Нобелевская премия по Физике в 2012 году вручена за работы, открывшие путь к квантовому компьютеру.

В этом году Нобелевская премия по Физике была вручена Девиду Уайнеланду (David Wineland) и Сержу Арошу (Serge Haroche) за новые подходы к изучению атомов и фотонов. В своих работах, опубликованных в 1995 и 96 годах, ученые предложили способ работы с этими микроскопическими объектами, не нарушающий их структуру. Уайнеланд со своими сотрудниками показал, как использовать атомные состояния, чтобы сделать квантовый логический элемент. Это был первый шаг к созданию сверхбыстрого квантового компьютера. Арош с коллегами продемонстрировал на практике одно из неожиданных предсказаний квантовой механики, гласившее, что измерение квантовой системы может переводить сам измерительный прибор в специфическое квантовое состояние, которое исчезает со временем. Квантовая система может находиться в двух различных состояниях одновременно.

Однако изучить так называемую суперпозицию квантовых состояний не так уж просто: любой толчок со стороны окружающей среды может быстро перевести систему в одно или другое состояние. Оба ученых, награжденных наивысшей научной наградой в этом году, разработали эксперименты, в рамках которых частицы (ионы или фотоны) были изолированы от окружающей среды, так что они могли контролироваться, не теряя своих квантовых характеристик. С 1980-х годов Арош был одним из пионеров квантовой электродинамики в потенциальной яме с отражающими границами, где исследователи наблюдали один атом, взаимодействующий с несколькими фотонами. Арош был одним из первых, кто показал, что длина волны присутствующих в такой полости фотонов может избирательно усилить или, наоборот, подавить излучение атома внутри резонатора. В частности, ученые смогли настроить свой резонатор так, что длины волн фотонов были близки, но не равны энергетическим переходам в атоме, так что атом и фотоны не обменивались энергией. Вместо этого взаимодействие порождало изменения фазы, по которым можно было судить, к примеру, о количестве фотонов в полости. В 1996 году ученые использовали похожий подход, чтобы изучить процесс перехода суперпозиции квантовых состояний в одно определенное состояние. Для этого они поместили возбужденный атом рубидия (находящийся в суперпозиции двух состояний) в резонатор, где присутствовало около 10 фотонов. Взаимодействие вещества и света привело к тому, что фотоны вошли в их собственную суперпозицию состояний (на языке научной группы это состояние именовалось «котом Шредингера»), что позволяло говорить об измерении «суперпозиции состояний» атома. Обычно измерительные приборы не остаются в суперпозиции двух состояний. Вместо этого они теряют квантовую природу практически сразу же через взаимодействие с окружающей средой. Тем не менее, как считают ученые, этот процесс для малых систем (в нашем случае – состоящих из атома и десятка фотонов) займет достаточно времени, чтобы его можно было наблюдать на эксперименте. Чтобы увидеть эффект, команда вносила в резонатор еще один атом (через некоторое время после первого). Наблюдения показали, что суперпозиция состояний фотонов «жила» в течение нескольких миллисекунд. Это было первое экспериментальное исследование так называемых «мезоскопических» границ макро и микромира. На сегодняшний день этот эксперимент уже описан в нескольких классических курсах квантовой физики. Уайнеланд проводил сходные эксперименты по квантовому зондированию, но в ракурсе своей инновационной работы с захваченными в ловушку ионами. Ловушка ограничивает число возможных состояний иона, каждое из которых представляет собой в определенном смысле колебательный резонанс иона между электрическими «стенками» ловушки. Как правило, эти состояния зависят от внутренней структуры иона («внутреннего состояния»). Уайнеланд с коллегами показал, что при помощи лазера можно передавать энергию от одной группы состояний другой. Исследователи применили эту методику для охлаждения медленных ионов для создания самых точных часов в мире. А в 1995 года Уайнеланд с коллегами продемонстрировал первый логический элемент квантовой логики, который стал весомым шагом к созданию квантового компьютера. Для этого в ловушке был зафиксирован один ион бериллия в определенных «колебательном» и «электрическом» состояниях. С помощью лазерного импульса ученым удалось реализовать «контролируемое отрицание»: один тип состояния переключался в зависимости от второго типа. Тогда речь шла о создании логического элемента всего из одного иона. Но на сегодняшний день ученым удалось на практике построить логическую схему из 14 ионов. Какими бы разными не казались описанные исследования, в своей основе они имеют нечто общее. Уайнеланд изучает ионы с помощью лазерных импульсов, а Арош – фотоны с помощью пучков атомов. И обе группы работают на одну глобальную цель.