The symbiosis between blue sky research and technology: the example of quantum physics Serge Haroche Kiev, Mai 2018
Basic science and technology have always progressed together. Since the dawn of modern science, fundamental discoveries motivated by curiosity have led to the development of new tools, which in turn have increased our ability to investigate Nature, leading to further discoveries. Quantum physics provides an illustration of this virtuous circle. It was born to answer fundamental questions about the microscopic word, without any specific application in mind. And yet, after the laws ruling the behavior of electrons, atoms and photons have been understood, technologies exploiting these rules have emerged, which would have astonished the founding fathers of the theory. Computers, lasers, atomic clocks, magnetic resonance imaging machines have been invented, improving our means to calculate, to store information and to communicate. These devices, which have revolutionized our lives, have also been essential in the laboratory to push basic science further. The laser for instance is a tool used to cool, trap and to control single atoms in experiments exploring in depth the strange laws of quantum theory such as state superposition and entanglement. These studies let us now envision a second quantum revolution in technology, where the strangeness of quantum physics would be directly used to achieve tasks that present machines are unable to accomplish. The quantum computer would exploit the quantum strangeness of logical gates being at the same time open and closed in order to compute much faster than today’s machines. Its realization, still far from certain, would require further breakthroughs in basic science. In the mean time, other examples of these new quantum technologies are coming of age in the fields of communication and metrology. And, as the history of science is teaching us, unexpected inventions are bound to emerge from the fundamental knowledge that quantum physicists are now acquiring in their laboratories.
Симбіоз фундаментальних досліджень та розвитку технологій: приклад квантової фізики Серж Арош Київ, травень 2018
Фундаментальна наука та технології завжди розвивалися пліч-о-пліч. З самого зародження сучасної науки, фундаментальні відкриття, мотивовані виключно допитливістю дослідників, призводили до появи нових інструментів та приладів, які, в свою чергу, вдосконалювали наші можливості далі досліджувати природу, призводячи до нових відкриттів та наукових революцій. Квантова фізика чудово ілюструє цей ефективний спіральний взаємозв’язок. Вона була народжена для того, щоб дати відповідь на фундаментальні питання стосовно екзотичних властивостей мікроскопічного світу без жодних конкретних думок та планів щодо їх можливого застосування. І все ж таки, як тільки-но було встановлено та зрозуміло її закони, що описують поведінку електронів, атомів та фотонів, неочікувано з’явилися практичні технології, що почали їх використовувати. Без сумніву, сам факт появи цих технологій дуже сильно здивував б самих засновників квантової теорії. Комп’ютери, лазери, атомні годинники, методи магнітної резонансної томографії були винайдені для покращення та розширення наших можливостей обчислювати, зберігати та передавати інформацію. Ці пристрої, що революційною мірою змінили наше з вами повсякденне життя, також стали дуже важливими та суттєво необхідними в дослідницьких лабораторіях для подальшого розвитку самої науки. Лазери, наприклад, широко використовуються для охолодження, утримання та контролю окремих атомів в експериментах, що досліджують дивні прояви квантової теорії: квантову суперпозицію та заплутаність. Завдяки цим дослідженням ми з вами маємо честь бути свідками початку розвитку другої квантової революції в технології, в якій дива квантової фізики мають бути напряму використані для вирішення задач, що не під силу сучасним пристроям. Так, квантовий комп’ютер має використовувати квантові дива логічних операцій для розв’язання математичних задач швидше за будь-який сучасний супер-комп’ютер. Його втілення (що, можливо, відбудеться ще не скоро) можливо буде вимагати нових проривів в фундаментальній науці. А тим часом, інші приклади цих нових квантових технологій вже вдало з’являються та знаходять своє використання в сфері захищеного зв’язку та надточної метрології. Та як вчить нас історія та досвід науки, нові неочікувані винаходи приречені з’являтись з фундаментальних знань, які квантові фізики здобувають сьогодні в своїх лабораторіях.
Симбіоз фундаментальних досліджень та розвитку технологій: приклад квантової фізики Серж Арош Київ, травень 2018
Для чого потрібні наукові дослідження? щоб задовольнити свою допитливість щодо Природи (фундаментальні дослідження)? або щоб досягти чогось корисного та задовольнити “соціальні” запити (прикладні дослідження)? Політики часто схиляються до короткострокової ”корисності” та вважають довгострокову допитливість за ”розкіш”... Історія науки показує нам, яким недалекоглядним це є: фундаментальні дослідження та розвиток технології є двома сторонами однієї монети, які не можуть бути відокремлені.
Основні дослідження керуються виключно допитливістю, як це показують великі відкриття природи світла та матерії Фундаментальні питання до світла (хвилі чи частинки? яка його швидкість?)...
Світло – це електромагнітна хвиля, що розповсюджується зі швидкістю, незалежною від спостерігача, і в той самий час є набором частинок (фотонами) з енергією та імпульсом. …призвели Ньютон Гюйгенс Френель Фізо до великих Матерія складається з атомів, в …та фундаментальні питання до відкриттів: яких електрони знаходяться на дискретних енергетичних рівнях матерії (як вона проводить струм навколо ядра та мають малий та проявляє магнітні властивості? магнітний момент…. як взаємодіє зі світлом?)…
Кулон
Фарадей
Ампер
Світло та матерія підкоряються дивним законам з суперечливими наслідками (суперпозиція, заплутаність)
Максвел
Планк
Ейнштейн
Квантова фізика та Реальність
Бор
Вчені, які зробили ці великі відкриття, не мали жодної уяви про те, до чого вони були б корисними… …але вони призвели до інновацій, що змінили наше життя, спосіб отримання енергії, можливості комунікації, збереження та обробки інформації, вивчення матерії, проведення медичної діагностики, тощо... Ці застосування часто з’являлися цілком випадково з комбінації досягнень з різних фундаментальних досліджень після довгого часу “дозрівання”
Давайте-но переглянемо декілька прикладів
Електромагнітна хвиля: Електричне та магнітне поля підпитують одне одного
Фізо
Максвел
c=
1
1865
!µ Кулон
Ампер
A Blue Sky Discovery:
Королівське товариство, Лондон
‘’Узгодження результатів показує, що струм та магнетизм є проявами однієї сутності та що світло - це електромагнітне збудження, що розповсюджується через поле згідно законам електромагнетизму’’
Світло – це електромагнітна хвиля (1865)…
0,8 µ
радіохвилі (1885)
видимий
…що простягається за межі видимого спектру
0,4 µ
Технологічна революція: радіозв'язок, мікрохвильові застосування, рентгенівська медична діагностика, тощо...
Герц
…та нові питання, що привели до Релятивізму та Квантової фізики
Рентгенівські хвилі (1895)
Рентген
Сучасні технології були за межами уяви фізиків “доквантової” ери Лорд Кельвін
Наївні пророцтва 1900 року зроблені стосовно майбутніх технологій 20-го століття
Приклади квантових технологій, абсолютно неочікуваних в 1900 році
Комп’ютери
Лазери
Атомні годинники та GPS
МРТ сканери
Почалося з елементарного відкриття: Штерн та магнітний момент електрона (1922) O. Штерн
Простий роздвоєний слід, що спричинив квантову технологічну революцію!
Магнітний момент є квантованим
Установка розчіпляє магнітні моменти (спіни), орієнтовані вгору та вниз
Більше фундаментальної науки: Рабі та метод радіочастотного молекулярного проміння для вимірювання магнітного моменту ядра Рабі (1898-1988) rf
Джерело (піч)
Резонансне радіочастотне поле змінює напрям магнітного моменту (зона С), відхиляючи траєкторію молекулярного проміння (зона В) в магнітному полі та зменшуючи задетектований сигнал. детектор
Резонансна радіочастота (rf)
Відкриття Рабі відкрило шлях до МРТ, атомних годинників, GPS та лазерів….
Пророцький заголовок •
New York Post,
Грудень 1939
Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) 1945 приймач
Ф. Блох
Е. Пурсел ЯМР сенсори в фізиці, хімії, біології...
Відкриття стало можливим завдяки технологічним досягненням (розробка радарів під час 2-ї Світової війни) випромінювач
!
!
Неочікуване застосування: Магнітно-резонансна томографія (МРТ) Атоми водню мають дворівневу магнітну структуру з різницею енергій, що пропорційна до прикладеного магнітного поля
Ee - Ef = hg B = h nrf
Розсіювання радіохвиль різної частоти в неоднорідному магнітному полі робить можливим тривимірне зображення людського тіла
Статичне та динамічне спостереження за мозком….
Дослідження роботи мозку та вивчення походження свідомості
Коротка історія вимірювання часу
17 століття Маятник (Галілей, Гюйгенс)
14 століття Баштовий годинник Відносна точність
10
!2
10
!4
18 століття Морський годинник та кишеньковий годинник (Хук, Харісон)
10!6
1920’s Кварцовий годинник (п’єзоелектр. ефект)
10!8
Загальний принцип: осцилятор з’єднаний з пристроєм, що рахує періоди осциляцій (чим вища частота, тим краще) Величезний прогрес дякуючи атомному осцилятору: Звичайний цезієвий годинник досягає точності 10-14, тоді як вдосконалені годинники з використанням лазерів мають точність 10-18 (похибка менше секунди за час життя всесвіту!)
Мікрохвильовий атомний годинник перероблений з молекулярного променя Рабі Н. Рамзей (студент Рабі)
Цезієвий годинник
Коливання електронів в атомі більш стабільні за коливання маятника, пружини чи, навіть, кварца!
S
Серво-контроль
Промін Цезію опромінюється подвійним мікрохвильовим імпульсом: резонанс проявляється у вигляді смуг Рамзея
Точність близько 10-14 (1 секунда на мільйон років!)
частота
Безпосереднє використання атомного годинника: GPS Тріангуляція сигналів отриманих від декількох синхронізованих атомних годинників розміщених в супутниковій мережі
точність близько 1 метра! GPS використовує принципи квантової фізики та поправки спеціальної та загальної теорії відносності.
Без релятивістських поправок, GPS помилявся б на декілька кілометрів і тому був би абсолютно непридатний!
Стимульоване випромінювання світла: ще одне відкриття без очевидної користі… Ейштейн (1916)
Підсилення (стимульоване випромінювання: світло ”викликає” світло)
атом в збудженому стані
спонтанне випромінювання фотона
Один фотон викликає випромінювання другого ідентичного фотона, і так далі…
(Бор, 1912)
…що призвело до виникнення мазера, а трохи згодом і до лазера збудження атома
Світло між дзеркалами підсилюється збудженими атомами. Частина світла витікає через вихідне дзеркало:
лазерний промінь
Класичне світло проти лазерного Класичне світло (Сонце, лампа): атоми випромінюють незалежно один від одного з різною фазою та дисперсією за частотою та напрямком
Лазерне світло: атоми випромінюють світло “порціями” з однаковою фазою, частотою та напрямком. Це –приборкане світло
Знову почалося в мікрохвильовому діапазоні!
Тоунс та Гордон в Колумбійському університеті (1954) перед своїм аміачним променем, що створив перше мазерне випромінювання
Перший мазер (Microwave Amplifier by Stimulated Emission of Radiation) Варіант променевої установки Рабі, що випромінює когерентні мікрохвилі на молекулярних переходах
Яка з цього користь?
Лазер, фантастичне приручене світло Інтенсивне, неправлене, монохроматичне, когерентне...
Плавка та випаровування матерії, охолодження та утримання атомів: лазери можуть досягти найвищих температур, що існують всередині зірок,... а також створити найхолоднішу речовину у Всесвіті (конденсат Бозе-Ейнштейна) Надстабільний світовий промінь осцилюючий без жодного відхилення протягом мільйонів кілометрів… або надкороткі світові імпульси недовші за кілька нанометрів, що проходять через матерію за декілька аттосекунд (одна мільярдна однієї мільярдної секунди.
Дуже гнучкий інструмент для фундаментальних досліджень у фізиці, хімії, біології, а також для застосування в метрології, медицині, зв’язку, тощо Ми розглянемо лише три області: маніпулювання окремими атомними системами для квантової інформації, надточні атомні годинники та детектування гравітаційних хвиль
Використання лазерів для контроля за окремими атомами: 5 іонів Берилію в лабораторії Девіда Вайнланда (2000)…
Д. Вайнланд
Кожен атом – це дворівневий квантовий біт (кубіт)…
… який може бути в суперпозиції двох станів: 0 та 1
… та 14 і 30 іонів Кальцію в лабораторії Р. Блата в Інсбруці (2012-2013) 0 1
230 ~ 1 мільярд станів! Атомна рахівниця для квантової інформації
2012
Квантова ЕлектроДинаміка в Резонаторі Збудженні лазером Рідберівські атоми дозволяють нам вивчати взаємодію між світлом та матерією на самому фундаментальному рівні ENS-Collège de France, Paris
Фотони утримуються протягом 1/10 секунди!
Один атом взаємодіє з одним або декількома фотонами в коробці Контроль кількості фотонів
Послідовність атомів пролітаючи через резонатор зв’язується з його полем та отримує інформацію про утримане світло, не поглинаючи його фотони
6 cm 2012
Синтезатор оптичної частотної гребінки
Структуроване оптичне волокно розширює світловий спектр до однієї октави: ~ 100 000 окремих частот рознесених на кілька GHz
Лазер синхронно випромінює багато частот
Ідеальне рішення для оптичного годинника: частотна гребінка T. Хенш
Дж. Хол
“Лінійка”, що покриває цілу частотну октаву
Вимірювання частоти атома з допомогою частотної гребінки an atom
2. Налаштуйте частоту лазера так, щоб він точно співпадав з енергією переходу в атомі.
1. Візьміть стабільний лазер та розділіть його промінь навпіл.
3. Поміряйте частоту лазера з допомогою іншого лазерного променя з частотною гребінкою.
Лазерна гребінка стабілізована на атомному оптичному переході поводить себе як надзвичайно точний зчитувальний механізм годинника
Два типи оптичних годинників, які змагаються за можливість стати новим стандартом часу I(! ) f0
Стабілізуючи частотну гребінку на оптичний перехід окремого іону Hg або Al в іоній пасці (NIST...)... Точність
10!17 !10!18 ~1 s за вік Всесвіту
Хенш, Хол
..або на оптичний перехід великої кількості холодних нейтральних атомів Sr або Yb в оптичній пасці (NIST, PTB, SYRTE...)
Перевірка загальної теорії відносності: різниця частот між двома іонами Al+ рознесеними на 33 см по висоті! Експеримент: Теорія:
(37 +/- 15 cm) (33 cm)
33 cm
!" g!z = 2 " c
Номер вимірювання
C. W. Chou, et al. Science 329, 1630 (2010)
Інтерферометр Майкельсона, в якому лазерний промінь вимірює зміну відстані між двома 3-км рукавами з чутливістю 1 мільярдної частини розміру атома!
Ще одне використання надстабільних лазерів: детектори гравітаційних хвиль LIGO/VIRGO (Нобелівська премія 2017 з фізики)
Детектування зіткнень чорних дір та нейтронних зірок: нові можливості в дослідженні Всесвіту
Зв’язок між фундаментальними дослідженнями та інноваціями в фізиці Спостереження природи Теоретичні моделі
Замкнене коло!
Прогноз нових ефектів
Більш точне спостереження підтверджує (або спростовує) теорію.
Новітні технології
революціонізують різноманітні області (фізика, хімія, біологія, медицина, ...)
“Важко робити прогнози, особливо стосовно майбутнього” (Нільс Бор)… Згадайте листівки 1900 року з прогнозами на технології XX століття…. Якою буде “друга квантова революція” XXI століття: квантові комп’ютери, квантові комунікаційні мережі, квантові сенсори, ще більш точні квантові годинники... або щось зовсім інше та неочікуване?
… ми можемо тільки гадати, але одне ми знаємо напевно: без фундаментальних досліджень, нові технології не з’являться…
…та минуле вчить нас, що несподівані чудові застосування часто виникають несподівано з допитливих досліджень…
Новітні технології…. …часто виникають несподівано з фундаментальних досліджень… ..які потребують два безцінних інгредієнта:
Час та Довіра Деякі організації в світі намагаються захистити ці цінності… … що, на жаль, не завжди знаходить розуміння у політиків та не зовсім підтримується законами глобального ринку, вимагаючого швидких маркетингових результатів!
Закінчуючи на позитивній ноті: Як було показано на прикладі наукової школи Рабі, дуже допомагає проведенню досліджень гарне середовище видатних майстрів, колег та студентів! Мій особистий досвід …і та ж сама кімната в 2012 році, коли інша Нобелівська премія була оголошена S.H
S.H J-M.Raimond
2012 C.CohenTannoudji 1997
A.Kastler J.Brossel 1966
Кімната в Лабораторії Кастлера та Броселя в 1966 році (день, коли була оголошена Нобелівська премія Кастлера)
M.Brune
Igor Dotsenko