Цього року лауреатами нобелівської премії з фізики стали француз Серж Харош і американець Девід Вайнленд – за успіхи в контролі квантових частинок.
Учасник французького експерименту Ігор ДОЦЕНКО розповідає, як його лабораторія 20 років ішла до успіху
Цей експеримент не був раптовим геніальним відкриттям. Група дослідників 20 років послідовно працювала, намагаючись на дуже простих схемах – буквально один фотон і один атом – показати суть квантової механіки. Для цього треба було розробити технічну базу й експериментальні методи, застосувати розробки інших учених, виправити якісь непередбачувані помилки. Пройти всі етапи того, що називається науковим процесом.
1990 року Серж із двома найближчими колегами запропонував експеримент, що дозволив би виміряти фотон, не знищуючи його. 1999-го вони це втілили, і їм удалося побачити фотон кілька разів. Це тривало мікросекунди, адже якість дзеркал і техніки була далека від ідеальної. Але експеримент показав: метод себе виправдав, шлях правильний, і тепер треба вдосконалювати фотонну пастку, щоб тримати фотон у ній довше.
2006-го група зробила резонатор із новою геометрією. І вже за рік з'явилися наукові описи життя фотона в реальному часі – від моменту виникнення й до "смерті".
Після цього почалися серйозніші експерименти. Наприклад, щодо так званого парадокса Зенона. За ним, якщо дуже довго підглядатимемо за квантовою системою, вона припинить змінюватися. Просто зупиниться й чекатиме, коли ми її облишимо. На відміну від класичної, де футбольний м'яч, що летить у ворота, точно в них залетить – хоч дивися на нього, хоч ні.
Недавно ми зробили велику серію експериментів над зворотним зв'язком із квантами, англійською – quantum feedback. Її суть – у реальному часі, водночас зі змінами у квантовій системі, намагатися змінювати її самим. Щоб у підсумку вона залишалася такою, як нам треба. Це так само, як круїз-контроль в автомобілі, коли машина вимірює швидкість і сама вирішує, додавати газу чи ні. Однак у квантовому світі є ще проблема: процес вимірювання змінює її стан. Треба бути дуже акуратним, оперувати чутливими сенсорами. Але поки що, за винятком кількох особливих видів вимірів – "квантових неруйнівних", – напевно знати результат втручання ми не можемо.
Якихось особливих почуттів до експерименту ми не мали. Між собою називаємо його cavite?, резонатор – за назвою установки. Або ж за номером кімнати – S15. Група Сержа веде ще кілька дослідів. У R14 ми пробуємо створити атомну структуру біля напівпровідникового чипа. P10 – дуже дорогий експеримент, якоюсь мірою аналог нашого нобелівського, але дозволить робити складніші речі. Щодо назв – французи люблять скорочувати слова й використовувати абревіатури. І слово manipulation – експеримент – постійно скорочують до manip. Я думав, що це окреме слово.
Чому аж 20 років? По-перше, час від часу в експерименті ламається якесь обладнання. Щоб його полагодити, інколи треба рік-півтора. А по-друге, дзеркала, з яких робимо пастку для фотонів, такі чутливі, що їх виробництво непередбачуване. З десятка лише два можуть виявитися достатньо якісними – і це якщо пощастить.
Побачити ваду непросто. Треба помістити ці надточні дзеркала в кріостат, охолодити систему, запустити туди атоми й подивитись, "живуть" серед цих дзеркал фотони чи ні. На це йде два місяці, й зазвичай результат негативний. Тоді ми чистимо цю пару дзеркал і починаємо знову. Це найнудніше, що може бути в експерименті. Серж Харош із цього приводу каже, що долю Нобелівської премії вирішила порошинка, яка не потрапила на дзеркало.
Практичних наслідків ця робота не мала. Премію присудили з інших міркувань, ніж, наприклад, за відкриття графену чи експерименти з охолодження атомів. Там досліди давали поштовх для нових напрямків досліджень. Тут інакше – зокрема, через високу вартість експерименту. Але за 20 років він протоптав доріжку до ідеального контролю над квантовою системою. І тепер люди, які хочуть досягти подібного, знають, що за чим робити. Зараз, наприклад, намагаються створити міні-резонатори, пластинки розміром із мікрон, що вібрують, як динамік у комп'ютері, – але на квантовому рівні. Науковці роблять це вже не "навпомацки".
За десяту частку секунди фотон долає 40 тисяч кілометрів
У пастку з двох напівкруглих дзеркал за температури, близької до абсолютного нуля, запускають один фотон світла. Між цими дзеркалами – 2,7 см, вони зроблені з надпровідникового матеріалу і є найблискучішими у світі. Тому фотон, відбиваючись від дзеркальної поверхні, може існувати в цій пастці аж до 0,1 с. За цей час він долає відстань 40 тис. км.
Доки фотон у пастці, туди один за одним запускають так звані атоми Рідберга. Вони мають форму бублика й радіус у 125 нанометрів – у тисячу разів більший, ніж у типового атома. Швидкість їх руху чітко вивірена. Якщо при виході з пастки ця швидкість або інші параметри атома змінюються – можна судити про те, що фотон у пастці "живий" і перебуває у певному стані. Це – поки що єдиний доступний науці спосіб "зазирнути" у світ квантових частинок.
Квантову фізику пояснюють на прикладі Кім Чен Іра
Правила квантової фізики діють у мікроскопічному світі, що невидимий людському оку. Вони істотно відмінні від законів класичної фізики і спершу видаються неможливими. Приміром, існує явище суперпозиції, коли один атом може бути в кількох місцях одночасно. Або сплетіння, entanglement, – коли квантові частинки, не маючи прямого контакту, можуть впливати на поведінку одна одної. Або ж квантової телепортації. Ці правила перестають діяти, якщо за ними стежать ззовні.
Австрійський фізик та нобелівський лауреат Ервін Шрьодінгер у середині ХХ ст. спробував пояснити складність дослідження квантової фізики на прикладі посадженого в коробку живого кота. Також у коробці – ампула з отрутою і радіоактивний атом. Період напіврозпаду цієї радіоактивної речовини – година. Щойно відбудеться реакція – капсула зруйнується і смертоносна речовина вб'є тварину. Тож протримавши коробку закритою протягом години, ми можемо з 50-відсотковою ймовірністю сказати, що кіт – мертвий. Знати це напевно не можемо ніяк, адже якщо відкрити коробку – атом вилетить, і система зруйнується. Тож кіт для нас ніби перебуває у двох станах одночасно.
Донедавна у західному світі наводили інший приклад – із Північною Кореєю та диктатором Кім Чен Іром. Адже годі було з'ясувати, живий він чи ні.
3 
1
Комментарии