Замирающий фотон

Тигран Оганесян
29 января 2001, 00:00

Нашумевшие эксперименты по замедлению скорости света открывают новые возможности для создания квантового компьютера

В середине января в мировых СМИ прокатилась волна публикаций, посвященных очередной громкой научной сенсации: двум независимым группам физиков, работавшим в США, удалось полностью остановить в специальной среде луч света. Многие издания, находясь под впечатлением от эффектного словосочетания "остановленный свет", пустились во все тяжкие, сливая в одном флаконе всевозможные научно-фантастические концепции вроде скорой остановки времени и полной ревизии теории относительности.

Между тем, если попытаться разобраться в существе вопроса, воздерживаясь от ненужных эмоций, на выходе получается пока не так уж много - безусловно, достигнутые в США результаты являются большим успехом современной науки, однако, во-первых, они вовсе не сотрясают ее основы, оставляя нетронутым аксиоматический фундамент нынешней физики, а во-вторых, их можно считать, хотя и наиболее громким, но лишь одним из ряда достижений в стремительно развивающейся научной области - нелинейной оптике.

Семнадцать метров в секунду

По словам профессора из Texas A&M University (College Station, штат Техас) и ведущего научного сотрудника Института прикладной физики (Нижний Новгород) Ольги Кочаровской, одного из крупнейших специалистов в области нелинейной оптики, бум, связанный с использованием специальных газовых сред для изменения привычных свойств света, начался в самом конце 80-х годов, когда с интервалом в месяц в научной литературе появились сразу три публикации, посвященные этому перспективному направлению современной физики. Интерес, проявленный учеными к новой сфере, оказался велик: только за последние пять лет в различных специализированных изданиях было опубликовано более 250 статей по данной тематике.

Первым практическим доказательством эффективности теоретических моделей, активно разрабатывавшихся различными группами ученых на протяжении последнего десятилетия, стали эксперименты датчанки Лин Хау и ее сотрудников (Rowland Institute for Science и Harvard University, Cambridge, Massachusetts), проведенные в начале 1999 года, в ходе которых удалось замедлить скорость световой волны (около трехсот тысяч километров в секунду для вакуума) в натриевом газе более чем на шесть порядков - до 17 метров в секунду. Для этого физики предварительно охлаждали натрий, помещенный в электромагнитное поле, до сверхнизкой температуры - одной пятидесятимиллионной градуса по Кельвину (т. е. практически до абсолютного нуля или до -273,15 градуса по Цельсию). При этих условиях вещество превращается в так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна.

В этом конденсате импульсы "замороженных" атомов стремятся к нулю, что приводит, согласно знаменитому соотношению неопределенностей Гейзенберга, к "размазыванию" их точного местоположения. В результате, атомы как бы перекрываются со своими соседями, образуя "суператом" с одной, общей для всех частиц волновой функцией. Одно из важнейших свойств таких "суператомов" - их способность быть прозрачными для световых лучей строго определенных длин волн. Используя оригинальную методику обработки конденсата двумя последовательными лазерными пучками, группа Лин Хау получила на выходе световой луч, обладающий такой чудовищно медленной скоростью.

Ускорение света

Следующим важным этапом в серии экспериментов по демонстрации необычных свойств света стали прошлогодние опыты Лицзюнь Вана (NEC Research Institute) в Принстоне. По утверждениям американского ученого китайского происхождения, используя схожие методики (лазерный луч пропускался сквозь наполненную парами цезия камеру), его группа добилась обратного эффекта: колоссального превышения скорости света в вакууме - по данным экспериментаторов, более чем в триста раз! Особая пикантность опыта Вана заключалась в том, что тем самым как бы нарушался незыблемый закон причинно-следственной связи - "стороннему наблюдателю" (если, конечно, здесь применим данный термин) могло показаться, что световой луч покидает пределы "газовой камеры" раньше, чем он туда попадает.

Впрочем, помимо того, что "фокус Вана" был воспринят мировым научным сообществом с изрядной долей скептицизма (многие специалисты утверждали, что китайцу не удалось представить весомые доказательства), возможная интерпретация эксперимента тоже далеко не столь однозначна, как этого, быть может, хотелось некоторым любителям жареных научных фактов. Дело в том, что световой луч, проходящий через среду, имеет две разные скорости: фазовую (скорость отдельных световых волн, составляющих луч) и групповую (скорость луча как единого целого). И с точки зрения современной физики, нет ничего невозможного в том, что отдельные световые волны в луче действительно могут иметь скорость, превышающую скорость света в вакууме.

Квантовый компьютер все ближе

Не прошло и полугода с момента публикации результатов экспериментов Вана по "ускорению" скорости света, как общественность взбудоражило известие о доведении до логического конца опытов по его торможению. Результаты в экспериментах по доведению групповой скорости светового луча практически до нуля параллельно были получены в двух американских лабораториях Гарварда - в Rowland Institute под руководством неутомимой Лин Хау и ведущего местного специалиста профессора Стэнфордского университета Стивена Харриса и в Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (ведущие сотрудники - американец Рон Уолсворт и наш соотечественник, 32-летний выпускник МФТИ Михаил Лукин).

Группа Лин Хау применяла уже описанную выше методику пропускания светового луча через ультрахолодный натриевый газ, тогда как Уолсворт и Лукин использовали в своих экспериментах другую среду - пары рубидия, которые не охлаждались, согласно электронной версии их статьи, которая будет опубликована в этот понедельник в Physical Review Letters, а нагревались до температуры 70-90 градусов по Цельсию в сильном электромагнитном поле. Впрочем, говорить о реальной "остановке света" в ходе этих экспериментов не совсем корректно. По словам Ольги Кочаровской, исходный световой пучок все-таки поглощается атомами (хотя и не в традиционном смысле этого слова), но в среде остается информация о луче, записанная в атомных спинах. "Наиболее интересным и действительно пионерским с научной точки зрения результатом данных экспериментов следует считать именно то, что ученым впервые удалось сохранить информацию, содержащуюся в световом луче, сначала 'записав' ее в атомах среды, а затем высвободив эту информацию с помощью нового светового импульса для ее последующей передачи", - утверждает г-жа Кочаровская. До сих пор все попытки добиться сохранения информации, переносимой фотонами, не приводили к желаемому результату. Новаторская методика группы Уолсворта-Лукина позволила наконец разрешить эту проблему. Световая информация, сохраняющаяся в виде коллективных спиновых состояний атомов среды, в значительно меньшей степени подвержена воздействию разрушительных эффектов, чем в случае "традиционной" записи на энергетических уровнях (подробнее см. "Эксперт", N17 за прошлый год). "Мы надеемся, что в дальнейшем эта техника может быть использована для хранения и передачи фотонных квантовых состояний, что сделает реальным практическое осуществление проектов по квантовым коммуникациям и созданию квантовых компьютеров", - считает Михаил Лукин.

"Последние эксперименты в Гарварде достаточно убедительно показали осуществимость задачи захвата, хранения и последующего высвобождения волновых возбуждений, переносимых световыми пучками, - подтверждает мнение Михаила Лукина Ольга Кочаровская. - На данный момент можно с большой степенью вероятности утверждать, что благодаря своей относительной простоте и универсальности предложенная методика хранения световой информации станет базовой как для дальнейших исследований в нелинейной оптике, так и в столь популярных в последнее время разработках, связанных с проектировкой квантовых компьютеров. Впрочем, по моему мнению, говорить о большом технологическом прорыве пока рановато: специфика среды и целый ряд иных моментов накладывают существенные ограничения на прикладное использование данной методики".