Эксперт № 48 (2013)

Эксперт Эксперт Журнал

— Его предыстория была довольно любопытной. Пригласивший меня в США Марлон Скалли — прежде всего теоретик, и первые пару лет моего аспирантства я в основном занимался у него чистой теорией. Кроме того, мы активно работали над новым типом лазеров — лазерами без инверсии. Как известно, усиление лазера обычно достигается при помощи индуцированного излучения, которое, в свою очередь, требует так называемой инверсии заселенностей, то есть такого состояния физической системы, при котором количество возбужденных атомов превышает число атомов в основном, низкоэнергетическом состоянии.

И у нас тогда возникла идея, что можно попробовать как-то специально приготовить атомы, «помассировать» их, чтобы они не поглощали свет, а только испускали его,

и тогда их инверсии уже не потребуется. Сначала это была чистая теория, но затем мы стали задумываться и над тем, как ее реализовать на практике. Правда, в то время мы еще экспериментальной работой почти не занимались, но как-то раз к нам пришел Скалли и сам сказал, что пора бы уже наконец перейти от идей к практике, а иначе, мол, никто их серьезно не воспримет. Более того, он сразу же предложил нам приступить к делу в выделяемой под это лабораторной комнате, закупил диодные лазеры нового типа, которые к тому времени уже стоили относительно недорого, и назначил меня ответственным за эксперимент.

Впрочем, оказалось, что с новыми лазерами никто в Техасе толком работать тогда не умел. Но я хорошо знал, что в московском ФИАНе есть группа специалистов под руководством Владимира Величанского, которые были одними из пионеров-разработчиков лазеров этого нового типа. Мы с ними связались, они очень заинтересовались нашей идеей, сам Володя приехал, а затем к нам присоединился один из его сотрудников Саша Зибров, вместе с которым, к слову, мы работаем в Гарварде до сих пор.

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.