Оба этих ограничения теперь сняты, поскольку исследователи уже работают с отдельными атомами и фотонами.
Здесь и нашлось еще одно применение для невероятно точных лазеров – они стали устройством для манипулирования отдельными атомами. Когда атомы с помощью электромагнитных полей помещают в ультравысокий вакуум, точно настроенные и нацеленные лазеры могут использоваться на их охлаждения. Должен заметить, что наличие у атомов «температуры» просто означает, что атомы не стоят на месте: чем более возбужден атом, тем выше его температура. Свет лазера заставляет атом терять энергию и «остывать». Сегодня лазеры могут спокойно использоваться для охлаждения атомов до температуры, которая менее чем на одну тысячную градуса выше абсолютного нуля. Затем они могут функционировать в качестве оптических пинцетов, чтобы удерживать атомы на месте, а также толкать их при помощи точных импульсов энергии, тем самым отправляя их в квантовые суперпозиции и запутанные состояния.
Примечательно, что эти техники удалось успешно применить лишь в последнее десятилетие прошлого века, поэтому в последние несколько лет на страницах журнала Nature то и дело появлялись статьи об этой удаче. Мы наконец можем изучить границу квантового и классического миров.
Вот пример того, как быстро меняются идеи. Студентов-физиков долгое время учили, что «увидеть» можно только объект, размерами не меньше длины волны того света, который на него направляют. Это привело к изобретению электронного микроскопа, описанного в предыдущей главе. Длина волны видимого света составляет примерно половину микрона (одной тысячной миллиметра), а атомы более чем в тысячу раз меньше. Теперь учебники надо переписывать: сегодня исследователи без особого труда могут ловить отдельные атомы, рассматривать и отслеживать их и вообще манипулировать ими на свое усмотрение, используя лазерные пучки видимого света.
Прежде чем я расскажу, как некоторые из этих техник в будущем смогут быть использованы для создания устройства, называемого квантовым компьютером, давайте рассмотрим несколько экспериментов. Каким образом видимый свет может позволить нам разглядеть нечто столь малое, как атом? Длина его волны для этого явно слишком велика.
Как отследить атом
Сегодня физики могут обнаруживать образец размером несколько тысяч атомов, направляя на него свет, но происходит это не так, как вы думаете: они не просто отражают свет от образца, как при использовании микроскопа. Если частота света настроена таким образом, чтобы его фотоны обладали энергией, которая, согласно формуле Планка, соответствует энергии атомного перехода, то некоторые фотоны поглощаются атомами. Не забывайте, что под переходом подразумевается лишь то, что один из электронов атома перепрыгивает на более высокий энергетический уровень. Таким образом, используя свет этой «резонирующей» частоты, мы наблюдаем сокращение общего количества фотонов, поскольку несколько тысяч особенно смелых фотонов жертвуют собой ради атомов. Так мы и узнаем о наличии атомов.
Связанная с этим весьма хитроумная идея позволяет обнаружить единичный атом. Вместо того чтобы светить на него лазерным светом, настроенным на резонирующую частоту, мы смотрим, что происходит со светом, частота которого не позволяет ему быть поглощенным. Сначала отдельные атомы ловятся и охлаждаются, а затем по одному впускаются в крошечное устройство, называемое оптическим резонатором, длина которого составляет малую долю миллиметра, а стенки обладают высоким индексом отражения. Внутрь резонатора направляется свет очень слабого лазера, в результате чего в любой момент времени вместе с атомом от стенок отражается в среднем всего один фотон! Каждый раз, когда этот фотон встречается с атомом, он чуть замедляется при движении «сквозь» атом[73] (точно так же, как свет замедляется при движении сквозь воду или стекло). Это вызывает небольшое изменение волновой функции протона, которое постепенно нарастает, пока он тысячи раз проходит сквозь атом, и в конце концов эффект становится измеримым.
Физики Института квантовой оптики общества Макса Планка в Германии использовали эту технику, чтобы отследить траекторию атома, движущегося внутри резонатора. Само собой, происходящее в таком случае равносильно постоянному наблюдению за атомом, поэтому он всегда ведет себя, как классическая частица.
Наблюдая декогеренцию в действии
Ряд экспериментов в сфере квантовой оптики действительно привел к появлению громких заголовков в научных журналах последних лет. Три четверти века физики-теоретики и философы обсуждали такие фундаментальные идеи, как где проходит граница между квантовым и классическим мирами, используя мысленные эксперименты и аргументы, основанные на различных подходах к интерпретации квантовой механики. Теперь эти идеи наконец-то можно проверить в лабораторных условиях.
В Главе 5 я описал, как декогеренция решила один из фундаментальных вопросов, связанных с проблемой измерения, объяснив, почему мы никогда не видим котов живыми и мертвыми одновременно. Феномен декогеренции доказывает, как мы вполне справедливо ожидаем, что четкой границы между микро – и макромиром не существует – просто эффект интерференции суперпозиций исчезает тем быстрее, чем сложнее становится квантовая система. Интерференции чрезвычайно быстро пропадают, когда квантовая система вступает в контакт с макроскопической окружающей средой. Следовательно, хитрость в том, чтобы изучать «мезоскопические» системы, которые находятся где-то посередине между микро – и макромиром, и надеяться, что рано или поздно нам удастся увидеть декогеренцию в действии.
В 1996 году в Боулдере (Колорадо) был проведен эксперимент, воссоздавший первое «состояние кота Шрёдингера» на атоме, сначала поймав его в ловушку силового поля, а затем замедлив его движение посредством охлаждения лазером. Еще два лазера применялись для «вынужденного» ввода атома в суперпозицию пребывания в двух местах одновременно.
В мае 1996 года группа экспериментаторов Национального института стандартов и технологий (NIST) в Боулдере (Колорадо) создали, как они выразились, подобное «состоянию кота Шрёдингера» состояние, поместив на место кота отдельный атом. Сначала они поймали атом и лазером охладили его до температуры, настолько близкой к абсолютному нулю, насколько это возможно без нарушения принципа неопределенности[74], а затем подтолкнули его серией контролируемых лазерных импульсов, которые ввели атом в суперпозицию двух различных квантовых состояний, основанных на энергии его внешних электронов.
Само по себе это не представляет особенного интереса. Атомы часто пребывают в суперпозициях. Интересно, что лазеры сделали различные состояния атома квантово запутанными с состояниями его движения, поэтому он оказался и в суперпозиции движения одновременно в двух направлениях. Атом колеблется в своей ловушке, причем два состояния движутся совершенно не в фазу. Когда они расходятся дальше всего, между ними оказывается расстояние, почти в тысячу раз превышающее диаметр атома. Обратите внимание, что под «ними» я подразумеваю две части волновой функции одного атома.
Но я-то знаю, что волновые функции не локализованы в пространстве, так что в подобном поведении нет ничего необычного. И все же каждая колеблющаяся часть волновой функции распространяется всего на одну десятую максимального расхождения между двумя частями. Именно поэтому описываемая ситуация отличается от обычного эксперимента с двумя прорезями. В конце концов, атом, который проходит сквозь обе прорези, тоже пребывает в суперпозиции нахождения в двух местах одновременно. Но в этом случае две части волновой функции распространяются, как только прорези пройдены, и накладываются друг на друга, а следовательно, интерферируют. Здесь же каждая часть волновой функции остается локализованной и не распространяется в пространстве. Когда две части оказываются в точке максимального расхождения, наложения практически не происходит.
Как только ученые научились воссоздавать такие мезоскопические состояния кота Шрёдингера, следующим шагом стало их применение в изучении природы декогеренции. К декабрю 1996 года был проведен первый успешный эксперимент в этой сфере, который осуществила группа ученых под руководством Сержа Ароша, работавшая в Высшей нормальной школе (ENS) в Париже. Вместо того чтобы просто ввести атом в суперпозицию, они сумели запутать состояние атома с электромагнитным полем, состоящим всего из нескольких фотонов, заключенных внутри резонатора. Таким образом электромагнитное поле было тоже введено в суперпозицию колебания в двух разных фазах одновременно.
Парижский эксперимент 1996 года впервые доказал, что декогеренция представляет собой реальный физический процесс. Изучая состояния двух атомов (квантовой кошки и квантовой мышки), проходящих сквозь резонатор, содержащий электромагнитное поле в суперпозиции, можно измерить, насколько быстро произошла декогеренция поля.
Далее ученые измерили, как долго электромагнитное поле может пребывать в этой квантовой суперпозиции. Взаимодействие с окружающей средой происходило, как только из резонатора выходил хотя бы один фотон, который выдавал квантовое состояние внешнему миру. Чтобы измерить, насколько быстро это случалось, ученые отправляли второй атом, который называли квантовой мышкой[75], который сам оказывался запутанным с квантовым состоянием поля. Это приводило к возникновению поддающейся измерению интерференции между различными частями волновой функции второго атома. Изменяя временной интервал перед запуском атома-мышки, ученые наблюдали декогеренцию в действии. Скорость потери суперпозиции электромагнитного поля зависит от того, насколько «не в фазе» пребывали два компонента. Обычно время декогеренции можно было растянуть до десятой доли миллисекунды. Наконец-то ученым удалось неопровержимо доказать, что декогеренция реальна.