Нобелевская премия по физике за квантовые компьютеры и сверхточные часы

Работы в области квантовой оптики, позволяющие создавать основы квантовых компьютеров, сверхнадежных шифров и небывало точных часов увенчаны Нобелевской премией по физике 2012 года. Это тот случай, когда результаты, полученные при изучении взаимодействия света с веществом, найдут самое широкое применение на практике, отмечают эксперты.


Серж Арош

Серж Арош – французский физик, родившийся в 1944 году в Марокко, профессор Коллеж де Франс, работал в Стэнфордском и Гарвардском университетах, Массачусетском технологическом институте. В 1996 году Арош и его коллеги провели экспериментальные наблюдения квантовой декогеренции. Арош стал первым Нобелевским лауреатом-выходцем из Марокко.


Дэвид Уайнлэнд

Дэвид Уайнлэнд – американский физик, тоже родившийся в 1944 году, работающий в Национальном институте стандартов и технологии (NIST) США. В 1978 году Уайнлэнд впервые продемонстрировал технологию лазерного охлаждения ионов.

Во вторник Нобелевский комитет Королевской шведской академии наук объявил в Стокгольме, что Нобелевская премия по физике за 2012 год присуждена французу Сержу Арошу и американцу Дэвиду Уайнлэнду «за новаторские экспериментальные методы, позволяющие измерять и контролировать отдельные квантовые системы».

«Их исследования позволили ответить на ряд базовых вопросов физики, таких как когерентность. Самые точные часы в мире в мире созданы с помощью работ сегодняшних лауреатов, а в будущем, возможно, на этих принципах получится построить работу квантовых компьютеров, скорость которых будет неизмеримо выше всех существующих вычислительных машин, — говорится в сообщении Нобелевского комитета. — Серж Арош и Дэвид Вайнленд независимо друг от друга создали и развили методы манипуляции отдельными частицами, сохранив их квантово-механическую природу так, как ранее считалось просто невозможным.

Они открыли дверь в новую эру экспериментов в квантовой физике, предложив прямые методы наблюдений индивидуальных квантовых частиц без их разрушения. В школе нас учат тому, что квантовые частицы имеют двойную корпускулярно-волновую природу и в квантовом мире законы классической механики не работают, нужно применять квантовые методы. Однако отдельные частицы не так просто выделить из окружающей среды, и они теряют «таинственные» квантовые свойства, соприкасаясь с внешним миром. Именно поэтому ряд аномальных явлений, предсказанных квантовой физикой, никак не удавалось наблюдать напрямую, и исследователям приходилось изобретать косвенные эксперименты, которые давали базовое подтверждение теоретическим предсказаниям.

Арошу и Вайнленду удалось придумать оригинальные методы, позволяющие измерять и контролировать очень неустойчивые квантовые состояния, «поймать» которые напрямую считалось невозможным.

Два независимо разработанных метода имеют много общего. Дэвид Вайнленд заключал в «ловушку» заряженные атомы (ионы), управляя ими и измеряя их параметры с помощью света, то есть фотонов. Серж Арош пошел в обратном направлении: измеряемыми в ловушке оказались фотоны (частицы света), которые оказались там при прохождении сквозь нее атомов.

Оба лауреата работают в области квантовой оптики и занимаются изучением фундаментальных взаимодействий света и материи — эта область переживает бурное развитие с середины 1980-х годов. Их новаторские методы позволили всем работающим в квантовой оптике ученым сделать первые шаги к созданию нового типа супербыстрых компьютеров — квантовых компьютеров, работающих на особенностях квантовой природы частиц. Квантовые компьютеры, возможно, изменят нашу повседневную жизнь уже в этом столетии также кардинально, как это сделали обычные компьютеры в столетии предыдущем. Еще один результат их работ — создание сверхточных часов, которые в будущем могут стать основой нового стандарта времени, в сто раз более точного, чем современные цезиевые часы».

Представление лауреатов по традиции прошло на нескольких языках, в том числе на русском.

Атомные часовщики

Благодаря работам лауреатов «мы можем делать более точные измерения, мы можем видеть новые явления и эти методы открывают совершенно новый мир в маленьком мире», прокомментировала присуждение награды профессор экспериментальной физики Гетеборгского высшего технического института имени Чальмера Эва Ульссон в интервью Радио Швеции.

Работы Ароша и Уайнлэнда хотя и имеют отношение к фундаментальной физике, но найдут широкое практическое применение, считает заведующий лабораторией лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН Виктор Балыкин.

«Серж Арош всю жизнь занимался простыми квантовыми системами, то, что связывают с будущими квантовыми компьютерами. Это исследование на фундаментальном физическом уровне элементарных составляющих будущих квантовых компьютеров – так называемых квантовых кубитов», – пояснил Балыкин.

Результаты, полученные Арошем, важны для реализации принципов квантовой криптографии, полагают директор Института автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН Анатолий Шалагин и профессор университета Умео (Швеция) и физико-технического института имени Иоффе (Петербург) Андрей Шеланков.

«Там видны определенные выходы (в практику)», – сказал Шалагин РИА Новости.

По словам Балыкина, Уайнлэнд «занимался проблемой локализацией, захвата отдельных ионов с последующим охлаждением».

Это, в частности, позволяет создавать атомные часы – самые точные часы в мире.

В этих устройствах для измерения времени роль «маятника» играют атомы. Частота излучения атомов при переходе их с одного уровня энергии на другой регулирует ход квантовых часов. Эта частота настолько стабильна, что атомные часы позволяют измерять время точнее астрономических методов.

«Если бы эти часы начали свое "тиканье» с момента Большого взрыва (почти 14 миллиардов лет назад – ред.), то их погрешность составила бы плюс-минус всего пять секунд!", – процитировал Балыкин ответ Ароша на вопрос, зачем нужны эти часы.

Такие устройства необходимы, в частности, для обеспечения работы космических аппаратов, интеллектуальных энергосетей, систем автоматического управления и обеспечения безопасности.

«Все навигационные системы… в принципе не могут существовать без этих точных часов», – добавил ученый.

Обаяние нобелиатов

Арош и Уайнлэнд – очень обаятельные и интеллигентные люди, с которыми интересно общаться не только по науке, но и за пределами лабораторий, рассказал Балыкин.

По его словам, он говорит об Ароше и Уайнлэнде «с удовольствием».

«Я знаю и того, и другого. Это чрезвычайно обаятельные и скромные физики, чрезвычайно мягкие, воспитанные, интеллигентные люди, особенно Дэвид Уайнлэнд – такой спокойный, медлительный. С ним можно говорить не только о физике», – сказал Балыкин.

По словам Балыкина, с Арошем он познакомился в начале перестройки в СССР на одной из международных конференций.

«И я помню, с каким интересом – он был с женой – они спрашивали, что происходит в Советском Союзе. Меня просто поразила их заинтересованность в том, что же на сей раз случилось в большой стране под названием Россия», – отметил ученый.

Сам Арош по телефону сообщил журналистам, собравшимся на традиционной пресс-конференции в Стокгольме, что в момент звонка от нобелевского комитета он с женой возвращался домой с прогулки.

«Я шел по улице, хорошо, что по пути была скамейка и я смог присесть… Когда я увидел шведский телефонный код на своем телефоне, я понял, что все это действительно происходит со мной. Это поразительно», – сказал ученый, который несколько лет подряд считался одним из главных кандидатов на Нобелевскую премию.

Гордость французского образования

Присуждение Нобелевской премии Арошу заставляет гордиться французской образовательной системой, считает министр высшего образования и науки Франции Женевьев Фьоразо.

«У нас уже третья Нобелевская премия по физике за последние годы. Естественно, нужно гордиться нашей наукой. Хотя нельзя все упрощать, у нас есть, что улучшить», – сказала Фьоразо в интервью телеканалу BFM TV.

Министр отметила, что также рада за Коллеж де Франс, где работает Арош.

«У нас 26–27 ноября пройдет там заседание, посвященное высшему образованию и науке. Мы не думали, что принимающей стороной будет нобелевский лауреат, хотя председательствовать на заседании будет обладатель Нобелевской премии по медицине 2008 года Франсуаз Барре-Синусси. Нужно гордиться нашей образовательной системой во Франции», – заявила министр.

В свою очередь, президент Франции Франсуа Олланд выпустил коммюнике, поздравив Ароша с премией.

«Серж Арош смог соединить сильные теоретические построения с замечательным опытом во всех французских и иностранных организациях, где он работал, в (Национальном центре научных исследований) CNRS, Университете имени Пьера и Мари Кюри, в "Высшей нормальной школе», Политехнической школе и Коллеж де Франс, где он является управляющим уже несколько месяцев. Это гордость для нашей страны и удовлетворение для всей французской науки", – подчеркнул президент.

Звонок Нобелевского комитета Сержу Арошу

Сразу после объявления имен лауреатов на пресс-конференции Нобелевский комитет дозвонился до одного из них, Сержа Ароша.

— Я счастлив, — сказал лауреат. — Двадцать минут назад мне сказали, что я получил премию. Я в этот момент шел по улице вместе с женой, и, узнав о премии, я был так удивлен, что вынужден был присесть на первую попавшуюся скамейку. Это просто невероятно.

— Как отпразднуете это событие?

— Еще даже не знаю. Может быть, открою бутылочку шампанского.

— Один из результатов вашей работы — это возможность создания квантовых компьютеров. Как вы думаете, когда эти устройства будут созданы?

— Не знаю точно, мы пока изучаем такую возможность, пытаемся понять, как все происходит на уровне частиц.

Нам предстоит решить много различных проблем для создания квантовых компьютеров. Я в основном был сконцентрирован на теоретических исследованиях, и практическое применение не было для меня самым важным фактором.

Использование квантовых систем – сложный вопрос, и физикам предстоит много узнать о них. Может, это будут не компьютеры, а квантовые симуляторы, какие-то квантовые коммуникации.

— Еще одно применение результатов вашей работы и вашего коллеги, Дэвида Вайнленда, это сверхточные часы. Какое можно будет найти им применение?

— Мои коллеги работают над этим. Существует очень много вариантов применения этих сверхточных часов. С их помощью можно измерять гравитацию, гравитационное поле, использовать их для предотвращения землетрясений. Также им можно найти применение в области фундаментальной физики, например, для проверки теории относительности или для объяснения многих еще необъясненных явлений. Еще их можно использовать в космосе, например, в экспериментах на Международной космической станции.

— Думали ли вы, что получите Нобелевскую премию?

— Многие люди заслуживают премии, и потому возможность получения премии очень мала. Я старался особо не ждать этого, особо об этом не думать. Тем более я не ожидал, что получу премию в этом году. Я очень рад, что премия присуждена также и Дэвиду Вайнленду, он замечательный ученый.

В ходе разговора с лауреатом возникали проблемы с телефонной связью, так что представитель Нобелевского комитета, завершая пресс-конференцию, выразил надежду, что вскоре для звонков будет использоваться «квантовый телефон и связь будет лучше».

Послесловие

По версии агентства Thompson Reuters, в области физики несомненным фаворитом этого года являлись работы по открытию и экспериментальному подтверждению квантовой телепортации. Премию должны были разделить Чарльз Беннетт из IBM, Жиль Брассар из Университета Монреаля и Уильям Вуттерс из колледжа Уильямс (Массачусетс, США).

Среди других претендентов значились один из пионеров оптоэлектроники, обнаруживший эффект фотолюминесценции в пористом кремнии, Ли Кэнхэм из Университета Бирмингема (Великобритания), а также авторы работ по «медленному свету» (замедлению световых импульсов в облаке ультрахолодных атомов натрия) Стивен Харрис из Стэнфордского университета (Калифорния) и Лене Хау из Гарвардского университета (Массачусетс, США).

Упоминалось и главное физическое открытие этого года — частица, подобная бозону Хиггса. Однако коль скоро результаты пока не подтверждены с необходимой точностью, эксперты (и Нобелевский комитет) сошлись на том, что бозон Хиггса — тема премии уже 2013 года.

Источник