Ученые научились «замораживать» атомы лазером
Словосочетание «лазерное воздействие» прежде всего ассоциируется с нагревом, плавлением, испарением и другими процессами, происходящими при повышении температуры объекта. Поэтому соседство слов «лазер» и «замораживать» в одном предложении может оказаться для вас неожиданностью.
Для лучшего понимания происходящих при лазерном охлаждении процессов сначала рассмотрим, что же понимается в физике под температурой.
Понятие температуры
Температура — это физическая величина, характеризующая термодинамическую систему. Измерить ее напрямую невозможно, поэтому об изменении температуры судят по изменению так называемых термометрических свойств тел: объема, давления, ЭДС и других.
Начало отсчета и единицы измерения зависят от выбранной шкалы: Цельсия, Фаренгейта, Кельвина и других. Такая температура носит название эмпирической и помогает понять степень нагретости объекта.
Но в молекулярно-кинетической теории определение температуры дается иным образом. В ней эта величина отражает кинетическую энергию частиц. Соответственно, чем больше температура — тем быстрее движется частица.
Как охлаждают атомы
Таким образом, чтобы «заморозить» атом, его нужно затормозить. И лазер — один из инструментов, способных это сделать.
Эксперименты с созданием магнитооптических ловушек начались еще в XX веке, а в 1997 году Стивен Чу, Уильям Филипс и Клод Коэн-Таннуджи получили Нобелевскую премию за достижение температуры на несколько миллионных долей градуса выше абсолютного нуля.
В 2005 году ученым из Германии удалось захватить в магнитооптическую ловушку и удерживать неподвижно в течение 17 секунд одиночный атом рубидия, а в 2020 году ученые из России увеличили это время до 40 секунд.
Поначалу охлаждение атомов достигалось за счет эффекта Доплера. При воздействии лазерным излучением с частотой, близкой к частоте резонансного перехода, они получали импульс, оказывающий тормозящее воздействие — вплоть до почти полной остановки атома.
В дальнейшем были получены результаты, лучшие, чем те, которые предсказывала теория для доплеровского охлаждения. Ученые выяснили, что если поместить атом в поле встречных лазерных пучков со взаимно перпендикулярной поляризацией, то возникнет эффект, когда атом излучит фотон с большей энергией, чем поглощенный. Тогда его кинетическая энергия уменьшится на разницу энергий поглощенного и излученного фотонов. Это охлаждение назвали «сизифовым».
Температура -273,15 градусов по Цельсию — это температура, при которой останавливается всякое движение атомов. И ученые научились ее получать, пусть пока только для атомного газа и отдельных атомов.
Значение открытия
Давно не секрет, что компьютерная техника на базе полупроводниковых материалов подошла к пределу своего развития. Но современные научные исследования, центры обработки информации и другие технологические объекты требуют все больше и больше вычислительных мощностей.
Поэтому будущее за оптическими и квантовыми компьютерами. И «замороженные» атомы могут стать кубитами — наименьшими единицами информации в квантовом компьютере.
Существуют определенные сложности при регистрации состояния «замороженных» атомов. Объектив необходимо размещать как можно дальше от них, чтобы исключить взаимодействие. Но при использовании длиннофокусного объектива собирать сигнал от атома приходится на один пиксель камеры. При этом шумы, создаваемые лазерной подсветкой, практически заглушают полезный сигнал, и на время его сбора оптическую ловушку приходится отключать.
Как бы то ни было, ученые решили задачу регистрации состояний атомов, пойманных в магнитооптическую ловушку, и теперь планируют научиться делать однокубитовые, а потом и двухкубитовые вычисления. Создание рабочего прототипа квантового компьютера становится не такой уж и далекой реальностью.