История лазера

Рис. 67. Метод двухфотонной интерферометрии. Два интерферометра I1 и I2 включают четыре зеркала S4, S3, S’4, S’3 (полностью отражаемых) и четыре зеркала S1, S2, S’1, S’2 (полупрозрачных). Выходы 1А и 2А представляют, например, бит 0, тогда как выходы 1В и 2B представляют бит 1

Теперь главный момент! Одной из возможностей нелинейной оптики является получение новых цветов света, которые получаются из-за того, что в нелинейном материале два фотона, имеющие некоторые частоты, т.е. некоторые энергии, сливаются в один фотон, энергия которого является суммой двух фотонов, и поэтому его частота является суммой двух частот. Если оба фотона имеют одну и ту же частоту, тогда новый фотон имеет удвоенную частоту. Это явление известно как генерация второй гармоники. Если два фотона имеют разные частоты, тогда говорят о параметрическом эффекте. Также возможно получить другой, обратный, процесс, в котором фотон при нелинейном взаимодействии распадается на два фотона, каждый из которых, имеет частоту, в точности равной половине частоты первоначального фотона. Этот процесс называют даун-конверсией. Законы этого процесса гарантируют, что оба фотона испускаются в одно и то же время, несмотря даже на то, что квантовая механика (принцип неопределенности) не допускает знание точного момента, когда они испускаются, так как их энергии точно известны.

Теперь предположим, что источник, который испускает эти фотоны, размещается посередине между двумя наблюдателями. Процесс может проходить так, что один фотон посылается на правый интерферометр, а другой на левый. Если приемники, справа и слева, отрегулированы так, чтобы давать сигнал только тогда, когда на них поступает фотон, тогда условие, что два фотона испущены одновременно, означает, что если фотон зарегистрирован в 1A, то другой должен быть зарегистрирован в 2А, и наоборот, если он зарегистрирован в 1B, то второй должен быть зарегистрирован в 2В. Алиса и Боб не обменивались никакими сигналами, но если Алиса зарегистрировала фотон в 1A, то она знает, что Боб также зарегистрировал фотон в 2A. Таким образом, оба наблюдателя имеют один и тот же сигнал, без обмена информацией. Если теперь фотон, зарегистрированный в A, представляет информацию бита «0», а фотон, зарегистрированный в B, представляет бит «1», то наблюдая случайную последовательность фотонов, испускаемых источником, оба наблюдателя получают одну и ту же случайную последовательность знаков 0 и 1, которая заключает в себе секретный код, которым передается и читается послание. Никакой информации не посылается между Алисой и Бобом, чтобы установить этот секретный код, поскольку выход с интерферометра не определен до тех пор, пока не сделано измерение.

На этом этапе квантовая механика требует, что если правый интерферометр измеряет фотон через 1A, то левый интерферометр должен зарегистрировать его через 1А. Если кто-нибудь захочет вставить свои фотоны в линию передачи от источника к одному из интерферометров, то очевидно, что вставленный фотон не будет зарегистрирован ни одним из интерферометров, так как отсутствует совпадение сигналов. Такой фотон просто не влияет на секретный код, установленный двумя наблюдателями.

Системы криптографии, такие, как только что описанная, или основанные на экспериментах другого вида, были экспериментально продемонстрированы и выглядят весьма обещающими.

Захват атомов

В 1997 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Стивену Чу (г. р. 1948) из Стэнфордского университета (США), Клоду Коен-Тануджи (г. р. 1933) из Коллеж де Франс и Эколь Нормаль Супериор  (Франция) и Вильяму Филлипсу из Национального Института Стандартов и Технологии (США) за разработку методов охлаждения и захват в ловушки атомов с помощью лазеров. В захвате атомов в ловушку и их охлаждение с помощью лазеров участвуют два разных процесса, которые, однако, связаны. Поскольку ловушки для нейтральных атомов обычно обладают малой глубиной, нужно охладить атомы до температуры ниже 1 К, а уж потом думать, как их захватить в ловушку. Охлаждение атомного газа с помощью лазеров было предложено в 1975 г. Теодором Хэншем и Артуром Шавловым из Стенфордского университета (США). В тот же год Дэвид Вайнланд и Ганс Демелт из университета штата Вашингтон (Сиетл, США) предложили аналогичную схему охлаждения ионов. За работу с ионами Демелт (г. р. 1922) и Вольфанг Поль (1913—1993) из Боннского университета (ФРГ) разделили Нобелевскую премию по физике за 1989 г. («за разработку методики ловушек ионов») с Н. Рамси.

Принцип охлаждения с помощью лазера основан на передаче импульса фотона атому. Атом при поглощении фотона получает толчок в направлении, в котором летел фотон. При последующем излучении фотона, атом испытывает отдачу. Если испускание спонтанно, тогда направления испускания фотонов хаотичны. Серия поглощений и последующих излучений передает импульс атому в направление лазерного пучка, в то время как отдача усредняется до нуля. В результате атом, который двигается навстречу лазерному пучку, замедляется, подобно велосипедисту, катящемуся против ветра.

В 1960-х гг. Филлипс со своими сотрудниками использовал этот принцип для замедления пучка атомов натрия, а в 1985 г. они захватили охлажденный таким способом пучок с помощью магнитного поля.

В 1985 г. Чу со своими сотрудниками добился успеха в охлаждении атомного газа, используя шесть лазерных пучков, сформированных в пары с противоположными направлениями и при ортогональном расположении этих пар. В такой конфигурации каждый атом двигался в произвольном направлении, замедляя скорость своего движения.

Тремя годами позднее Коен-Тануджи открыл способ охлаждать атомы до температур, невозможными с помощью этих простых методов, используя процессы квантовой интерференции в лазерных пучках, распространяющихся навстречу друг другу. В 1995 г. он сумел охладить газ из атомов гелия до фантастически низкой температуры, только на 4 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля.

Методики охлаждения и захвата нейтральных атомов позволили продемонстрировать конденсацию Бозе—Эйнштейна и открыли возможность создания часов с невообразимой точностью хода, сверхпрецизионные методы измерения гравитации и др.

Конденсация Бозе-Эйнштейна

Несомненно, одним из наиболее впечатляемых результатов современной физики было полученное в 1995 г. экспериментальное доказательство конденсации Бозе—Эйнштейна. В 1924 г. Эйнштейн предсказал существование особого состояния материи, в котором все атомы с определенными свойствами, т.н. бозоны (со спинами, кратными h), могут оставаться с совершенно одинаковыми квантовыми свойствами. В 1995 г. В 1995 г. Эрик Корнел (г. р. 1962) из Национального Института стандартов и технологий и Карл Виман (г. р. 1951) из университета Колорадо сумели охладить с помощью лазерного пучка атомы рубидия и захватить их в магнитную ловушку. Затем было произведено дополнительное охлаждение с помощью метода, называемого испарительным охлаждением, действующим так же, как охлаждается чашка чая, т.е. позволяя улетучиваться более горячим атомам.

Когда достигается очень низкая температура, атомы в новом состоянии начинают двигаться вместе с одной и той же скоростью и в одном и том же направлении, вместо того, чтобы двигаться произвольно, как это имеет место для обычного газа. Атомы теряют свою индивидуальность и теперь становятся одиночной коллективной единицей. Их организованная конфигурация приводит к необычным свойствам. Конденсация Бозе—Эйнштейна получалась в облаке атомов рубидия-87, которые охлаждались до ~ 170 нК. Самый полный образец содержал около 2000 атомов, которые в течение более, чем 15 сек находились в одиночном квантовом состоянии. Вольфганг Кеттерль (г. р. 1957) и его группа из MIT (США) сумели получить конденсат натрия-23, содержащий в сто раз больше атомов. Корнел, Кеттерль и Виман получили в 2001 г. Нобелевскую премию по физике «за достижение конденсации Бозе-Эйнштейна в разряженных газах и за пионерские, фундаментальные изучения свойств этого конденсата». С помощью конденсата Бозе-Эйнштейна возможно изучить некоторые аспекты квантовой механики и, может быть, лучше понять явление сверхпроводимости (свойство некоторых материалов совершенно терять электрическое сопротивление). Происхождение Вселенной, также связывают в некоторых теориях с конденсацией Бозе-Эйнштейна.