`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Квантовая механика вторгается в информационные технологии

Статья опубликована в №17-18 (586) от 15 мая

+11
голос

Физики впервые остановили и уничтожили световой импульс в одном месте пространства и затем полностью восстановили его в другом. Они сделали это, "преобразовав" световой импульс в вещество, которое было перемещено в пространстве, и впоследствии полностью воссоздали исходную вспышку.

Эти эксперименты открывают новые феноменальные возможности управления светом. Методика может, в конечном счете, использоваться для разработки новейших сверхбыстродействующих оптических или квантовых компьютеров, в криптографии и многих других областях, например, при создании сверхчувствительных сенсоров вращения, детекторов гравитации и т. п.

"Когда я впервые читал статью об остановке света, я не верил этому, - говорит Майкл Флайшхауэр (Michael Fleischhauer), физик-теоретик из Университета Kaiserslautern в Германии. - Даже при том, что теория допускает такие возможности, фактически сделать это - очень сложная задача".

Физики Лена Хау (Lene Hau), Наоми Гинзберг (Naomi Ginsberg) и Шон Гарнер (Sean Garner) из Гарвардского университета (США) применили метод, разработанный еще в 2001 г. для запоминания импульса излучения лазера в облаке атомов натрия, охлажденных почти до температуры абсолютного нуля. Атомы находились в состоянии, которое называют конденсатом Бозе-Эйнштейна (КБЭ).

Это - первая демонстрация одного из основных положений квантовой механики, именуемой "неразличимостью квантовых объектов". В гарвардском эксперименте неразличимость атомов в двух КБЭ позволяет полностью восстановить первоначальный импульс света. Волновые функции всех облаков конденсата идентичны.

Квантовая механика вторгается в информационные технологии
Рис. 1. Компьютерная модель эксперимента по остановке, медленному переносу в пространстве и восстановлению импульса света

Как отмечает гарвардская команда физиков в своей статье, опубликованной в журнале Nature, эксперимент указывает на ряд новых направлений в классической и квантовой обработке информации. Поскольку атом-посредник, реализующий перемещение падающего света в свободном пространстве, может быть независимо локализован и модифицирован, то возможности обработки информации расширяются. Так, можно вообразить сеть, в которой фотоны используются, чтобы передать информацию, прежде чем она будет сохранена в атомах.

В беседе с журналистом из New Scientist Майкл Флайшхауэр упомянул, что можно даже транспортировать одиночные фотоны света с помощью одиночных атомов. "В недалеком будущем эта поразительная возможность позволит создать невероятно мощные методы обработки информации", - сказал он.

Результаты, опубликованные исследователями Гарвардского университета в журнале Nature, открывают ученым и инженерам принципиально новые пути для управления световыми импульсами, применяемыми в оптоволоконной связи. "Мы можем останавливать световой импульс в переохлажденном облаке натрия, сохранять данные, которые содержатся в нем, и повторно воссоздавать импульс в другом облаке, находящемся на расстоянии 0,2 мм от первого", - говорит Лена Хау. Она и ее соавторы, Наоми Гинзберг и Шон Гарнер, преобразовали первоначальный оптический импульс в перемещающуюся волну вещества, которая является точной копией этого импульса и движется со скоростью 200 м/ч. Параметры вещества легко конвертируются в новый световой импульс с параметрами исходного, когда это вещество входит во второе переохлажденное облако (второй конденсат Бозе-Эйнштейна) и освещается управляющим лазером (рис. 1, 2).

Как утверждает Лена Хау, конденсаты Бозе-Эйнштейна очень важны для данного процесса, потому что в пределах этих облаков атомы становятся синфазными, теряют свою индивидуальность и независимость. "Характер жесткой конфигурации атомов в КБЭ делает возможным сохранение информации о начальном световом импульсе, которую можно точно скопировать в пределах второго облака атомов натрия, что позволяет восстановить световой импульс", - отмечает она.

В пределах полученного КБЭ световой импульс пространственно сжат в 50 миллионов раз. Луч управляющего лазера взаимодействует с облаком конденсата, содержащим примерно 1,8 миллиона атомов натрия, создавая квантовую суперпозицию низкоэнергетического компонента, который остается на месте, и высокоэнергетического, перемещающегося между двумя облаками КБЭ. Амплитуда и фаза светового импульса запоминаются, а сам он останавливается и исчезает в первом облаке. Его образ впечатан в дрейфующем компоненте, который, достигая второго облака, передает ему информацию, благодаря чему полностью восстанавливается первоначальный световой импульс.

Время дрейфа высокоэнергетического компонента в пространстве между конденсированными облаками предоставляет ученым и проектировщикам фантастические возможности для управления оптической информацией. До этого открытия исследователи не могли управлять ею в процессе движения световых импульсов, за исключением усиления сигнала для компенсации затухания в оптоволоконных кабелях. Новая работа Хау и ее коллег демонстрирует первое успешное манипулирование когерентной оптической информацией.

"Эта работа может восполнить отсутствующее звено в управлении оптической информацией, - говорит Лена Хау. - В то время как атомы перемещаются между двумя конденсатами Бозе-Эйнштейна, мы можем улавливать их, задерживать вплоть до минут и изменять любым желаемым способом. Эта новая форма квантового управления найдет приложение в областях квантовой обработки информации и квантовой криптографии".

Конденсат Бозе - Эйнштейна

Американцы Эрик Корнелл (Eric Cornell), Карл Виман (Carl Wieman) и немец Вольфганг Кеттерле (Wolfgang Ketterle) в 2001 г. были удостоены Нобелевской премии за получение конденсата Бозе-Эйнштейна в разреженных газах из атомов щелочных металлов и за исследование свойств этого конденсата. В дополнение к четырем известным - твердому, жидкому, газообразному и плазменному - им удалось создать пятое, особое состояние вещества.

Квантовая механика вторгается в информационные технологии
Рис. 2. Последовательность процессов в эксперименте по остановке, переносу в пространстве и восстановлению импульса света

Принципиальная возможность перевода в такое состояние при температурах, близких к абсолютному нулю, была предсказана индийским физиком Ш. Бозе и знаменитым А. Эйнштейном еще в 1924 г. Однако получить конденсат на практике физикам удалось лишь несколько лет назад. Главная проблема заключалась в том, чтобы добиться глубокого охлаждения вещества. Для этого ученые применили комбинацию двух методов, разработанных относительно недавно: лазерного и охлаждения испарением.

Экспериментаторы тормозили атомы газа магнитными ловушками, затем замедляли их движение, заставляя "продираться" сквозь густосплетение множества лазерных лучей. А далее, опять же лазерным лучом, отгоняли самые быстрые ("горячие") атомы, пока не оставалось некоторое количество окончательно замерзших, неподвижных. Полученный таким образом конденсат представлял собой висящее в магнитно-оптической ловушке газовое облачко, состоящее из двух тысяч атомов рубидия. Причем облачко это имело температуру, лишь на две стомиллионных доли градуса превышавшую абсолютный нуль (рис. 3).

Квантовая механика вторгается в информационные технологии
Рис. 3: а - конденсат Бозе-Эйнштейна. Температура газа всего на несколько стомиллионных долей градуса превышает абсолютный нуль; б - разброс энергий атомов газа при температуре жидкого гелия (-268,93 ˚С); в - разброс энергий атомов газа при температуре жидкого азота (-195,8 ˚С)

Главная особенность данного конденсата в том, что атомы, из которых он состоит, при таких температурах переходят на самый низкий энергетический уровень. Образуется совершенно необычное вещество, являющееся в то же время волной, как всякая элементарная частица. КБЭ, как и любое другое вещество, состоит из отдельных атомов, но, в отличие от обычного вещества, атомы теряют в нем свою индивидуальность. Становится невозможным отличить часть от целого, и, по сути, получается конгломерат атомов, обладающий квантовыми свойствами одного отдельно взятого атома. Этот гигантский квазиатом больше обычного в сто тысяч раз. Благодаря своим размерам КБЭ дает экспериментаторам уникальную возможность непосредственно проверять и использовать на практике теоретические положения квантовой механики.

Первыми достигли необходимого результата американцы. Кеттерле был разочарован, узнав, что Корнелл и Виман его опередили, однако решил продолжать собственные эксперименты. В своих опытах он использовал атомы натрия, а не рубидия. И спустя три месяца тоже добился желаемого, причем ему удалось получить конденсата в сто раз больше, чем конкурентам. Кроме того, на основе конденсата Бозе-Эйнштейна он сконструировал и построил в 1996 г. первый атомный лазер.

Атомный лазер

В отличие от света, испускаемого обычной лампочкой, лазер, как известно, испускает когерентное излучение. То есть все испускаемые им фотоны имеют одну и ту же энергию, длину и фазу волны. Если вместо света использовать синхронизированные атомы (как раз такие, как в КБЭ), то можно говорить об атомном лазере, обладающем большей эффективностью, нежели обычный.

Атомный лазер является вещественным аналогом оптического лазера, но его луч представляет собой когерентный, свободно движущийся поток газового конденсата. Термин "когерентный" в данном случае означает, что все атомы в луче движутся синхронно, т. е. их волновые функции когерентны.

Квантовая механика вторгается в информационные технологии Рис. 4. Принципиальная схема атомного лазера. Сначала бозе-конденсат удерживается магнитной ловушкой а. У всех атомов при этом спины направлены параллельно магнитному полю (условное направление "вверх"). Затем короткий импульс высокочастотного излучения "наклоняет" спины атомов б. Согласно принципам квантовой механики, "наклоненный" спин является суперпозицией состояний "спин-вверх" и "спин-вниз". Атомы со спином "вниз" тут же выталкиваются магнитным полем. Атомная "капля" "жидкого света" выводится из магнитной ловушки в и затем расширяется, устремляясь к цели г

Первый атомный лазер был создан в 1996 г. группой Вольфганга Кеттерле и приводился в действие силой гравитации (рис. 4). Конденсат атомов натрия облучали радиоимпульсами, а под их воздействием часть атомов меняла свой спин. На атомы с измененным спином не распространялось действие ловушки, и они в буквальном смысле слова выпадали из нее. Фактически такой атомный лазер скорее напоминал не луч света, а струю воды, льющуюся из крана.

В 1998 г. Теодор Хенш (Theodor Hänsch) из Мюнхенского университета продемонстрировал подобную систему, в которой создавался непрерывный поток атомов рубидия. Рубидиевый атомный луч был в миллион раз ярче всех ему подобных. Примерно в то же время Уильям Филипс (William Phillips) и Стивен Ролстон (Steven Rolston) из Национального института науки и технологии (США) создали наконец атомный лазер, луч которого можно было посылать в любом направлении, а не только вниз. В своей конструкции они использовали оптические лазеры, выбивающие из конденсата атомы через вращающуюся дыру на краю ловушки - так называемый круг смерти. С помощью определенной последовательности лазерных импульсов, тщательно синхронизированных с кругом смерти, ученые получили когерентный, интенсивный и непрерывный поток атомов - аналог яркого луча оптического лазера.

В настоящее время атомные лучи уже применяются в ряде научных и промышленных приборов, в частности, в атомных часах, высокоточных измерительных инструментах для определения фундаментальных констант и в производстве компьютерных чипов. Основная проблема использования атомного лазера заключается пока в том, что его луч распространяется только в вакууме.

Среди научно прогнозируемых сфер применения атомного лазера на грани фантастики - атомная голография. Теоретически возможно создание в будущем атомно-лазерных принтеров и факсов, которые позволят распечатывать и передавать на значительные расстояния не плоские изображения объектов, а их материальные трехмерные модели.

Атомарный транзистор

КБЭ можно использовать для создания атомарных транзисторов. Исследованиями по данной теме занимался Алекс Зозуля с коллегами из Вустерского политехнического института в Массачусетсе в сотрудничестве с Университетом штата Колорадо в Боулдере.

Управлять КБЭ предлагается посредством трех соединенных камер с магнитными или лазерными ловушками атомов. Управление туннелированием осуществляется средней камерой-ловушкой. Подобный принцип применен в полевых транзисторах, где левый электрод служит истоком, средний - затвором, а правый - стоком.

Атомарные схемы, состоящие из усилителей, осцилляторов и логических вентилей, могут обладать новыми свойствами по сравнению с электронными. Квантовые взаимодействия между холодными атомами заставят их проявлять когерентность. Это позволит достичь четкой зависимости атомов, идущих от истока к стоку, от числа атомов в затворе.

Таким образом, в роли усилителей атомарные транзисторы должны быть эффективнее, нежели традиционные. По подсчетам ученых, контролировать поток большого количества атомов можно будет при помощи небольшого числа аналогичных частиц, сообщает журнал New Scientist.

Другая сфера применения КБЭ - сверхпроводники. Сверхпроводимость достигается путем низкотемпературной конденсации электронов в пары. Парные связки электронов образуются только в определенных веществах при определенных условиях, например, в алюминии, охлажденном до 1,2К. Одиночные электроны непригодны к использованию для получения КБЭ, поскольку они представляют собой фермионы и не могут находиться в одном состоянии, но когда они объединяются в пары, в результате получаются бозоны, которые немедленно конденсируются в КБЭ. Подобный процесс образования пар и конденсации происходит в сверхтекучем гелии-3, атомы которого являются фермионами.

Наконец, свойства КБЭ наблюдаются в экситоне (от лат. excito - возбуждаю). Это квазичастица, представляющая собой связанное состояние электрона и дырки -электронной вакансии в валентной зоне полупроводника. В такую пару могут на короткое время объединяться генерируемые лазерным импульсом электрон и дырка. В 1993 г. физики наблюдали образование из экситонов кратковременного газообразного конденсата в полупроводнике на основе окиси меди.

Одна из перспективных областей внедрения КБЭ - нанотехнология, обещающая появление нанороботов, способных собирать молекулы любого вещества из отдельных атомов, и сверхмощных квантовых компьютеров. Таким образом, начинается переход от квантовой теории к квантовой практике.

+11
голос

Напечатать Отправить другу

Читайте также

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT