Эксперт Эксперт - Эксперт № 48 (2013)
В итоге мы смогли провести в нашей новой лаборатории целую серию успешных экспериментов, в том числе уже в 1995 году сконструировали рабочий безынверсионный лазер.
Безусловно, решение этой серьезной задачи оказалось для нас очень полезным первым опытом, более того, один из тогдашних экспериментов позднее стал непосредственным прототипом нашего гарвардского эксперимента по остановке света. Причем, честно говоря, осуществить его на практике было очень просто, о чем, в частности, может свидетельствовать тот факт, что сейчас мы регулярно воспроизводим его на студенческих занятиях в процессе обучения методам спектроскопии. И в этом, наверное, и заключается прелесть науки: зачастую серьезных прорывов в ней удается достичь не при помощи какой-то сверхсложной новой аппаратуры, а просто благодаря успешной практической реализации пришедшей в голову правильной идеи.
Возвращаясь же к вопросу о нашем первом опыте по остановке света, должен сказать, что на самом деле этот эксперимент был осуществлен в каком-то смысле вынужденно. У Марлона Скалли намечался шестидесятилетний юбилей, и все его ученики и бывшие студенты решили сделать ему подарок в виде специального сборника научных работ. Но писать по такому поводу что-то проходное, формальное мне и моим коллегам не хотелось, поэтому мы стали думать над тем, чем бы его порадовать по-настоящему. И сошлись на том, что стоит попробовать довести до логического конца наш первый удачный эксперимент по замедлению света, то есть не просто его замедлить, а совсем остановить.
Но по большому счету эта идея остановки света все еще не вышла за чисто фундаментальные рамки. Эта техника применяется при разработке квантовой памяти, а сравнительно недавно обозначилось еще одно направление, на котором эти схемы уже пытаются практически развивать в системах без атомов. Оказалось, что схожие идеи можно реализовать, используя нанофотонные твердотельные элементы: при помощи этих элементов для фотонов создаются особые линии задержки. Так, специалисты IBM сконструировали экспериментальный интегрированный процессор, частью которого является оптический соединительный элемент (линия передачи на чипе). То есть на этом чипе реально используется «медленный» свет.
— И этот процессор эффективно работает?
— Пока это еще скорее рабочий прототип. К слову, его сделал Юрий Власов, который работает в одном из инженерных подразделений IBM. От первого, чисто фундаментального, эксперимента до первого практического выхода прошло чуть более десяти лет.
Наконец, возможно, самое перспективное направление связано с тем, чтобы использовать это новое состояние для достижения управляемого взаимодействия фотонов. Еще в 2001 году мы написали теоретическую работу, в которой показали, как можно заставить «разговаривать друг с другом» медленные световые фотоны, используя атомы. И поскольку при этом атомы начинают намного сильнее взаимодействовать друг с другом, данное явление можно использовать для осуществления различных интересных экспериментов.
Если вы помните, в известном сериале «Звездные войны» постоянно происходили сражения на световых мечах. И сегодня мы пытаемся осуществить нечто похожее в реальных экспериментах: создается особая среда, в которой отдельные кванты излучения, фотоны, как бы чувствуют присутствие других квантов, начинают притягиваться друг к другу. При этом получаются особые фотонные молекулы в достаточно устойчивом состоянии, то есть в каком-то смысле можно говорить, что мы наблюдаем некую новую форму материи.
— А уже есть какое- то специальное название для подобных новых форм материи?
— Устоявшегося варианта пока не придумали, но, как я уже сказал, сами мы называем их фотонными молекулами. Быть может, подобные эксперименты сегодня еще выглядят чересчур экзотическими, но у них уже вырисовываются заманчивые практические перспективы. По сути, достигнут фундаментальный физический предел, на котором может работать оптическая логика. Это очень важно как для дальнейшей практической реализации идеи квантового компьютера (последние лет пятнадцать—двадцать ученые упорно работают над созданием специальной нанофотонной логики), так и для классических оптических вычислителей и переключателей: чтобы последние были энергоэффективными, нужно достичь очень низких энергий действующих на них световых импульсов, то есть как раз уровня порядка нескольких масс фотонов.
Первые успешные эксперименты, проведенные в нашем гарвардском Центре холодных атомов (совместно с группой Владана Вулетича из Массачусетского технологического института), внушают большой оптимизм.
Еще одна интересная идея, также появившаяся у меня вскоре после осуществления первых опытов по остановке света, была связана с тем, чтобы попытаться использовать квантовую память в так называемых квантовых репитерах. Что это такое? Одна из важнейших составляющих наших исследований связана с изучением проблем передачи квантовой информации. Дело в том, что, если информация кодируется в одиночном фотоне, далее ее нельзя считать, не разрушив при этом исходную информацию. Иными словами, если вы детектируете такие фотоны, их состояние при этом сразу разрушается. И этот принцип, собственно, является ключевым для квантовой криптографии, занимающейся созданием таких закодированных линий связи, которые невозможно «подслушать». Причем, пожалуй, из всех квантовых технологий квантовая криптография в настоящее время — одно из наиболее продвинутых направлений. По крайней мере, уже можно купить криптографическую систему, позволяющую закодировать передаваемую информацию в отдельные фотоны и, используя обычное телекомовское оптоволокно, далее успешно доставить ее получателю. То есть это уже настоящая, работающая система, при помощи которой вы можете нормально передавать информацию.
Михаил Лукин (справа) уверен, что время коммерциализации квантовой физики наступило
Фото предоставлено Российским квантовым центром
— А кто сейчас занимается разработкой таких систем?
— Есть уже несколько компаний. Одна из них в Швейцарии (ID Quantique), другая — в США, недалеко от нас в штате Массачусетс (MagicQ). Правда, пока о массовой продаже таких систем речь не идет — продаются лишь единичные экземпляры. Дело в том, что у квантовой криптографии есть одна фундаментальная проблема — длина, на которую можно посылать отдельные фотоны, очень ограниченна, уже после прохождения десяти—двадцати километров по оптоволокну такой закодированный одиночный фотон поглощается, и соответственно, пропадает и сама пересылаемая информация. Эта проблема существует и при передаче обычных, классических сигналов, но в случае со стандартными телекоммуникациями она решается благодаря тому, что можно поставить, условно говоря, через каждые сто километров специальные усилители сигналов. Такая схема усиления не работает для квантовых сигналов, поскольку мы имеем дело с одиночными фотонами и, вместо того чтобы их сохранить, при применении подобных усилителей в лучшем случае просто усилим сопутствующий шум.
Но есть другая возможность — использовать квантовый аналог такого стандартного усилителя упоминавшийся мной квантовый репитер, который работает, грубо говоря, в качестве прибора, исправляющего ошибки передачи информации. Исследования показали, что при помощи специального кодирования информации и так называемого квантового запутывания подобные квантовые репитеры сконструировать можно. А значит, передача квантовой информации на большие расстояния, до нескольких тысяч километров, реально осуществима.
— Относительно недавно появились сообщения, что вам удалось серьезно продвинуться в области квантовой спектроскопии в наноразмерном диапазоне…
— Это совершенно новый для нас вид деятельности, который мы начали серьезно развивать с середины прошлого десятилетия. К тому времени эксперименты с атомами уже довольно-таки хорошо работали, и мы стали задумываться о том, как можно сделать нечто похожее, используя уже твердотельную систему. И в какой-то момент выяснилось, что одной из таких систем могут стать примеси в алмазах. Хорошо известно, что алмаз сам по себе — уникальный материал, потому что, во-первых, он очень твердый, а во-вторых, у него очень широкая зона проводимости. Благодаря этому примесные атомы, в качестве которых мы обычно используем атомы азота, при имплантировании в алмаз оказываются очень хорошо изолированными от внешнего мира.
