В 2009 году исполняется 90 лет со дня создания физико-механического факультета
Кафедра Экспериментальная ядерная физикаКафедра БиофизикаКафедра Физика прочности и пластичности материаловКафедра ГидроаэродинамикаКафедра Механика и процессы управленияКафедра Компьютерные технологии и эксперимент в теплофизикеКафедра Прикладная математикаКафедра Экспериментальная физикаКафедра Высшая математикаКафедра Теоретическая механикаКафедра Теоретическая физикаКафедра Математическая физикаКафедра Математическое и программное обеспечение высокопроизводительных вычислений

· На Главную
· О факультете
· Из истории ФМФ
· ФизМех-90
· Кафедры ФМФ
· Студентам ФМФ
· Абитуриентам
· Платное обучение

· Новости ФМФ
· Новости науки
· Гранты и программы
· Голосования
· Вопросы и ответы
· Поиск по сайту



Rambler's Top100

Рейтинг@Mail.ru




Вы можете разместить на своих страницах наш баннер:

Физико-Механический факультет СПбГПУ

Получить код баннера



Можно ли остановить свет?

Компьютеры полностью изменили жизнь цивилизованного мира. И всем теперь хочется, чтобы они работали еще быстрее, еще мощнее и вдобавок – были надежно защищены от несанкционированного доступа. Над этими проблемами работают тысячи специалистов в разных городах и странах. В том числе и в Петербурге.

На первый взгляд Дмитрий Куприянов - профессор кафедры теоретической физики физико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного технического университета (СПбГПУ), занимающийся исследованиями в области теоретической атомной физики, квантовой оптики и физики квантовой информации,  интересуется вещами,  от компьютеров очень далекими. Но как говорят физики-теоретики, если не требовать от нас мгновенных чудес, то мы получим результат.

Предлагаем посетителям сайта PhysMech.ru статью профессора Д. Куприянова, подготовленную специально для «Города 812», и его ответы на приземленные вопросы коореспондентов еженедельника.



Можно ли остановить свет?

Компьютеры полностью изменили жизнь цивилизованного мира. И всем теперь хочется, чтобы они работали еще быстрее, еще мощнее и вдобавок – были надежно защищены от несанкционированного доступа. Над этими проблемами работают тысячи специалистов в разных городах и странах. В том числе и в Петербурге.

На первый взгляд Дмитрий Куприянов - профессор кафедры теоретической физики физико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного технического университета (СПбГПУ), занимающийся исследованиями в области теоретической атомной физики, квантовой оптики и физики квантовой информации, интересуется вещами, от компьютеров очень далекими. Но как говорят физики-теоретики, если не требовать от нас мгновенных чудес, то мы получим результат.

Предлагаем читателям статью профессора Куприянова, подготовленную специально для «Города 812», и его ответы на наши приземленные вопросы.

        Медленный свет

Любая современная электронная сеть или компьютер используют в своей основе микросхемы, работа которых изначально подчиняется принципам квантовой механики. Объемы внутренних информационных потоков постоянно возрастают, а плотность передаваемой информации уже приближается к необходимости оценки для используемых носителей квантовых пределов, диктуемых принципом неопределенности Гейзенберга.

        Физика квантовой информации

Миниатюризация прибора при этом хотя и важна, но не является определяющим обстоятельством. Дело в том, что квантовая теория предоставляет нам новый ресурс к быстрой обработке огромных информационных массивов, чего, в принципе, было бы невозможно добиться, опираясь на классические представления.

Определяющим является возможность приготовления квантового регистра, в котором на небольшом количестве физических носителей удается одновременно записать огромный объем данных, отображаемых квантовыми битами или, в общем случае, так называемыми перепутанными состояниями.

Свет является удобным носителем, в то время как атомы удобны для записи и хранения информации, которая может быть закодирована во внутренних состояниях этих физических объектов. Возможность обмена внутренними состояниями между атомной и световой подсистемами без их разрушения и составляет задачу квантовой памяти.

Эта задача представляет наибольший интерес для новой области науки - физики квантовой информации, – и ее решение важно как для современных высокотехнологических приложений, так и с точки зрения фундаментальных исследований. Важнейшей проблемой для обработки, хранения и передачи информации на квантовом уровне является создание систем замедления и «остановки» света.

Чтобы понять, о чем идет речь, надо вспомнить, что такое рассеяние света. Это явление, хорошо наблюдаемое в природе в виде всегда поражающего нас голубого свечения неба, по-видимому, впервые получило корректное физическое описание благодаря работам великого английского физика Лорда Рэлея. Исторически появление работ Рэлея практически совпало с моментом зарождения квантовой теории, и в дальнейшем описание оптических явлений все больше опиралось на законы квантовой физики. Впечатляющие достижения в области управления светом - создание лазера, появление квантовой и нелинейной оптики - в значительной степени определили технологический прогресс в течение последнего столетия.

Однако само явление рассеяния света по-прежнему представляет серьезную проблему для исследователей, поскольку вместе с собой рассеянное излучение всегда уносит часть энергии и информации из оптического канала. В таких современных технологически сложных системах, каким является квантовая информационная сеть, эти потери не так просто восстановить, поскольку добавляемое в канал излучение не является точной копией потерянного света.

Можно ли остановить процесс рассеяния? Или, в более общей формулировке, можно ли остановить свет или хотя бы задержать его распространение на контролируемом в опыте промежутке времени? Этот вопрос далеко непростой, вследствие того, что свет (или, точнее, электромагнитное поле) принципиально отличается как вид материи от предметов, нас окружающих. Опираясь на фундаментальные законы механики, мы знаем, что останавливать предметы можно благодаря наличию у них инертной массы. Второй закон Ньютона позволяет нам управлять движением любого материального объекта и, как частный случай, остановить его движение силовым воздействием на него извне.

В случае электромагнитного излучения у нас нет такой возможности, поскольку свет не имеет массы покоя. Тем не менее, ситуация не так безнадежна, и ниже мы постараемся объяснить, как этого можно добиться, а также почему это важно.

        «Остановка» света в оптически плотной атомной среде


Существует, по крайней мере, две физические возможности взять под контроль процесс распространения света, используя законы его взаимодействия с рассеивающей средой. Первая возможность использует явление вынужденного комбинационного рассеяния и электромагнитной индуцированной прозрачности.

В этом случае вместе с интересующим нас излучением (его называют пробным) на среду подается дополнительный импульс так называемого управляющего излучения. Процесс распространения света прерывается принудительным (вынужденным) рассеянием пробного излучения в моду управляющего импульса. Этого можно добиться надлежащим выбором параметров, как среды, так и управляющего поля.

На первый взгляд мы полностью потеряли пробный свет. Однако это не так. В действительности мы сформировали в среде его точную копию, хранящуюся в долгоживущем возбуждении среды.

Процесс такого рода, с определенными оговорками, можно интерпретировать как приготовление квантовой голограммы пробного излучения. Термин «квантовый» в данном контексте означает, что мы не произвели никакого измерения пробного импульса, и мы не знаем никаких его характеристик на этой стадии управления.

Тем не менее, мы можем восстановить его полностью, если через какое-то контролируемое в эксперименте время направим на среду новый импульс управляющего излучения. Восстановленный пробный импульс в идеальной ситуации не будет ничем отличаться по своим свойствам от своего предшественника.

Читатель опять может проследить очевидную аналогию с принципом классической голограммы. Отметим в связи с этим, что в классической голограмме восстановленный свет воспроизводит записанный свет лишь в своих средних характеристиках – интенсивности потока и направлении луча. Состояние света на уровне его минимальных квантовых флуктуаций, определяемых принципом неопределенности Гейзенберга, при этом не воспроизводится. Эти флуктуации не могут быть восприняты нами или какими-либо классическими детекторами, анализирующими именно средние характеристики распространяющейся световой волны. Поэтому для классического наблюдателя нет разницы между классической и квантовой голограммой.

В действительности описываемый сверхчувствительный контроль состояния света оказывается очень важным, например, в оптических каналах секретной передачи информации, когда требуется воспроизведение состояния света именно на таком сверхчувствительном уровне, полностью сохранив память о породившем его (свет) источнике.

Главную проблему для реализации подобного физического механизма, или, как его называют, – протокола квантовой памяти, – представляет сама среда. Возбуждение, переданное от света состоянию среды, не может существовать неограниченно долго и разрушается из-за внутренних процессов релаксации. Приготовленные таким образом состояния иногда называют «хрупкими», поскольку любое слабое внешнее воздействие способно их полностью разрушить.

Однако фантастический прогресс в физике в области управления атомными системами создал для нас уникальную возможность приготовления необходимых долгоживущих состояний, используя ансамбль атомов, охлажденный до температуры вблизи абсолютного нуля. Минимальные температуры, реализуемые в лаборатории, достигают значений порядка миллионных долей градуса Кельвина, а в рекордных случаях даже миллиардных долей. Чтобы читатель мог наглядно представить уровень охлаждения, можно отметить, что, находясь в атмосфере подобного газа, акустическая волна, передающая нашу речь, распространялась бы на расстояние нескольких метров в течение нескольких минут.

В лаборатории подобные состояния вещества приготавливаются в специальных магнитооптических системах охлаждения и занимают очень маленький объем, обычно варьируемый от нескольких десятков микрон до миллиметра. Эффект охлаждения достигается воздействием лазерного излучения, облучающего атомы с разных направлений и приводящего к торможению и постепенной остановке их движения. Магнитное поле позволяет обеспечить направление силы светового давления всегда против направления движения атома.

После применения цикла охлаждения лазеры, остановившие движение атомов, могут быть выключены, и система остается свободной на короткий промежуток времени. На рисунке 1 представлена фотография подобной ловушки, сделанная обычной цифровой камерой в стандартных условиях эксперимента.

На снимке видны пересекающиеся лучи лазеров, охлаждающих атомы и частично отражающихся от элементов экспериментальной установки. Маленькое пятно в центре и представляет собой формирующийся ансамбль охлажденных атомов, обычно в количестве около миллиарда или десяти миллиардов. Остальные атомы, оставаясь горячими, формируют видимое изображение лазерных лучей.

Ввиду высокой плотности охлажденных атомов эта система изначально (в отсутствие контрольного импульса) рассеивает свет очень сильно (это принципиально важно для описываемого протокола квантовой памяти). Высокий уровень охлаждения позволяет также добиться достаточно длительного (до нескольких миллисекунд) времени хранения записанного в данной системе квантового состояния.

На рисунке 2 приведена фотография атомного облака, состоящего из атомов изотопа рубидия 87, на фоне пробного лазерного излучения, из которого впоследствии формируется короткий сигнальный импульс сохраняемого излучения. Наглядно видно, что в отсутствие управляющего поля свет претерпевает сильное  рассеяние средой, и прошедший свет обладает существенно меньшей интенсивностью – для наблюдателя центральная часть светового пучка полностью закрыта тенью атомного облака.

Процесс замедления распространения света и его «остановка» происходит следующим образом. Действие управляющего поля приводит к просветлению среды, но в сочетании с эффектом задержки – часть импульса не успевает выйти из среды, когда задний фронт импульса уже в нее вошел. Эта задержанная часть импульса может быть «остановлена» выключением управляющего поля, а впоследствии «восстановлена» после его повторного включения. При надлежащей оптимизации процесса таким способом удается «остановить» и «восстановить» существенную часть импульса. Любопытным оказывается то, что часть рассеянного света также претерпевает задержку и в эксперименте может быть также «остановлена» и «восстановлена».

Если процесс записи и восстановления происходит с высокой эффективностью, то он позволяет осуществить запись и воспроизведение элементарной порции излучения – фотона. Эта порция сохраняется в системе полностью (квантовая теория не позволяет разбить его на более мелкие составляющие!), остаточные потери определяют лишь вероятность осуществления захвата фотона, которая всегда остается менее ста процентов.

В квантовых информационных каналах проблема определения: остался ли фотон в ячейке памяти или оказался потерянным вследствие недостаточной эффективности? - решается посредством дополнительных протоколов проверки (верификации), которая является неотъемлемой частью любой квантовой информационной сети.

        Интерференция и локализация света

Рассмотренный выше механизм замедления распространения света в среде существенным образом опирается на принцип принудительного или вынужденного рассеяния света в моду управляющего поля.

Существует принципиально другая идея замедления распространения излучения в сильно рассеивающей свет среде. Наблюдая явление рассеяния в естественных условиях, можно заметить определенную аналогию в распространении света через среду и явления диффузии. Например, естественное свечение неба мы воспринимаем как изотропный процесс – свет приходит в точку наблюдения со всех направлений.

Несмотря на известную нам волновую природу излучения, мы интуитивно ощущаем, что процесс распространения, сопровождаемый многократным рассеянием падающей волны, имеет определенную аналогию с диффузией частиц в растворе. Это предположение близко к реальности, однако с одной принципиальной оговоркой.

Возможные пути диффузии элементарной порции излучения из одной точки в другую сопровождаются явлением интерференции. Волновая природа света требует, чтобы сложение происходило для амплитуды волны, а переносимая светом энергия пропорциональна ее квадрату. Возникает так называемое явление интерференции, приводящее к тому, что в наблюдаемую интенсивность вклад дают амплитуды поля, прошедшие различные диффузионные пути. Если рассеяние слабое, как это бывает в естественных условиях, явление интерференции не играет принципиальной роли. Однако в случае сильного рассеяния оно способно кардинально повлиять на результат.

На важность явления интерференции в распространении материальных волн, рассеиваемых случайными неоднородностями, впервые обратил внимание американский физик Филип Андерсон в своей знаменитой работе, опубликованной в 1958 году. Им было показано, что диффузия материальных волн, таких как электроны, рассеиваемые на примесях в кристалле, при определенных условиях может быть существенно подавлена и даже приостановлена именно благодаря эффекту интерференции. Это явление впоследствии получило название андерсоновской локализации.

Подобный эффект возможен и при распространении электромагнитных волн. Признаки замедления распространения электромагнитного излучения в микроволновом диапазоне и для мелкодисперсных сред в оптическом диапазоне наблюдались в экспериментах. В настоящее время проводится ряд экспериментов по обнаружению явления локализации при рассеянии света атомными ансамблями. Интерес здесь также обусловлен возможностью создания систем квантовой памяти, поскольку ансамбли холодных атомов являются очень привлекательными системами для хранения состояния света.

Серьезная трудность по наблюдению явления локализации в атомных системах связана с их тепловым движением. Атомы в обычных условиях двигаются очень быстро. И хотя их скорость существенно меньше скорости света в вакууме, ее при обычных комнатных температурах более чем достаточно, чтобы разрушить интерференционную структуру рассеянных волн из-за эффекта Доплера. Ансамбли холодных атомов, существующие в магнитооптической ловушке, описанной выше, позволяют эту интерференцию наблюдать.

Первое успешное наблюдение явления интерференции света в неупорядоченных холодных атомных ансамблях было осуществлено сравнительно недавно, в 1999 году, группой физиков университета Ниццы (Франция), руководимой профессором Робином Кайзером. Конструктивная интерференция каналов рассеяния была обнаружена в явлении когерентного обратного рассеяния.

Это явление известно в физике давно и хорошо наблюдается в рассеивающих дисперсных средах, например в суспензиях красителей. В этом случае происходит интерференция не всех путей, а только парных путей, отличающихся перестановкой первого и последнего рассеивателей. Поэтому, чтобы отделить его от более общего случая андерсоновской локализации, это явление иногда называют слабой локализацией. С использованием магнитооптической ловушки это явление удалось наблюдать и в рассеянии на атомах. На рисунке 3 показана типичная картина, наблюдаемая в этом случае в эксперименте.

Свет, рассеиваемый в направлении строго назад и фокусируемый в центр экрана собирающей линзой, характеризуется примерно двукратным усилением интенсивности по сравнению с рассеянием в других направлениях. Это усиление изображено пятном в центре экрана, размер которого определяется угловой зависимостью так называемого конуса обратного рассеяния.

Вследствие очевидного закона сохранения полной интенсивности свет с несколько меньшей вероятностью рассеивается по другим направлениям. Среда как бы препятствует процессу диффузионного распространения излучения по другим направлениям, стремясь вернуть его в исходную точку. Слабая локализация является первым признаком возможности андерсоновской локализации в системе. Переход в состояние андерсоновской, или, как ее еще называют, сильной, локализации означал бы полный захват и «остановку» света в атомной среде.

Однако вследствие недостаточно высокой концентрации атомов в магнитооптической ловушке сильную локализацию наблюдать не удается. Для ее возможного наблюдения требуется еще существенно увеличить плотность среды.  Добиться этого можно более изощренными протоколами так называемого испарительного охлаждения, помещая атомы в квазистатическую или магнитную ловушку. Температура атомов в таких ловушках в предельных случаях может отличаться лишь на миллиардные доли градуса Кельвина от абсолютного нуля, и атомы могут переходить в состояние конденсата Бозе - Эйнштейна.

Это состояние характеризуется глубоко квантовыми свойствами уже не только для внутреннего, но и для поступательного движения атомов. Физика процесса при этом сильно усложняется, и возникают новые аналогии. Плотно расположенные атомы формируют структуру, похожую на резонатор лазера, и «пытаются» сформировать устойчивое неизлучающее (субрадиационное) состояние. Добротность подобного микрорезонатора при этом может быть очень высокой.

В настоящее время проводятся интенсивные экспериментальные попытки по обнаружению этого явления, а также обсуждаются и требуют решения некоторые теоретические проблемы, связанные с отмеченной выше квантовой природой движения атомов при столь низких температурах. Таким образом, поиск новых физических приемов для удержания света в конечной области пространства находится сейчас в развивающейся фазе, и новые технологические решения могут появиться уже в ближайшем будущем.

 

                   

Фотография магнитооптической ловушки, сделанная в процессе охлаждения ансамбля атомов рубидия. На снимке ясно видны пересекающиеся лучи охлаждающих лазеров, а маленькое пятно в центре представляет собой формирующееся облако холодных атомов.

                   

 

                   

Когерентное обратное рассеяние в ансамбле холодных атомов. Свет, рассеиваемый атомным облаком в направлении, противоположном падающему излучению, фокусируется собирающей линзой на фотодетектор. При рассеянии точно назад интенсивность рассеянного света возрастает - красное пятно в центре экрана.

 

Дмитрий Куприянов, профессор кафедры теоретической физики ФМФ СПбГПУ

Автор благодарит своих друзей и коллег - проф. Марка Хэви (ODU, USA) и Игоря Соколова (СПбГПУ) - за многолетнее и плодотворное сотрудничество в этой работе, а Марка Хэви также за предоставленные фотографии, сделанные в его лаборатории. Данная работа профинансирована совместным российско-американским проектом РФФИ -08-02-91355 и NSF-PHY-0654226.




Версия для печати Распечатать статью   



©2003-2018 ФМФ СПбГПУ. Техническая поддержка: CompMechLab. Разработка: Меркушев Владимир.
Другие веб-проекты: CAE.ru, SolidWorks.spb.ru, , CompMechWorkshop.com, Simpleware.ru,
Moldex3D.ru, DIGIMAT.CompMechLab.ru, ESAComp.CompMechLab.com, KISSsoft.CompMechLab.com