Нобелевскую премию по физике присудили за квантовую запутанность
Лауреатами Нобелевской премии по физике 2022 года стали Ален Аспе (Alain Aspect), Джон Клаузер (John F. Clauser) и Антон Цайлингер (Anton Zeilinger) — за эксперименты с запутанными фотонами, исследование нарушений неравенств Белла и работы по квантовой информатике. За церемонией объявления победителей можно следить в прямом эфире на сайте Нобелевского комитета. Подробнее об исследованиях ученых и их заслугах можно прочитать в официальном пресс-релизе.
Свои премии лауреаты получат на официальной церемонии, которая состоится 10 декабря.
Работа всех трех лауреатов связана с исследованием запутанных квантовых частиц и нарушением неравенств Белла. Эти неравенства в 1960-х годах предложил Джон Белл, чтобы проверить, есть или нет в квантово-механической системе скрытые параметры. Если эти неравенства выполняются, то в системе есть некоторые скрытые параметры, и выполняется гипотеза локального реализма — то есть что физические объекты реально существуют и влияют только на свое локальное окружение. Проверить справедливость неравенств Белла можно экспериментально — вероятность состояний в случае выполнения и невыполнения неравенств должна различаться.
Первым, кто развил идеи Белла и предложил эксперимент для проверки неравенств, был американец Джон Клаузер — ему удалось доказать, что неравенства Белла нарушаются, то есть скрытых переменных в квантовой механике нет. Французский физик Ален Аспе развил подход Клаузера и сделал так, чтобы изначальные условия, при которых испускалась пара запутанных фотонов, необходимых в эксперименте, не влияли на результат измерений. Он же опубликовал первую работу, в которой доказал, что неравенства действительно не выполняются. Антон Цайлингер стал использовать запутанные квантовые состояния в экспериментах: его группа впервые продемонстрировала возможность квантовой телепортации — то есть изменение квантового состояния частицы из запутанной пары при изменении состояния другой, находящейся от нее на расстоянии.
В традиционном списке аналитиков-наукометристов из Clarivate этого года, который компания каждый год публикует незадолго до объявления лауреатов, никого из нобелевских лауреатов не было. В этом году по данным о цитировании компания отобрала Иммануэля Блоха, который работает с ультрахолодными атомными и молекулярными газами и делает квантовые симуляторы для «искусственных твердых тел», Стивена Квейка — одного из классиков микрофлюдики и технологии «лаборатория-на-чипе», а также японских материаловедов Такаси Танигучи и Кенъи Ватанабэ, которые впервые получили гексагональный нитрид бора, второй после графена двумерный кристалл. Подробнее о кандидатах компании Clarivate читайте в тексте «В ожидании Нобеля — 2022». Правда, обычно предсказания компании, если и сбываются, то только спустя несколько лет.
Впрочем, все три лауреата Нобелевской премии по физике 2022 года были в списке «лауреатов по цитируемости» в 2011 году, когда их составляла еще компания Thomson Reuters, а не Clarivate Analytics.
Первый успешный прогноз год в год наукометристы Clarivate сделали в прошлом году, предсказав лауреата премии именно по физике — Джорджо Паризи. Итальянский физик-теоретик исследовал закономерности, которым подчиняются беспорядочные явления и флуктуации в сложных физических системах на различных масштабах. Два других прошлогодних лауреата — Сюкуро Манабе и Клаус Хассельман — занимались разработкой моделей климата Земли, количественным описанием климатических изменений и предсказали глобальное потепление. Подробнее о том, чем занимались ученые и почему разделили общую премию, — в нашем материале «Порядок на плечах хаоса».
Премию в 2020 году получили ученые, которые занимались исследованием черных дыр. Первая половина премии досталась Роджеру Пенроузу, который показал, что образование черных дыр — это строгое следствие общей теории относительности. Вторую половину премии поделили Райнхард Генцель и Андреа Гэз — они открыли сверхмассивный компактный объект в центре Млечного Пути. Про работы лауреатов 2020 года вы можете прочитать в материале «И все-таки они существуют».
Александр Дубов
В нем удалось разогнать электроны на 43 процента
Немецкие физики создали когерентный нанофотонный ускоритель электронов, который не только способен ускорять частицы, но и фокусирует их пучок. В нем удалось разогнать электроны на дистанции 500 микрометров в канале шириной всего 225 нанометров, при этом первоначальная энергия пучка увеличилась на 43 процента. Статья об этом опубликована в журнале Nature. Традиционно для ускорения заряженных частиц ученые используют высокочастотные резонаторы. Наибольший успех имеют кольцевые ускорители, в которых энергия частиц повышается с каждым новым витком. Например, Большой адронный коллайдер — пожалуй, самый известный кольцевой ускоритель — достиг рекордной энергии 6,8 тераэлектронвольт на пучок. К сожалению, ускорять электроны до высоких энергий в кольцевых ускорителях не дает их малая масса и синхротронное излучение, которое уносит накопленную энергию. Для получения электронов высоких энергий строят линейные ускорители, такие как SLAC. Градиент ускорения, который испытывают частицы в классических ускорителях, ограничен пиковым радиочастотным полем, которое могут выдержать металлические поверхности конструкции, и обычно составляет десятки мегавольт на метр. О том, с какими еще сложностями сталкиваются ученые при модернизации Большого адронного коллайдера, мы писали в материале «Стойкий оловянный магнит». Чтобы обойти подобные ограничения, ученые разрабатывают другое направление в ускорительной технике — диэлектрические лазерные ускорители (нанофотонные ускорители). Диэлектрические материалы могут выдерживать оптическую нагрузку до десяти гигавольт на метр. Подобные технологии потенциально могут на несколько порядков сократить требуемые размеры и стоимость ускорительных комплексов. Томас Хлоуба (Tomáš Chlouba) и его коллеги из Университета имени Фридриха — Александра в Эрлангене и Нюрнберге создали когерентный нанофотонный ускоритель электронов, который состоит из двух рядов кремниевых столбиков высотой два микрометра. Ученые освещали столбики сверху лучом лазера длиной волны 1,93 микрометра, чтобы создать необходимый режим ближнего поля. Электронный пучок инжектировался в эту структуру между рядами столбиков с начальной энергией электронов 28,4 килоэлектронвольт. Если выполнено условие синхронизации — период структуры отнесенный к длине волны лазера равен скорости электронов, нормированных на скорость света в вакууме — то электроны и оптическая ближнепольная мода движутся с одинаковой скоростью. Чтобы ускорить электроны, ученые увеличили период структуры. Ученым удалось не только разогнать электроны, но и решить проблему их фокусировки. Согласно теореме Ирншоу одновременная фокусировка луча электронов по всем трем направлениям невозможна. Однако это ограничение физики сумели обойти, применив технику попеременной фазовой фокусировки. Чтобы изменить фазу синхронизации, Хлоуба с коллегами увеличил один из промежутков между последовательными парами кремниевых столбиков. Это привело к фокусировке электронов в поперечном направлении, но к дефокусировке в продольном. Внедряя аналогичные фазовые сдвиги далее вдоль следования пучка электронов, физики попеременно фокусировали пучок либо в продольном, либо в поперечном направлении. В результате ученым удалось разогнать электроны на 43 процента до энергии 40,7 килоэлектронвольт на расстоянии 500 микрометров и при этом сохранить фокусировку пучка в канале шириной всего 225 нанометров. Физики отмечают, что полученные энергии электронов пока далеки от масштабов гигаэлектронвольт, а также наблюдались существенные потери электронов из-за недостаточной оптимизации установки. Однако представленный концепт может быть доработан и масштабирован, что по мнению ученых потенциально может привести к созданию более дешевых и компактных ускорителей электронов в будущем. Идея компактных ускорителей частиц крайне привлекает ученых. Например, ранее мы писали, как при помощи терагерцового излучения физики разогнали электроны в ускорителе размером со спичку.
