Квантовая механика в наши дни перестала быть исключительно
теоретической наукой, знаменитой лишь парадоксами. Тем не
менеедалеко не все знают, что на самом деле квантовые явления уже
давно присутствуют в нашей жизни например, в виде транзисторов и
лазеров, которыми мы обязаны первой квантовой революции XX века.
Сегодня же развитие получили более сложные технологии, основанные
на умении управлять квантовыми состояниями. Одна из них квантовая
оптика, благодаря которой становятся возможными квантовые
вычисления и квантовые коммуникации. Физик Анатолий Масалов
рассказал ПостНауке, как развивалась квантовая оптика и над чем
работают ученые сегодня.Это материал изгида Квантовыетехнологии.
Партнер гидаАкадемияРосатома.От Ньютона до Эйнштейна: история
возникновения квантовой оптикиПринято считать, что квантовая теория
описывает частицы микромира. Свет нарушает этот тезис. Свет можно
рассматривать как макроскопический квантовый объект. Достаточно
вспомнить описание поляризационных опытов со светом, чтобы
убедиться в их сходстве с квантовыми измерениями. Поэтому можно
рассматривать эволюцию взглядов на природу света как шаги на пути к
созданию современной квантовой физики и квантовой оптики как ее
составной части.Первым ученым, придерживавшимся корпускулярного
взгляда на свет, был Исаак Ньютон, считавший свет потоком частиц.
Этот взгляд соответствовал представлениям о прямолинейном
распространении световых лучей. Однако Ньютон понимал, что такой
подход трудно согласовать с явлениями интерференции, которые в его
время удавалось наблюдать, вспомним для примера кольца Ньютона.
Перераспределение энергии светового излучения при интерференции
двух потоков света было проще объяснить, исходя из волнового
представления о свете. Ньютон нашел выход. Он предположил, что
корпускулы, переносящие свет, вращаются, и интерференция в таком
случае возникает благодаря периодичности вращения. Но взгляды
Ньютона были забыты, потому что, во-первых, экспериментальная
техника его эпохи была далека от обнаружения квантовых явлений, и,
во-вторых, были обнаружены дифракционные явления, которые утвердили
волновой взгляд на природу света.В последующие 200 лет в физике
доминировал волновой взгляд на природу света. С его помощью удалось
описать варианты поляризации света и различные дифракционные
явления. Правда, физикам пришлось ввести понятие эфира особой
всепроникающей среды, колебания которой проявляют себя как
электромагнитные волны. Триумфом волнового взгляда на свет стала
теория Максвелла. Однако на границе ХIХХХ веков появились
экспериментальные данные, которые потребовали изменить
представления о природе света. Макс Планк для объяснения формы
спектра излучения черного тела выдвинул гипотезу о том, что атомы
поглощают и испускают свет определенными порциями энергии, а не
непрерывным потоком. При изучении фотоэффекта была обнаружена
красная граница длина волны, за пределами которой фотоэффект
исчезал. Объяснить существование красной границы удалось Альберту
Эйнштейну, который принял гипотезу Планка и сопоставил энергию
кванта света с работой выхода электрона из фотокатода. Был также
обнаружен эффект Комптона, в котором фотоны с их энергией и
импульсами ведут себя как бильярдные шары, то есть как
частицы.Революционная роль этих достижений состояла в том, что
трактовать свет как поток частиц-фотонов стало неизбежным. Однако
не эти открытия легли в основу формирования квантовой теории. В них
не было намека ни на волновые функции, ни на операторы наблюдаемых
величин, ни на уравнение Шрёдингера. Квантовая теория была создана
как теория, описавшая спектры излучения и поглощения света
атомами.К началу XX века были накоплены экспериментальные факты о
спектрах поглощения и испускания света атомами. Было установлено,
что атомы одного вещества имеют один и тот же специфический набор
длин волн поглощения и испускания. Для каждого типа атомов этот
набор длин волн казался на первый взгляд довольно хаотичным и
нерегулярным. Объяснение строения атомов на языке спектров
поглощения и испускания и стало тем вызовом, который породил
квантовую теорию.Если электрон вращается вокруг тяжелого
положительного ядра, то он, согласно теории Максвелла, должен
излучать электромагнитные волны, азначит, электрон в атоме должен
терять энергию. Но известно, что атомы могут существовать без
потери энергии вечно. Это обстоятельство находилось в противоречии
с волновым взглядом на свет. Объяснить законы поведения электронов
в атомах удалось группе физиков XXвека, среди которых ставшие позже
знаменитыми: Нильс Бор, Эрвин Шрёдингер, Вернер Гейзенберг, Поль
Дирак, Владимир Фок и многие другие.Одной из ключевых концепций,
отличающих квантовую теорию от классической, является понятие о
состоянии объекта. Несмотря на то что термин состояние используется
и в классической физике, и в бытовом языке, в квантовой теории оно
обозначает принципиально новое понятие, неведомое для классического
языка. Это понятие в квантовой теории так же первично, как понятие
точки или линии в геометрии. Пространство состояний объекта
допускает количественное описание благодаря тому, что
множествовозможных состояний объекта в квантовой теории
соответствует (гомоморфно) пространству функций определенного
класса. Каждой точке пространства состояний отвечает конкретная
функцияв пространстве функций. Эти функции мы сегодня называем
волновыми.
Как во всяком пространстве, в пространстве функций можно ввести оси
координат (базисные функции)и произвольную функцию описать набором
координат. Тогда произвольная функция будет представлять собой
сумму базисных функций с соответствующими весовыми коэффициентами.
Получается, что произвольное состояние есть суперпозиция базисных
состояний, то есть можно говорить, что объект пребывает
одновременно в нескольких базисных состояниях. Следует только иметь
в виду, что базис можно повернуть, как поворачивают оси координат
трехмерного пространства. Тогда то же самое состояние окажется
суперпозицией других базисных состояний. Поэтому не следует
придавать материальную форму утверждению о пребыванииобъекта в
суперпозиционном состоянии. Это всего лишь алгебра пространства
функций, это элемент математического аппарата квантовой теории.В
квантовой теории сформулирован рецепт перехода из пространства
состояний в реальное пространство возможных результатов наблюдений.
Поскольку произвольное состояние объекта может быть составлено из
множества функций, служащих базисными для конкретного
измерительного прибора, результаты наблюдений приобретают квантовую
неопределенность. Для разных измерительных приборов квантовая
неопределенность различна. Однако квантовые неопределенности
различных наблюдаемых величин связаны между собой, поскольку
относятся к одному квантовому состоянию. Эта связь задается
соотношением неопределенностей Гейзенберга.Ряд закономерностей
измерительных процедур в квантовой теории хорошо иллюстрируют
классические опыты с поляризованным светом. Пространство состояний
поляризации монохроматической световой волны можно описать с
помощью двух базисных состояний. Ими можно считать либо состояния
линейных поляризаций, ориентированных горизонтально и вертикально,
либо состояния круговых поляризаций с правым и левым вращением.
Пространство поляризационных состояний имеет всего две оси.
Произвольное поляризационное состояние световой волны может быть
представлено как суперпозициябазисных состояний в виде двух
координат, то есть так же, как в квантовой теории.В квантовой
теории говорят, что измерительный прибор преобразует состояние
объекта в конкретное состояние, задаваемое измерителем.
Действительно, если на пути светового пучка поставить поляризатор
для измерения степени поляризации, то на выходе получаем линейно
поляризованный свет с ориентацией строго соответствующей ориентации
поляризатора. Этот пример показывает, что даже в старших классах
школы можно осваивать элементы квантовой теории на примере
поляризации света, а свет с его поляризационными свойствами
оказывается макроскопическим квантовым объектом.Язык вторичного
квантованияНаука, которая трактует квантовым образом свет ив первую
очередьвзаимодействие света с разнообразными частицами атомами,
электронами, молекулами и так далее, называется квантовой
электродинамикой. Это фундаментальная теория, которая положена в
основу теории лазеров. Квантовая электродинамика рассматривает свет
как отдельные частицы-фотоны. При этом волновые функции,
описывающие эту частицу, совпадают с электромагнитными волнами
теории Максвелла.Это именно так: волновые функции фотонов
электромагнитные волны. Однако в квантовой оптике не используют
язык волновых функций фотонов. В лазерном излучении фотонов много,
и поэтому описание на языке одиночных волновых функций громоздко.
Чтобы обойти эту техническую трудность, в квантовой оптике введен
язык вторичного квантования. В языке вторичного квантования
возникает новый объект описания совокупность неразличимых фотонов.
Этот язык оказался настолько мощным описательным инструментом, что
сегодня в литературе по квантовой оптике редко можно найти
упоминание квантовой электродинамики одиночных фотонов.Метод
вторичного квантования разрабатывал Поль Дирак, внес свой вклад и
советский ученый Владимир Фок. Для этого языка объектом описания
является не фотон как частица, а совокупность фотонов в объеме
когерентности излучения. Соответственно, изменяются и
характеристики, с помощью которых описываются такие объекты. К
примеру, фотоны в квантовой электродинамике характеризуются
импульсом, энергией, моментом импульса. А вот совокупности фотонов
характеризуются числами заполнения, величиной электрического поля,
а прежние характеристики фотона становятся параметрами объема
когерентности.На языке вторичного квантования импульс отдельного
фотона уже не является измеряемой величиной. Импульс совокупности
фотонов вычисляется через среднее число заполнения. Более того, на
языке вторичного квантования оператора координаты фотона нет, а на
первичном языке квантовой электродинамики координатное описание
отсутствует из-за релятивизма фотона (он всегда движется со
скоростью света).Прирученный свет: как работает лазерЛазеры это
одно из самых известных технических устройств, теория которых
разработана в рамках квантовой оптики. Лазеры генерируют мощные
пучки света с идеальными волновыми фронтами. Волновые фронты
лазерного излучениямогут быть близкими к идеальной сферической
поверхности, благодаря чему излучение фокусируется в минимальные
пятна дифракционного размера (это пятна микронных размеров).
Излучение лазеров также обладает узкой спектральной шириной, что
необходимо для возбуждения атомов и манипулирования ими.
Лазеры появились в начале 1960-х годов. Их разработкой параллельно
занимались несколько команд ученых: в США работала группа под
руководством Чарльза Таунса, в СССР группа Александра Прохорова и
Николая Басова. Однако, что интересно, первый полностью рабочий
лазерный источник был создан Теодором Мейманом, который был
несколько дистанцирован от ведущих команд. После открытия Меймана
многие исследователи стали демонстрировать новые лазерные
источники. Их создание удалось быстро и повсеместно наладить,
поскольку физики хорошо понимали необычайную перспективу применения
лазеров. А теория лазеров использовала математический аппарат,
разработанный для мазеров устройств, генерирующихмикроволновое
излучение на основании принципа вынужденного испускания, созданных
за несколько лет до лазеров.Мазерный эффект лег в основу квантовой
электроники теории, предназначенной для описания лазерной
генерации. Здесь главный процесс вынужденное испускание излучения
атомами и молекулами. Суть работы лазера в том, что его рабочую
среду основное вещество лазера с рабочими атомами и молекулами
нужно привести в неравновесное состояние с помощью внешнего
источника накачки. Один из приемов для этого облучение светом с
достаточно короткими длинами волн, то есть с энергичными квантами.
Такой свет поглощается средой на очень высоких электронных уровнях,
и, когда среда релаксирует с высоких уровней на более низкие,
возникает перенаселение этих низких возбужденных уровней по
сравнению с основным. Среда переходит в инвертированное состояние.
После этого она становится способной к вынужденному излучению. Свет
внутри лазера бегает между зеркалами резонатора, проходя на каждом
проходе через инвертировенную среду, и усиливается. За счет
многократных проходов излучение приобретает все большую
интенсивность благодаря передаче энергии от инвертированной среды к
свету, и возникает лазерное излучение.
Сегодня разнообразие лазерных источников очень широко, и они вошли
не только в научную практику, но и в нашу бытовую жизнь. Чтение и
запись CD-дисков, работа в лазерных принтерах, огромное количество
всевозможных сенсоров, чувствительных к температуре идавлению, это
далеко не полный список того, что дали нам лазеры.
Голография: возможны ли трехмерные видеозвонкиКогда мы смотрим на
фотографию, то видим плоский лист бумаги, на котором есть некое
изображение. Оно не является трехмерным: когда мы наклоняем эту
бумагу, запечатленные на ней объекты не движутся относительно друг
друга и не меняются местами. Однако оказалось возможным создать
изображение, обладающее рядом свойств трехмерного объекта. Для
этого нужны специальные фотографические пластинки и схемы их
облучения, в которых удается зарегистрировать не только амплитуду
падающего на них света, но и его фазу. В результате получаемые
голограммы будут воспроизводить световое поле от объектов так, как
будто оно рождено самим объектом.При записи голограммы складываются
две волны: опорная, идущая от лазерного источника света, и
объектная,отраженная от объекта съемки. Будущая голограмма
размещается в месте пересечения этих волн, она регистрирует мелкие
интерференционные структуры субмикронного масштаба. После проявки
зарегистрированная интерференционная картина будет играть роль
дифракционной решетки. Ее освещают светом с длиной волны,
совпадающей с опорной, и решетка на голограмме за счет дифракции
преобразует свет в волну, близкую к объектной. В результате
прошедший свет приобретает такие формы, как будто он был испущен
тем объектом, с помощью которого эта голограмма была исходно
получена.Сегодня существуют способы создания голограмм не с помощью
реального объекта и интерференции пучков света, а искусственным
путем. Для этого необходимо рассчитать голограмму и нанести ее на
поверхность, создав на ней определенный рельеф с помощью
нанофабрики (наноструктурирующей машины) фабрики, которая позволяет
структурировать объекты с наноразмерным масштабом. Искусственная
голограмма будет отображать любой объект, который мы захотим на ней
изобразить. Примерами таких изображений являются радужно-цветные
марки на товарах, на дебетовых и кредитных картах.Возможно, в
сравнительно близком будущем мы сможем использовать технологии
голографии для создания аналогов физических дисплеев. Скорее всего,
сначала будут широко внедрены статические голограммы,
демонстрирующие какие-то архитектурные сооружения, интерьерыи
что-то другое неподвижное. На данный момент передача изображений
происходит с использованием ячеек, которые слишком крупны для
голографических изображений. Но технологии развиваются, и не
исключено, что через 1020 лет мы сможем создавать такие
поверхности, на которых управляемые элементы будут иметь
субмикронный размер. Когда техника достигнет этого уровня, будет
возможно создавать искусственные голограммы, которые будут
прекрасно воспроизводить трехмерные кинофильмы и обеспечивать связь
между людьми трехмерными картинками,как в научной
фантастике.Оптические пинцеты: от атомных часов до манипулирования
живыми клеткамиКак бы мы ни рассматривали атомарные частицы или
наночастицы, они обязательно реагируют на свет излучения, поскольку
состоят из заряженных частиц электронов и протонов,энергично
откликающихся на падающий свет. Существует закон электрострикции,
согласно которому частицы, взаимодействующие со светом, втягиваются
в область повышенной интенсивности светового пучка. Поэтому, если
вы берете лазерный источник, ставите на пути лазерного луча линзу и
получаете фокальную точку (точку размером в несколько микронов, где
лазерный пучок сфокусирован), то в этой точке возникает очень
сильный градиент интенсивности разница световой интенсивности в
центре этой точки по отношению к краям. И как только легкая частица
попадает в область градиента, то, благодаря силе электрострикции,
частица втягивается в центр фокальной точки. Поймать таким образом
можно только небольшую легкую частицу, поскольку сила
электрострикции невелика, а размер фокуса небольшой. Попавшую в
область фокуса частицу можно медленно водить лазерным лучом вместе
с линзой, частица будет удерживаться в фокусе, и благодаря этому
можно перемещать маленькие частицы из одного места пространства в
другоепо аналогии с механическим пинцетом.С помощью такого пинцета
можно перемещать клетки живых организмов и строить из них
искусственные органы. Он также используется для удержания одиночных
атомов, для того чтобы проводить над ними опыты. Это может
оказаться полезным, посколькуудерживаемый в вакуумной камере
одиночный атом будет обладать электронными переходами определенной
тонкости, не деформированными взаимодействием с окружением. Такие
атомы являются прекрасными объектами для создания точных часов,
необходимых для работы с системами точного времени, с эталонами
времени. Подобные системы крайне востребованы для позиционирования
объектов на Земле со спутников илисамолетов, потому что чем точнее
вы измеряете расстояние от спутника до объекта на Земле, тем точнее
вы его можете позиционировать, а потомпередать информацию о том,
где этот объект находится.Удерживать одиночные атомы в ловушках
можно не только с помощью световых полей, но и определенными
комбинациями низкочастотных электрических полей.Современные
разработки в области квантовой оптикиСовременные оптические
эксперименты проводятся на оптических столах с использованием
приборов, занимающих много места, до нескольких квадратных метров.
Такие устройства негодны для применения в коммерческих приборах,
поэтому квантовая оптика нуждается в миниатюризации. Одна из
перспективных разработок в области квантовой оптики это создание
оптических устройств на пластинках миллиметрового размера.С этой
целью создаются волноводы микронного и субмикронного размера на
поверхностях небольших пластин. По ним удобно распространять
лазерное излучение и передавать его из одних точек в другие. Также
между волноводами можно располагать различные оптические элементы:
нелинейно-оптические кристаллы, разветвители, резонаторы,
фотоприемники и так далее. В результате этих разработок будут
появляться компактные оптические чипы миллиметровых
размеров.Сегодня очень быстрыми темпами внедряются приборы для
защищенной передачи информации. Широко используемая сегодня
волоконная связь не является полностью защищенной, потому что
злоумышленник может сравнительно легко отщепить часть света,
прослушать поток импульсов и пытаться декодировать информацию,
передаваемую по волокну. Поэтому был разработан способ волоконной
связи, при котором информация распространяется в виде световых
импульсов, содержащих одиночные фотоны, а не их множество.
Прослушивание таких каналов связи становится невозможным.Такие
приборы не могут пока работать на больших дистанциях, потому что
оптическое волокно может поглотить фотони он не дойдет до
получателя. Кроме того, эта технология все еще является слишком
дорогой. Также при ее внедрении приходится преодолевать трудности
технического характера. Приборы связи на одиночных фотонах должны
интегрироваться в современные стойки оптической связи путем plug
and play, а это требует связующих узлов между приборами защищенной
связи с современной техникой, которую не оправдано перестраивать в
угоду этой защищенной связи, иначе мы потеряем обычную оптическую
связь. Сегодня линии защищенной квантовой связи внедрены в
некоторых банках для связи с филиалами на удалении в несколько
километров.Другой прибор, который будет работать на основе
квантовыхэффектов, этоквантовые компьютеры. Сегодня построены
реальные ячейки квантовых компьютеров, продемонстрирована их
работоспособность. И хотя пока нет такого квантового компьютера,
который бы превзошел обычные, но принцип их действия доказан.
Компания D-Wave поставила такой компьютер, для того чтобы
продемонстрировать его возможности и создать условия для первых
энтузиастов, готовых практиковаться в работе с ним.
Есть и более распространенные применения квантовых устройств, их
примером служат различные оптические датчики. Любой датчик, в
котором с помощью света узнают о параметрах какой-либо среды, имеет
ограничения по чувствительности в виде шумов, а эти шумы всегда
связаны со светом. Сегодня мы умеем управлять шумами света. А
поэтому мы умеем управлять чувствительностью оптических датчиков
идоводить их по чувствительности до квантовых пределов.
Что читатьА.Ахиезер и В.Берестецкий, Квантовая электродинамика (М.,
Физматлит, 1959)Л.И.Мандельштам Лекции по оптике, теории
относительности и квантовой механике (М.,1972)А.Ярив Введение в
теорию и приложения квантовой механики (М., МИР, 1984). У.Люисел
Излучение и шумы в квантовой электронике (М., Наука,
1972)P.L.Knight, L.Allen Conceps of Quantum opticsM.Fox Quantum
optics. An introduction (2007).U.Leonhard Essential Quantum optics
(2010).Александр Львовский Отличная квантовая механика
