan akhirnya, Arosh dan Vineland adalah kawan lama dan baik.

Keajaiban dengan foton: berfungsi oleh Serge Arosha

Ultra-Q resonators

Kajian Serge Arosh berkaitan dengan optik kuantum, bahagian fizik yang mengkaji sifat-sifat kuantum foton individu, "kepingan asas" cahaya. Biasanya photon hanya digunakan sebagai "messenger" yang dipakai – mereka dipancarkan di sumbernya, terbang ke pengesan foto dan diserap di sana.Jika sesuatu berlaku kepada mereka dalam perjalanan, kita akan tahu mengenainya hanya selepas "kematian" mereka. Kehidupan foton semacam itu semata-mata, ia tidak boleh disimpan dan dipelajari untuk jangka masa yang lama. Dan Serge Arosh menetapkan sendiri matlamat ini – untuk belajar bagaimana untuk memegang foton tunggal untuk masa yang agak lama di dalam persediaan percubaan dan pada masa ini untuk memeriksa dengan teliti.

Pada dasarnya, adalah mungkin untuk memegang foton dengan memaksa ia bergegas ke belakang antara dua cermin cekung yang berkualiti tinggi (cermin cermin tidak membenarkan foton bergerak ke sisi). Benar, ungkapan "bergegas ke belakang" tidak mencerminkan keadaan dengan tepat. Apabila panjang gelombang cahaya adalah setanding dengan jarak antara cermin, foton tidak bergerak di antara cermin, tetapi, seolah-olah menggeletar, membeku di antara mereka – ternyata gelombang cahaya berdiri di atas cermin. Sistem cermin ini dipanggil resonator (dalam kesusasteraan Inggeris istilah itu digunakan rongga "rongga").

Kualiti memegang foton dicirikan oleh kualiti yang baik resonator, Q. Nombor ini menunjukkan, kira-kira bercakap, berapa kali foton mencerminkan dari cermin sebelum entah bagaimana merangkak (atau, lebih tepat, berapa kali masa pegangan foton lebih panjang daripada tempoh ayunan gelombang cahaya).Adalah jelas bahawa faktor kualiti sangat bergantung kepada pemantulan cermin: semakin dekat pekali pantulan ke perpaduan, semakin tinggi faktor kualiti.

Rajah. 2 Salah satu cermin untuk resonator gelombang mikro tembaga dengan salutan niobium superconducting, mempunyai rekod kualiti tinggi Q = 4.2 · 1010. Resonator dihasilkan di makmal Serge Arosch (S. Kuhr et al. Appl. Phys Lett 90, 164101 (2007)); Hayat foton gelombang mikro di dalamnya adalah 0.13 saat

Dalam julat gelombang mikro (panjang gelombang mengikut susunan milimeter atau sentimeter), terima kasih kepada penggunaan superkonduktor, adalah mustahil untuk mencapai pantulan yang sangat baik. Sudah pada tahun 1970-an dan 1980-an, terdapat berjuta-juta resonator yang baik pada pelupusan ahli fizik, dan sekarang ia telah mencapai berpuluh-puluh bilion (Rajah 2). Dalam resonator seperti itu, fotonik gelombang mikro akan "hidup" sepersepuluh sesaat – masa yang sangat banyak untuk fizik eksperimen moden. Sepanjang masa ini, anda boleh, tanpa tergesa-gesa, dan menjana foton, dan menjejaskannya, dan "mengimbas" keadaannya (bagaimana untuk melakukannya, akan diterangkan di bawah). Perkara utama adalah bahawa foton telah berpindah ke dalam kategori "zarah" yang hidup jauh di dalam persediaan percubaan, "zarah", di mana pelbagai eksperimen boleh dilakukan.

Elektrodinamika Kuantum dalam Resonator

Dan di sini dalam cerita ini muncul "berpaling", sangat ciri fizik moden. Penciptaan resonator berkualiti tinggi – pencapaian teknikal yang seolah-olah sepenuhnya – membuka bahagian baru fizik asas untuk ahli fizik – elektrodinamika kuantum resonator (dalam bahasa Inggeris elektrodinamika kuantum rongga, CQED). Ini membolehkan kita menubuhkan eksperimen seperti foton, yang secara semulajadi "meneliti" asas-asas fizik kuantum dan membolehkan kita mengkaji semula peralihan misteri antara tatalik kuantum dan klasik zarah (lihat artikel kajian: G. Walter. Masat monatom dan eksperimen lain pada elektrodinamika kuantum resonator / / UFN 166, 777 (1996)).

Salah satu contoh yang paling menarik dalam eksperimen seperti itu, yang dilakukan dalam kumpulan Serge Arosh, adalah demonstrasi percubaan bahawa seumur hidup satu atom teruja dapat berubah dengan meletakkannya dalam resonator seperti itu.

Pementasan pengalaman adalah mudah, dan hasilnya, pada pandangan yang tidak berpengalaman, sangat menakjubkan. Antara dua cermin kosong Satu resonator (iaitu, tanpa foton di dalam) terbang melalui atom yang berada dalam keadaan teruja.Secara umum, atom teruja tidak stabil, dan selepas masa yang singkat elektron di dalamnya melompat ke paras yang lebih rendah, memancarkan foton. Nampaknya radiasi spontan ini adalah proses intra-atom semata-mata, dan seumur hidup keadaan teruja adalah ciri khas atom. Walau bagaimanapun, ternyata apabila terbang melalui resonator kosong, atom dapat mempercepat atau, sebaliknya, memperlahankan proses "berkelip" foton!

Saya cadangkan sekali lagi merenungkan keadaan ini. Atom yang teruja berada dalam vakum, tidak ada yang "menyentuh" ​​(dinding resonator adalah sentimeter jauh dari atom!), Kami tidak terjejas oleh mana-mana medan elektromagnet luaran. Kami hanya hadkan vakum di sekelilingnya – dan ini sudah cukup untuk mencegah atau sebaliknya, menyumbang kepada pelepasan foton.

Dari sudut pandangan gerak hati setiap hari, keadaan itu agak luar biasa. Kami terbiasa dengan hakikat bahawa hasil hanya boleh menyebabkan kesan langsung kepada objek: sama ada melalui hubungan langsung dengannya, atau melalui medan kuasa. Dan di sini ternyata seolah-olah kita melarang atau "menggalakkan" pereputan, sama sekali tidak berfungsi dengan atom!

Penyelesaian kepada paradoks yang jelas ini ialah objek kuantum bukan tempatanadalah tidak berarah. Khususnya, apabila atom memancarkan foton, foton ini tidak terbang sama sekali. lurus dari atom (Rajah 3). Foton optik biasanya tidak dapat dilokalisasi dengan ketepatan atom. Itulah sebabnya atom dan molekul tidak kelihatan di bawah mikroskop optik, dan juga tepat mengapa tidak ada gunanya untuk bertanya, contohnya, dari bahagian mana molekul kompleks (katakan, molekul pewarna) foton terbang ketika ia memancarkan. Alasan asas untuk ini adalah bahawa interaksi elektromagnet agak lemah, jadi pemalar struktur halus adalah kecil.

Rajah. 3 Perwakilan skema bagaimana atom yang teruja mengeluarkan foton. Imej standard foton keluar sebagai objek diset pada skala atom (di bahagian atas), memberikan idea yang salah tentang "saiz awal" foton. Lebih lebih disukai akan menjadi gambar di mana foton digambarkan sebagai awan dengan dimensi yang lebih besar daripada atom (turun di bawah)

Lebih tepat untuk membayangkan proses radiasi seolah-olah foton muncul dengan serta-merta dalam jumlah tertentu di sekeliling atom dan kemudian berkembang ke semua arah (Rajah 3).Kelantangan ini adalah pesanan magnitud yang lebih besar daripada jumlah atom itu sendiri, dan ia semakin meningkat dengan peningkatan panjang gelombang foton, iaitu, dengan penurunan perbezaan antara tahap tenaga di mana peralihan itu terjadi. Oleh itu, jika ada objek asing dalam jumlah ini, yang mana foton masa depan boleh "menangkap", maka mereka boleh mengubah kelajuan sinarannya.

Dalam eksperimen Arosha, atom-atom khusus yang sangat teruja telah digunakan (ini adalah keadaan atom Rydberg yang disebut). Di dalamnya, perbezaan antara tahap tenaga antara peralihan berlaku sangat kecil sehingga panjang gelombang foton yang dipancarkan adalah nilai makroskopik – milimeter dan sentimeter. Walaupun atom itu sendiri kecil, tetapi apabila ia "cuba" memancarkan foton, ia "menyelidiki keadaan" dalam sentimeter.

Resonator yang digunakan oleh Aroshem adalah saiz setanding, dan ini membolehkannya mempengaruhi kadar pelarut. Sebagai contoh, dalam resonator yang sangat kecil, foton yang dipancarkan tidak akan sesuai – dan fakta ini sahaja menghalang sinarannya, menstabilkan keadaan teruja. Jika saiz resonator dipilih supaya foton sesuai sama rata ke dalamnya, maka ia akan menjadi lebih mudah bagi atom untuk memancarkan photon tersebut,kebarangkalian radiasi meningkat dengan mendadak (Rajah 4).

Rajah. 4 Kadar pelepasan foton oleh atom yang teruja dalam ruang yang tidak terhad hanya ditentukan oleh proses atom dalaman (di sebelah kiri). Walau bagaimanapun, jika atom berada di resonator, radiasi boleh ditekan dengan kuat atau kuat (di tengah), atau meningkat secara dramatik (di sebelah kanan)

Untuk bersikap adil, mesti dikatakan bahawa kesan ini tidak mengejutkan ahli fizik. Tingkah laku ini secara teorinya diramalkan oleh Edward Purcell pada tahun 1946, dan petunjuk eksperimen pertama mengenai tingkah laku itu muncul pada awal 1970-an. Benar, maka ia adalah mengenai pelepasan molekul yang terletak di antara dua cermin rata, dan kesan itu agak "kotor". Serge Arosh dan kakitangannya telah mencapai kesan yang lebih kuat dan bersih: dalam artikel 1983 mereka melaporkan kira-kira lima ratus (!) Percepatan radiasi foton. Rasa semangat sekali lagi: cahaya telah dipergiat hanya disebabkan oleh fakta bahawa kita telah mengehadkan ruang dalam vakum di sekitar radiator dengan cara yang betul!

Empat tahun kemudian, kesan itu ditunjukkan secara langsung oleh beberapa kumpulan penyelidikan dalam rangkaian optik, apalagi kedua-dua arah penguatan dan pelemahan radiasi sepuluh kali ganda.Tanpa keterlaluan, kita boleh mengatakan bahawa era memanipulasi kadar proses intra-atom telah bermula. Penerangan tentang keadaan pada tahun 1989 boleh didapati dalam artikel popular Arosch dan Kleppner dalam jurnal Fizik hari ini. Dan kumpulan Serge Arosha, sementara itu, bergerak …

Mengira foton dan hasil bunga api

Apabila ia datang kepada eksperimen dengan satu atau lebih zarah, persoalan semulajadi timbul: bagaimana seseorang boleh mengukur bilangan zarah? Untuk elektron, katakan, jawapannya adalah mudah: adalah perlu untuk mengukur caj elektrik objek dan membahagikannya kepada tuduhan satu elektron. Bagaimana untuk mengukur berapa banyak foton "terperangkap" di antara cermin resonator?

Masalah dengan foton adalah bahawa mereka mudah diserap. Sekiranya terdapat sejumlah besar foton, maka ini tidak penting – inilah bagaimana keamatan medan elektrik atau magnetik klasik diukur dengan caj ujian. Tetapi apabila terdapat sedikit foton, ia tidak baik untuk menyerapnya – ini benar-benar mengubah keadaan objek diukur. Mungkin anda boleh lakukan tanpa ia entah bagaimana? Ternyata, ya. Dalam mekanik kuantum, tidak semua pengukuran sama sekali mengubah keadaan suatu sistem; Terdapat apa yang dipanggil kuantum tidak merosakkan ukuran (dalam bahasa Inggeris ukuran kuantum tidak-perobohan), yang berjaya melakukan tanpa itu (dengan cara ini, pengukuran jenis ini dicadangkan oleh ahli fizik Soviet Vladimir Braginsky).

Pada tahun 1990, artikel oleh Arosha dan penulis bersama diterbitkan, di mana satu skim tertentu dicadangkan untuk pengukuran tidak merosakkan bilangan foton dalam resonator. Untuk melakukan ini, para pengarang sekali lagi mencadangkan untuk menggunakan atom-atom yang disediakan khas yang terbang melalui resonator. Hanya kali ini, resonator memainkan peranan yang berbeza: ia tidak membawa sama ada pelepasan atau penyerapan foton, tetapi sedikit menggeser aras tenaga atom dengan jumlah yang bergantung kepada bilangan foton. Peralihan tahap tenaga (yang hanya hadir semasa laluan melalui resonator) sedikit mengubah keadaan atom keluaran, dengan mengukur mana yang boleh "mengira foton".

Rajah. 5 Pemerhatian langsung kelahiran, nyawa dan kehilangan satu gelombang mikro foton tunggal, yang muncul dalam resonator selama kira-kira setengah detik. Red and Blue Dashes jawab hasil eksperimen berulang pada penghantaran atom melalui resonator dan pengukuran keadaan outputnya; merah Kes ditunjukkan apabila atom keluaran berada dalam keadaan yang dilambangkan secara konvensional e dan sepadan dengan satu foton dalam resonator, biru – boleh g (sifar foton dalam resonator). Imej dari artikel Quantum melompat dalam cahaya dalam rongga // Alam 446, 297 (2007)

Walau bagaimanapun, pelaksanaan idea ini berlarutan dalam masalah teknikal yang serius yang hanya dapat diatasi pada tahun 2007. Tetapi, dalam masa beberapa bulan, kumpulan Arosha melakukan beberapa kajian cemerlang, yang membolehkan mereka melihat wajah fenomena kuantum asas.

  • Mac 2007: adalah mungkin untuk mengesan penampilan dan kehilangan satu foton tunggal dalam resonator (Rajah 5).
  • Ogos 2007: "runtuh" ​​beransur-ansur dari keadaan awal tujuh-foton, di mana ia jelas bagaimana foton hilang satu demi satu dari resonator selama setengah saat.
  • September 2008: pemerhatian keadaan "kucing Schrödinger" jenis, apabila tidak ada bilangan foton tertentu dalam resonator, tetapi superposisi tiga-foton dan keadaan empat foton.
  • Oktober 2008: memerhatikan kesan zeno kuantum dalam resonator (kesan kuantum Zeno terdiri daripada harta benda mekanik kuantum, pemerhatian berterusan sistem pembusukan "membekukan" keruntuhannya).

Keputusan bunga api sebenar! Sudah tentu, kumpulan Arosha tidak akan berhenti pada ini, tetapi membuka lebih banyak lagi aplikasi baharu kaedah eksperimen yang maju. Sebagai contoh, sebulan yang lalu artikel lain keluar di mana kesan kuantum Zeno tidak hanya diperhatikan, tetapi telah digunakan untuk mengendalikan secara evolusi kuantum bidang foton secara manual dan untuk mendapatkan keadaan kuantum eksotik medan elektromagnetik.

Menyimpulkan, di bawah bahagian cerita ini, seseorang dapat ingat bahawa perbincangan yang terkenal antara Niels Bohr dan Albert Einstein mengenai intipati fizikal mekanik kuantum berputar, antara lain, di sekeliling percubaan mental dengan "kotak foton tunggal". Pelaksanaan praktikal kotak sedemikian, serta banyak manipulasi kuantum yang lebih halus dengan foton, adalah mustahil dari sudut pandangan teknikal pada masa itu. Serge Arosh telah menjadi tokoh utama, berkat eksperimen kuantum-mekanikal mental yang serupa telah dilaksanakan.

Pembedahan Kuantum Monatom: Kerja David Vineland

Memanipulasi keadaan kuantum ion individu tidak kurang sukar dari sudut pandangan teknikal. Sudah tentu, atom, tidak seperti foton, tidak hilang di mana sahaja, dan dalam erti kata ini lebih mudah untuk bekerja dengan mereka.Tetapi sebaliknya, panjang gelombang atom (ingat bahawa dalam dunia kuantum setiap zarah sepadan dengan proses gelombang tertentu) apabila ia bergerak pada kelajuan normal adalah sangat kecil. Oleh itu, kesan kuantum yang berkaitan dengan gerakan translasi (iaitu, pergerakan atom secara keseluruhan), pada suhu biasa, tidak ketara. Untuk memerhatikan kuantisasi pergerakan translasi, atom atau ion tunggal diperlukan bukan sahaja untuk menangkap, tetapi juga untuk menyejukkan suhu yang sangat rendah, berdasarkan urutan millikelvin dan lebih rendah.

Ion tunggal memerangkap dan menyejukkan

Pada dasarnya, teknologi perangkap ionik, di mana zarah-zarah yang dikenakan diadakan di tengah oleh medan elektromagnetik berselang-seli bentuk tertentu, telah dibangunkan setengah abad lalu. Dia juga membawa kepada penciptanya, Wolfgang Paul dan Hans Demelt, separuh daripada Hadiah Nobel dalam Fizik untuk tahun 1989 (lihat butiran dalam ceramah Nobel: V. Paul. Perangkap elektromagnet untuk zarah yang dikenakan dan neutral // UFN 160, 109-127 (1990) dan H. Demelt. Percubaan dengan zarah subatom tersenyum // UFN 160, 129-139 (1990)). Pada tahun 1973, Vineland, Ekstrom dan Demelt melaporkan eksperimen pertama dengan satu elektron yang terperangkap dalam perangkap sedemikian.Demelt datang dengan nama yang indah untuk sistem ini, "geonium," sejenis analog buatan suatu atom di mana sebuah elektron berada dalam keadaan terikat dengan Bumi (menggunakan perangkap, tentu saja). Tujuan eksperimen ini adalah untuk mengkaji ciri-ciri dalaman elektron, khususnya momen magnetik anomali, dan perbandingannya dengan ramalan teori (kini pengukuran jenis ini merangkumi seksyen tersendiri elektrodinamika metrologi dan kuantum).

Dalam artikel yang sama tahun 1973, kemungkinan menangkap ion individu juga disebutkan. Tidak seperti elektron tunggal, ion menarik kerana mereka mempunyai banyak darjah kebebasan dalaman, dan, setelah menangkap ion seperti itu dalam perangkap, adalah mungkin untuk mengkajinya naik dan turun. Menjelang matlamat ini pada tahun 1975, kaedah Doppler untuk ion penyejukan telah dibangunkan (termasuk oleh Vineland). Dalam kaedah ini, ion atau atom bersinar dengan sinar laser dengan kekerapan yang sangat dekat dengan penyebaran resonan, tetapi hanya mereka yang bergerak dengan laju ke arah cahaya, menyebarkan cahaya, kehilangan tenaga dan dengan itu sejuk. Teknik ini dilaksanakan pada tahun 1978 dalam eksperimen kumpulan Vineland dengan ion Mg.+ dan dalam eksperimen kumpulan Toshek dengan ion Ba+. Walau bagaimanapun, kedua-dua kes ini adalah awan dengan beberapa berpuluh-puluh ion, tetapi selepas beberapa tahun, ion individu telah ditangkap dan kajian spektroskopi mereka bermula (kerja-kerja kumpulan Toshek pada tahun 1980 dan Vineland-Itano 1981). Dalam artikel-artikel ini, ia telah diperhatikan, dengan cara itu, bahawa cahaya neon satu ion tunggal dapat dilihat dengan jelas dalam mikroskop.

Dalam kedua-dua artikel 1980-1981, suhu ion dalam perangkap itu dianggarkan pada beberapa puluhan millikelvinov, dan ia masih sedikit terlalu banyak untuk menghentikan ion (lebih tepatnya, untuk memindahkannya ke keadaan dengan gerakan translasi yang paling rendah). Kemajuan selanjutnya dalam bidang ini dikaitkan dengan teknik penyejukan baru, juga dibangunkan dan dilaksanakan oleh Vineland, yang dipanggil penyejukan sisi (dalam bahasa Inggeris penyejukan sisi). Ia bernilai tinggal lebih terperinci.

Satu awan elektron dalam atom atau ion mempunyai satu set besar pilihan yang mungkin untuk "pek" di sekeliling nukleus dan bagaimana mengatur putaran elektron. Varian yang mempunyai tenaga terendah dipanggil keadaan tanah, ia stabil, dan varian dengan tenaga yang lebih tinggi (keadaan teruja) selepas beberapa waktu berubah menjadi keadaan dasar dengan pelepasan foton.Di samping itu, jika sebuah atom berada di dalam perangkap, maka pergerakan translasinya juga dikuantisasi, iaitu, ia juga boleh mempunyai bentuk yang khusus. Pergerakan ini mempunyai keadaan dasar di mana ion praktikal membeku di tengah-tengah perangkap (ia hanya mempunyai jitter kuantum yang tidak teratur, dipanggil "ayunan sifar"), dan seluruh tangga negara-negara teruja yang bertindak balas untuk bergerak ke belakang dan terus dengan amplitud yang semakin meningkat. Tenaga pengujaan shell elektron adalah beberapa perintah magnitud yang lebih besar daripada tenaga pengujaan gerakan translasi, dan oleh itu spektrum tenaga ion (dalam penganggaran kasar ini) mempunyai bentuk yang ditunjukkan dalam Rajah. 6

Rajah. 6 Gambarajah ringkas spektrum tenaga ion: tanah dan satu keadaan yang teruja dari cangkang elektron ditunjukkan, dan dalam kedua-dua kes terdapat beberapa keadaan pergerakan translasi yang teruja

Sekarang bahagian yang menyeronokkan. Pakar fizik dapat memindahkan keadaan dasar kulit elektron ke satu yang teruja, dan membuangnya "bertujuan", betul-betul ke keadaan teruja yang kita mahu, untuk ini kita hanya perlu menyalakan cahaya ke suatu atom dengan panjang gelombang yang dikehendaki.Ternyata gabungan ini – kita mengagumkan atom seperti yang kita perlukan, dan ia keluar dari keadaan ini sebagai "dia digunakan untuk," membolehkan gerakan ke hadapan atom disejukkan (Rajah 7).

Rajah. 7 Idea kaedah penyejukan di sisi sisi. Dalam langkah 1, kita merangsang shell elektron dan sedikit mengurangkan gerakan translasi. Pada langkah 2, atom "jatuh" ke dalam keadaan tanah shell elektron, tanpa mengubah gerakan translasi. Apabila kita sampai ke bawah "tangga", ion, yang berada dalam keadaan tanah kedua-dua cangkang elektron dan gerakan translasi, tidak boleh pergi ke mana-mana sahaja.

Untuk melakukan ini, kita mengambil atom atau ion dalam keadaan elektron tanah dan dengan gerakan translasi yang besar dan memindahkannya ke keadaan dengan shell elektron yang teruja (biasanya ia hanya berpusing dari elektron luaran), tetapi dengan pergerakan sedikit lebih kecil. Setelah beberapa lama, atom menerangi foton dan "jatuh" ke dalam keadaan dasar shell elektron, dan gerakan translasi tidak berubah. Hasil bersih dari proses dua langkah ini ialah pergerakan translasi telah menurun sedikit.Mengulangi prosedur ini dari masa ke masa, kita dapat sepenuhnya memadamkan gerakan translasi, "menanam" atom dalam keadaan dasar (supaya hanya ayunan sifar kekal). Dan "menyemai" dalam keadaan ini, atom tidak lagi teruja, kerana ia tidak mempunyai tempat untuk melompat.

Dalam pelaksanaan praktikal idea ini, tentu saja, terdapat beberapa hal kecil teknikal – khususnya, atom yang teruja harus "membantu" dengan cepat menghapus pengujaan untuk mencapai kadar penyejukan yang dikehendaki. Kerja sengit selama beberapa tahun membolehkan Vineland dan kakitangannya mengatasi mereka, dan pada tahun 1989 sebuah artikel muncul melaporkan pencapaian keadaan kuantum dasar pergerakan translasi ion merkuri. Benar, dalam penyetelan artikel ini hanya dicapai dalam pesawat melintang, dan gerakan berangka di sepanjang paksi persediaan belum lagi tersedia. Walau bagaimanapun, beberapa tahun kemudian, pada tahun 1995, kumpulan Vineland mencapai penyetempatan tiga dimensi sebenar satu ion dalam keadaan kuantum tanah.

Jadi, pada tahun 1995, epik, yang berlangsung selama beberapa dekad, telah selesai – terima kasih sebahagian besarnya untuk pencapaian kumpulan Vineland – pada penyetempatan kuantum lengkap satu ion tunggal.

Informatik kuantum sebagai sains eksperimen

Sebaik sahaja pergerakan translasi ion dalam perangkap itu benar-benar mematuhi penyelidik, situasi mekanik kuantum yang luar biasa telah dilaksanakan dengan serta-merta, yang sehingga itu tetap semata-mata hipotetis. Juga pada tahun 1995, kumpulan Vineland meletakkan ion dalam keadaan superposisi gerakan gerakan translasi – apabila ion tidak bergerak dan tidak bergerak, tetapi pada masa yang sama berdiri dan bergerak (semacam versi monatom dari kucing Schrodinger). Untuk mencapai matlamat ini, teknik yang sama digunakan untuk memindahkan keadaan di antara kumpulan tenaga utama dan teruja. Pada mulanya, shell elektron sebuah atom dipindahkan dari keadaan semata-mata ke keadaan superposisi tanah dan keadaan teruja. "Bahagian teruja" kemudian "jatuh" pada keadaan dasar elektronik, tetapi dengan gerakan translasi yang berbeza. Hasilnya adalah keadaan atom dengan shell elektron dalam keadaan dasar, tetapi dengan superposisi gerakan translasi.

Kerja ini merupakan langkah terpenting dalam transformasi fizik maklumat kuantum dari teori purba kepada sains eksperimen. Fizik pada masa itu telah lama bermimpi bukan sekadar belajar bagaimana memanipulasi keadaan kuantum di dalam satu atom,tetapi juga untuk memindahkan maklumat kuantum ini dari satu atom kepada yang lain adalah salah satu langkah pertama ke arah penciptaan komputer kuantum. Kerja-kerja Kumpulan Vineland 1995 (yang, dengan cara itu dipanggil "Demonstrasi Gerbang Logik Kuantum Asas") menunjukkan bagaimana ini boleh dilakukan. Superposisi kuantum, yang masih "hidup" di dalam ion, kini boleh diubah menjadi sesuatu yang "luar", menjadi suatu superposisi gerakan translasi. Ini bermakna jika ada ion kedua yang berdekatan, yang tidak dapat dielakkan dengan yang pertama disebabkan oleh interaksi elektrostatik, maka ia akan dapat melihatnya dan menjadikannya sebagai superposisi dalaman tanpa kehilangan koherensi (yang dicapai pada tahun 2003). Rantai linear atom sedemikian, yang digantung di dalam perangkap berkala, kemudian dapat melaksanakan semua fungsi komputer kuantum (Rajah 8).

Rajah. 8 Gambarajah skematik komputer kuantum pada rantaian ion sejuk terperangkap dalam perangkap berkala. Denyutan cahaya khusus yang disediakan mengawal operasi logik antara ion, dan kamera sensitif mengesan pelepasan ion individu dan dengan itu membaca hasil operasi.Imej dari artikel Blatt, Wineland, Alam 453, 1008 (19 Jun 2008)

Selepas pencapaian ini, kaedah eksperimen dalam fizik maklumat kuantum (atau sebaliknya, dalam kesedaran ionik) mula berkembang seperti longsor. Pada tahun 1998, Vineland telah mencapai entanglement kuantum daripada dua ion yang dipisahkan secara spasial – sekali lagi melalui tindihan gerakan translasi. Pada tahun 2000-an, beberapa kumpulan penyelidikan telah mencapai kekerapan kuantum terkawal beberapa ion. Hari ini, entanglement kuantum 14-ion telah dilaksanakan, dan juga banyak operasi logik yang diperlukan untuk kalkulator kuantum untuk berfungsi (lihat artikel ulasan Blatt dan Vineland untuk 2008).

Jam tangan yang tepat

Walaupun pada awal perkembangan kaedah yang diterangkan di atas, jelas bahawa kawalan dan kuantum kawalan ion-ion individu mungkin mempunyai aplikasi praktikal yang luas. Di satu pihak, zarah kuantum kuantum yang sangat sejuk dapat menjadi sensor supersensitif gangguan luaran. Sebaliknya, penggunaan peralihan atom yang tidak peka terhadap gangguan luaran akan membolehkan penciptaan piawaian kekerapan ultra-stabil baru. Kumpulan Vineland kini bekerja, antara lain, mengenai tugas ini, menggunakan semua ion yang ditangkap yang sama.Dua tahun yang lalu, sebagai contoh, mereka melaporkan penciptaan jam optik, kadarnya diukur dengan ketepatan relatif 10-17. Kini ketepatan langkah di peringkat 10 sudah dibincangkan dalam kesusasteraan.-18 dan lebih baik (lihat kajian 2011).

Penggunaan praktikal standard kekerapan ultra tepat adalah bahawa ia membolehkan anda melihat dan menggunakan kesan fizikal yang sangat lemah untuk tujuan praktikal. Contoh yang jelas di sini adalah artikel lain dari kumpulan Vineland dua tahun lalu, berkat kesan teori relativiti umum (!) Boleh digunakan dalam geodesi dan hidrologi (!) Melalui penggunaan jam atom ultra-tepat. Titik di sini ialah, mengikut teori umum relativiti, masa mengalir secara berbeza dalam medan graviti ketegangan yang berbeza. Apabila bergerak dari permukaan Bumi, medan graviti mula melemahkan, dan oleh itu kelajuan jam, yang terletak pada ketinggian yang berbeza, akan berbeza. Kumpulan Vineland melaporkan bahawa ia dapat melihat perbezaan ini apabila perbezaan ketinggian kurang dari 1 meter!

Hubungan yang sedemikian dekat antara cawangan fizik yang berbeza dan pendekatan mereka yang tidak dijangka kepada aplikasi praktikal adalah ciri ciri sains moden.Dan jika kita bercakap mengenai faedah praktikal fizik asas, maka karya-karya pemenang Hadiah Nobel semasa sekali lagi mengesahkan kesahihan tesis: dengan bantuan sains asas yang kita dapati dan digunakan dalam praktik fenomena semula jadi yang baruyang kami tidak dapat meneka diri, terperangkap dalam rangka cadangan "inovatif" atau "rasionalisasi" berdasarkan fizik lama.

Sastera dan pautan:

Artikel utama oleh Serge Arosha:

  • P. Goy, J.M Raimond, M.Gross, dan S. Haroche. Pemerhatian Pengeluaran Spontan Single-Atom Diperbuat oleh Cavity // Fiz. Wahyu Lett. 50, 1903 (1983).
  • W. Jhe, …, S. Haroche. Tambahan kerosakan spontan pada frekuensi optik di ruang terkurung // Fiz. Wahyu Lett. 58, 666 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Kesedaran pengayun maser dua foton // Fiz. Wahyu Lett. 59, 1899 (1987).
  • M. Brune, …, S. Haroche. Mengamati Dekoratif Meterosfera Meter dalam Pengukuran Kuantum // Fiz. Wahyu Lett. 77, 4887 (1996).
  • S. Gleyzes, …, S. Haroche. Lompat kuantum foton dalam rongga // Alam 446, 297 (15 Mac 2007).
  • S. Deleglise, …, S. Haroche. Pembinaan semula rongga bukan klasik dengan gambar / Alam 455, 510 (25 September 2008).

Artikel utama oleh David Vineland:

  • D. J. Wineland, R. E. Drullinger, dan F. L. Walls. Penyejatan Tekanan Sinar Penyerapan Resonan Bound // Fiz. Wahyu Lett. 40, 1639 (1978).
  • D. J. Wineland dan Wayne M. Itano. Spektroskopi Mg tunggal+ Ion // Fiz. Lett. A 82, 75 (1981).
  • F. Diedrich, J.C Bergquist, W.M. Itano, dan D. J. Wineland. Penyejuk Laser ke Tenaga Sifar-Motion // Fiz. Wahyu Lett. 62, 403 (1989).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. Raman Cooling Resurrecting-Sideband Atom 3D Zero-Point Energy // Fiz. Wahyu Lett. 75, 4011 (1995).
  • C. Monroe, …, D. J. Wineland. Demonstrasi Gerbang Logik Kuantum Asas // Fiz. Wahyu Lett. 75, 4714 (1995).
  • Q. A. Turchette, … D. J. Wineland. Deterministic Entanglement of Two Icapped // Fiz. Wahyu Lett. 81, 3631 (1998).
  • C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, D. J. Wineland. Jam Optik dan Relativiti // Sains 329, 1630 (24 September 2010).

Pautan berguna:

  • Maklumat mengenai laman web Jawatankuasa Nobel.
  • M. Schirber. Hadiah Nobel – Alat untuk Tinkering Kuantum // Fizik 5, 114 (2012).
  • Ion Storage Group, dipimpin oleh Wineland. Mengandungi, antara lain, fail PDF kebanyakan artikel dalam kumpulan.
  • 2012 Fisika Sumber Hadiah Nobel – pilihan penerbitan oleh S. Aros dan D. Vineland dalam jurnal Institut Fizik Amerika.
  • Elektrodinamika kuantum rongga adalah halaman kumpulan yang mempelajari elektrodinamika kuantum dalam sebuah resonator yang diketuai oleh Serge Aros. Terdapat juga bahan-bahan dari persidangan Atoms, Cavities dan Photons yang didedikasikan untuk ulang tahun ke-65 Serge Arosch, yang mengandungi ulasan menarik mengenai sejarah perkembangan bidang fizik ini.

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: