Полная изоляция одноэлектронного квантового состояния.
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.
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
