060

Не за горами то время, когда квантовые законы станут основой многих приборов и устройств. Теоретические исследования таких сугубо квантовых систем, как, к примеру, квантовые компьютеры, ведутся уже давно. И если концептуально уже более-менее понятно, как такие устройства будут работать, их практическая реализация остается пока уделом будущего, хотя, по-видимому, не такого далекого. Основная проблема, которую необходимо решить - приготовление чистого изолированного квантового состояния. Дело в том, что даже если мы сможем приготовить определенное квантовое состояние микроскопической системы (чаще всего речь идет о состояниях одного электрона или одного фотона), то неконтролируемое, хаотичное внешнее воздействие, любой внешний "шум" моментально разрушит квантовую когерентность этого состояния. Именно по этой причине в сколько-нибудь сложных (и тем более, макроскопических) системах, постоянно находящихся во взаимодействии с внешней средой, обычно не остается и следа от квантовых явлений. Однако в недавней работе группа из Гарвардского Университета продемонстрировала, что изоляция одного единственного электрона может быть достигнута в так называемой ловушке Пеннинга. Ловушка Пеннинга используется учеными уже давно. С помощью специально подобранной конфигурации электрического и магнитного полей, в ней удается удерживать и охлаждать заряженные частицы: протоны, ионы, электроны. В такой ловушке можно работать и с одним единственным электроном. В цилиндрической ловушке Пеннинга магнитное поле направленно вдоль оси: тогда при достаточно сильном магнитном поле электрон будет вращаться по круговой орбите, не взаимодействуя со стенками. Кроме этого, усиливая поле на концах ловушки, можно ограничить и движение электрона вдоль оси. Это все так для классического электрона, то есть при энергиях электрона, существенно больших hv, где h = 6,6Х10-34 ДжХс есть постоянная Планка, а v - циклотронная частота электрона в данном магнитном поле. Для описываемых экспериментов величина v равнялась 147 ГГц, что отвечает энергии 0,6 мэВ или температуре около 7 К. То есть, электрон, находящийся при комнатной температуре, все еще описывается уравнениями классической электродинамики, то есть он, в самом деле, движется по круговой орбите. Фактически мы здесь имеем дело с настоящим одноэлектронным циклотроном. При понижении температуры до десятков градусов Кельвина в игру вступают квантовые законы. Теперь электрон уже не может двигаться произвольным образом. Вместо этого, он находится в определенных квантовых состояниях, которые называются уровнями Ландау. Переход между различными уровнями Ландау происходит скачкообразно, с поглощением или испусканием фотона, либо в силу какого-либо внешнего воздействия на электрон. Наконец, при температурах существенно ниже hv, электрон будет практически все время находиться на самом нижнем уровне Ландау. Внимательный читатель, наверно, уже давно задал автору вопрос: "Простите, а что такое температура одного электрона? Что значит, что электрон находится при комнатной температуре? Да и вообще - разве можно говорить о температуре всего одной частицы? Ведь температура всегда была мерой хаотического движения многих частиц..." Очень правильный вопрос. Да, если частица находится во внешнем потенциале, то и в классическом, и в квантовом случае можно говорить о ее температуре. Она в этом случае определяется просто разностью фактической энергии частицы и ее минимально возможным значением в данном потенциале. В классической физике минимально возможной энергией обладал бы совершенно неподвижный электрон, в квантовой механике - это относится к основному уровню Ландау. Таким образом, электрон, находящийся во внешнем магнитном поле и взаимодействующий с внешним миром, будет находиться при температуре окружающей среды. Однако тут возникает второй вопрос: "Так ведь электрон в ловушке Пеннинга находится в вакууме (и кроме того, не касается стенок). Чему же тогда равна температура электрона?" В этом случае она опять-таки равняется температуре окружающей среды, и теплообмен здесь идет за счет теплового излучения, тепловых фотонов. Действительно, даже если тело поместить внутрь какого-либо сосуда в абсолютный вакуум, то оно, в конце концов, примет температуру стенок сосуда за счет поглощения всегда присутствующего теплового излучения. Это вполне справедливо и для одного-единственного электрона: даже если мы сначала приготовили определенное квантовое состояние электрона (помните, с чего мы начинали?) и в целях максимальной изоляции поместили его в вакуум, то все равно электрон будет поглощать тепловые фотоны и непредсказуемым образом менять свое квантовое состояние и, в конце концов, - термализируется. Итак, вот мы и подошли к сути недавних экспериментов. Как же убрать тепловое излучение? Да просто глубоким охлаждением установки. Раньше подобные эксперименты проводились при гелиевой температуре 4,2 K, но это было еще слишком много: вероятность того, что стенки камеры излучат фотон с чуть большей энергией (7 К), который перебросит электрон на другой уровень Ландау, была все еще велика. Группа из Гарвардского Универстета смогла впервые провести эти эксперименты при температуре 0,08 K - в 50 раз ниже, чем ранее. Для единственной изолированной элементарной частицы - это рекордно низкая температура. При такой температуре вероятность излучить фотон с энергией 7 K ничтожно мала (в равновесном тепловом излучении высокоэнергетическая часть спектра экспоненциально подавлена). Поэтому на протяжении всего времени наблюдения (несколько часов) электрон при этой температуре оставался на самом нижнем уровне Ландау (для сравнения - при 4,2 K электрон в той же установке прыгал между различными уровнями приблизительно раз в минуту). Теоретические оценки говорят, что при 0,08 K электрон совершал бы такие прыжки не чаще, чем раз в 1032 лет! Итак, можно сказать, что этой группе впервые удалось получить единичный электрон в определенном квантовом состоянии в полной изоляции от всех внешних "шумовых" воздействий, даже от теплового излучения. Еще одним важным достижением этих экспериментов являлось использование квантово-неразрушающих измерений. Квантовая теория нас учит, что даже сам процесс измерения, произведенный над микроскопической системой, вносит "шум" и тут же разрушает ее квантовую когерентность. Другими словами, второе такое же измерение может дать иной результат. С другой стороны, без наблюдения за системой теряется смысл экспериментов. Именно эту дилемму решает методика квантово-неразрушающих измерений, когда мы измеряем некую другую характеристику системы, и уже по ней восстанавливаем интересующие нас сведения. В описываемых экспериментах роль вспомогательной характеристики играло движение электрона вдоль оси ловушки: благодаря специальной конфигурации магнитного поля, это движение было напрямую связано с номером уровня Ландау. В результате, повторные измерения не влияли на саму квантовую систему и не вносили "шум". Какие применения могут найти эти эксперименты? Во-первых, показана принципиальная возможность полной изоляции квантовых состояний, что означает преодоление еще одного препятствия на пути к квантовой технологии. Благодаря этим опытам, уже можно получать необходимое квантовое состояние и сохранять его в течение длительного времени. Это, безусловно, будет стимулировать дальнейшие опыты по изучению квантовой когерентности и квантовых измерений и способствовать развитию теории квантовой информации и квантовой криптографии. Кроме того, эти опыты уже имеют немало интересных приложений. Например, спектроскопические измерения такой одноэлектронной системы могут привести к существенно лучшему измерению магнитного момента электрона - характеристики, очень интересной с точки зрения физики элементарных частиц. В эту же категорию попадает и возможность еще более точного определения постоянной тонкой структуры, а также лептонный CPT тест (сравнение магнитных моментов электрона и позитрона). В заключение скажем, что фраза типа "Возьмем один электрон и поместим его в определенное состояние...", которая еще лет 20 назад всем казалась только метафорой, начинает обретать реальность. Квантовая манипуляция с отдельными элементарными частицами - это уже сегодняшний день. Дополнительные ссылки: S.Peil and G.Gabrielse, Phys.Rev.Lett. 83 (16 Aug 1999) 1287; P. Meystre, "Putting an electron to rest", Nature, 401 (28 Oct 1999), 869 - наблюдение квантовых состояний одного электрона ловушке Пеннинга. И.П.Иванов

Закладка в соц.сетях