Физики снова подтвердили правильность квантовой механики
Атомный чип, общий вид. Изображение: http://atomchip.org, сайт австрийской лаборатории, ученые из которой приняли участие в работе
Физики из Австрии, Германии и России в очередной раз доказали, что квантовая механика правильно описывает фундаментальную природу физических явлений. Манипулируя отдельными атомами, ученые показали, что от квантовых законов, описывающих поведение отдельных частиц, можно перейти к действующим в привычных масштабах законам термодинамики.
В своей работе коллектив, куда входили и специалисты из петербургского Физико-технического института имени Иоффе, использовал совокупность атомов рубидия, охлажденных до температуры, близкой к абсолютному нулю и выстроенных в одну линию. Специальная магнитная ловушка не позволяла атомам уходить в сторону от этой линии, поэтому такие атомы были названы учеными в своей статье для журнала Science одномерным газом.
Весьма специфический ансамбль
Одномерный газ, в свою очередь, был прообразом обобщенного канонического ансамбля. Это понятие не имеет ничего общего с музыкой: ансамблем физики называют совокупность всех мыслимых состояний той или иной системы. Если, к примеру, система состоит из одного атома, который либо обладает некоторой порцией энергии, либо нет, ансамблем назовут совокупность двух этих состояний. Ансамбль в статистической физике является теоретическим понятием, а не реальным набором из каких-то объектов.
Для описания ансамблей физики используют определенный математический аппарат, позволяющий предсказать то, в каких состояниях может находиться система и в каких может оказаться через некоторое время. Существуют разные виды ансамблей, для каждого из них есть свой математический аппарат, и каждый ансамбль можно использовать для описания той или иной реальной системы. Интересовавший ученых обобщенный ансамбль Гиббса, например, может применяться для моделирования процессов в сверхпроводниках — материалах, которые обладают свойством без потерь проводить электрический ток.
В нашем пересказе мы немного упростили суть, употребив слова «определенный математический аппарат». Статистические ансамбли входят в курс термодинамики и статфизики, который обычно читается на третьем или четвертом году обучения студентов-физиков. Для иллюстрации использован фрагмент из студенческой (!) работы «Энтропия большого канонического ансамбля в расширяющейся Вселенной» А.В. Тунцова
Однако с обобщенным ансамблем Гиббса есть одна проблема: то, что он действительно пригоден для квантовых расчетов, следовало только из теоретических соображений. На практике это доказать не удавалось, поскольку для доказательства требовалось найти какую-нибудь не слишком сложную систему и продемонстрировать то, что ее поведение полностью согласуется с предсказаниями на основе выбранного физиками ансамбля. Одномерный газ в магнитной ловушке стал именно такой системой.
Атомные чипы
Для экспериментов с атомами рубидия ученые создали атомный чип. К атомной энергии он не имеет никакого отношения — название означает то, что устройство способно манипулировать отдельными атомами. Ток, проходящий внутри чипа по тонким проволочкам, создавал в нужных местах магнитные поля, а при помощи лазерных лучей физики охлаждали атомы до сверхнизких температур.
В последней фразе нет ошибки: современная физика активно использует так называемое лазерное охлаждение. При помощи лазерного луча можно не только возбудить атомы, переведя их в состояние с большей энергией, но и заставить их испустить квант излучения, который унесет с собой часть энергии, забрав эту энергию у тепловых колебаний атома (напомним: температура есть мера средней энергии атомов).
Охлажденные атомы выстроили в одну линию, разделили на две части и выждали некоторое время. Затем ученые задействовали еще один метод современной экспериментальной физики — атомную интерферометрию. Иными словами, они заставили каждую группу атомов проявить свои волновые свойства и продемонстрировать эффект наложения волн друг на друга, интерференцию.
Самый наглядный пример интерференции: волны, идущие от рук человека, складываются вместе. Фото: ESO/M. Alexander
Результат интерференции, сложения волн, зависит как от амплитуды (высоты горба) волны, так и от того, совпадают ли волны друг с другом или же сдвинуты между собой на некоторую величину, называемую сдвигом фаз. Наблюдая за интерференцией, физики сопоставляли видимый результат с расчетами, сделанными с использованием обобщенного ансамбля Гиббса, и убедились в том, что расчеты очень хорошо описывают реальный процесс взаимодействия атомов.
Менее наглядная, но очень красивая интерференция: сложение световых волн, отраженных от внешней и внутренней поверхности мыльной пленки. Радужные переливы возникают потому, что при интерференции усиление или ослабление излучения связано с длиной волны, а длина волны определяет цвет. Там, где красные волны усиливаются, а зеленые и голубые гасятся, пузырь окрашен в красный цвет. Неравномерность окраски же связана с разной толщиной стенки и, соответсвенно, разными условиями интерференции. Фото: Brocken Inaglory / Wikimedia
Зачем это нужно?
Прежде всего, проверка теоретических концепций нужна для того, чтобы заложить фундамент для практических расчетов. Например, такое устройство, как лазер, было спроектировано исключительно благодаря квантовым расчетам и формулам, предложенным еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном в своей работе Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie. Когда ученый предлагал концепцию вынужденного излучения квантов, он вряд ли рассчитывал на создание устройств, позволяющих резать листы металла или вести по одному тонкому стеклянному волокну десятки тысяч телефонных переговоров.
Кроме того, описанный учеными атомный чип — это устройство, в котором воплощены те технологические решения, без которых немыслимы квантовые компьютеры или квантовые же криптографические системы. Пока что ученые только проводят опыты с элементарными вычислительными блоками квантового компьютера, однако уже ясно, что даже сравнительно простое квантовое вычислительное устройство сможет проводить расчеты, требующие от самых быстрых обычных компьютеров очень большого времени. Из близкого к повседневной практике можно назвать вскрытие шифров, а из фундаментальных задач — моделирование взаимодействия молекул. Лазерное охлаждение, удержание атомов в магнитных ловушках, атомная интерференция — не исключено, что в XXI веке под «атомными технологиями» станут понимать не АЭС (те скорее ядерные, а не атомные), а именно далеких потомков описанного в статье атомного чипа.
Весьма специфический ансамбль
Одномерный газ, в свою очередь, был прообразом обобщенного канонического ансамбля. Это понятие не имеет ничего общего с музыкой: ансамблем физики называют совокупность всех мыслимых состояний той или иной системы. Если, к примеру, система состоит из одного атома, который либо обладает некоторой порцией энергии, либо нет, ансамблем назовут совокупность двух этих состояний. Ансамбль в статистической физике является теоретическим понятием, а не реальным набором из каких-то объектов.
Для описания ансамблей физики используют определенный математический аппарат, позволяющий предсказать то, в каких состояниях может находиться система и в каких может оказаться через некоторое время. Существуют разные виды ансамблей, для каждого из них есть свой математический аппарат, и каждый ансамбль можно использовать для описания той или иной реальной системы. Интересовавший ученых обобщенный ансамбль Гиббса, например, может применяться для моделирования процессов в сверхпроводниках — материалах, которые обладают свойством без потерь проводить электрический ток.
В нашем пересказе мы немного упростили суть, употребив слова «определенный математический аппарат». Статистические ансамбли входят в курс термодинамики и статфизики, который обычно читается на третьем или четвертом году обучения студентов-физиков. Для иллюстрации использован фрагмент из студенческой (!) работы «Энтропия большого канонического ансамбля в расширяющейся Вселенной» А.В. ТунцоваОднако с обобщенным ансамблем Гиббса есть одна проблема: то, что он действительно пригоден для квантовых расчетов, следовало только из теоретических соображений. На практике это доказать не удавалось, поскольку для доказательства требовалось найти какую-нибудь не слишком сложную систему и продемонстрировать то, что ее поведение полностью согласуется с предсказаниями на основе выбранного физиками ансамбля. Одномерный газ в магнитной ловушке стал именно такой системой.
Атомные чипы
Для экспериментов с атомами рубидия ученые создали атомный чип. К атомной энергии он не имеет никакого отношения — название означает то, что устройство способно манипулировать отдельными атомами. Ток, проходящий внутри чипа по тонким проволочкам, создавал в нужных местах магнитные поля, а при помощи лазерных лучей физики охлаждали атомы до сверхнизких температур.
В последней фразе нет ошибки: современная физика активно использует так называемое лазерное охлаждение. При помощи лазерного луча можно не только возбудить атомы, переведя их в состояние с большей энергией, но и заставить их испустить квант излучения, который унесет с собой часть энергии, забрав эту энергию у тепловых колебаний атома (напомним: температура есть мера средней энергии атомов).
Охлажденные атомы выстроили в одну линию, разделили на две части и выждали некоторое время. Затем ученые задействовали еще один метод современной экспериментальной физики — атомную интерферометрию. Иными словами, они заставили каждую группу атомов проявить свои волновые свойства и продемонстрировать эффект наложения волн друг на друга, интерференцию.
Самый наглядный пример интерференции: волны, идущие от рук человека, складываются вместе. Фото: ESO/M. AlexanderРезультат интерференции, сложения волн, зависит как от амплитуды (высоты горба) волны, так и от того, совпадают ли волны друг с другом или же сдвинуты между собой на некоторую величину, называемую сдвигом фаз. Наблюдая за интерференцией, физики сопоставляли видимый результат с расчетами, сделанными с использованием обобщенного ансамбля Гиббса, и убедились в том, что расчеты очень хорошо описывают реальный процесс взаимодействия атомов.
Менее наглядная, но очень красивая интерференция: сложение световых волн, отраженных от внешней и внутренней поверхности мыльной пленки. Радужные переливы возникают потому, что при интерференции усиление или ослабление излучения связано с длиной волны, а длина волны определяет цвет. Там, где красные волны усиливаются, а зеленые и голубые гасятся, пузырь окрашен в красный цвет. Неравномерность окраски же связана с разной толщиной стенки и, соответсвенно, разными условиями интерференции. Фото: Brocken Inaglory / WikimediaЗачем это нужно?
Прежде всего, проверка теоретических концепций нужна для того, чтобы заложить фундамент для практических расчетов. Например, такое устройство, как лазер, было спроектировано исключительно благодаря квантовым расчетам и формулам, предложенным еще в 1916 году Альбертом Эйнштейном в своей работе Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie. Когда ученый предлагал концепцию вынужденного излучения квантов, он вряд ли рассчитывал на создание устройств, позволяющих резать листы металла или вести по одному тонкому стеклянному волокну десятки тысяч телефонных переговоров.
Кроме того, описанный учеными атомный чип — это устройство, в котором воплощены те технологические решения, без которых немыслимы квантовые компьютеры или квантовые же криптографические системы. Пока что ученые только проводят опыты с элементарными вычислительными блоками квантового компьютера, однако уже ясно, что даже сравнительно простое квантовое вычислительное устройство сможет проводить расчеты, требующие от самых быстрых обычных компьютеров очень большого времени. Из близкого к повседневной практике можно назвать вскрытие шифров, а из фундаментальных задач — моделирование взаимодействия молекул. Лазерное охлаждение, удержание атомов в магнитных ловушках, атомная интерференция — не исключено, что в XXI веке под «атомными технологиями» станут понимать не АЭС (те скорее ядерные, а не атомные), а именно далеких потомков описанного в статье атомного чипа.
Источник: http://chrdk.ru/
Свежие комментарии