Квантовая электродинамике в резонаторе.

9 октября 2012 года Нобелевский комитет объявил о присуждении Нобелевской премии по физике Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду за «прорывные экспериментальные методы, которые сделали возможными измерение отдельных квантовых систем и управление ими».

Иногда бывает так, что Нобелевскую премию присуждают за одно-единственное, одномоментно сделанное открытие, которое было удачной догадкой или гениальным прозрением. Однако далеко не всегда революция в физике происходит так «легко»; чаще оказывается, что трудности встают на пути к цели одна за другой, и каждый раз приходится совершать новый прорыв. Именно такое описание в полной мере относится к работам лауреатов Нобелевской премии по физике за 2012 год - француза Сержа Ароша (Serge Haroche) и американца Дэвида Вайнленда (David Wineland). Они сыграли ключевую роль в грандиозном достижении экспериментальной физики последних десятилетий - контроле над квантовым состоянием отдельных элементарных частиц. Однако сделано это было не сразу, а в несколько ключевых этапов, растянувшихся на треть века и завершившихся громкими результатами (включая и практические приложения) обоих лауреатов буквально в последние годы.

Прежде чем приступать к подробному рассказу, любопытно подчеркнуть несколько интересных моментов, объединяющих исследования Ароша и Вайнленда. Арош работает с квантовыми состояниями одиночных фотонов, пойманных в резонатор и надолго «отцепленных» от внешнего мира. Вайнленд работает с квантовыми состояниями одиночных ионов, пойманных в ловушку и тоже изолированных от хаотического внешнего воздействия. Но при этом Арош использует атомы, чтобы наблюдать за состоянием фотона, а Вайнленд использует фотоны, чтобы манипулировать состояниями ионов. Оба метода позволяют осуществить экспериментально то, что еще полвека назад могло считаться лишь «мысленным экспериментом», а также изучить то, как соотносятся друг с другом квантовый и классический мир. И наконец, Арош и Вайнленд - давние и хорошие друзья.

Чудеса с фотонами: работы Сержа Ароша

Сверхдобротные резонаторы

Исследования Сержа Ароша относятся к квантовой оптике - разделу физики, изучающему квантовые свойства отдельных фотонов, «элементарных кусочков» света. Обычно фотоны используются лишь как одноразовые «посыльные» - они излучаются в источнике, летят к фотодетектору и там поглощаются. Если с ними что-то произошло в пути, то мы об этом узнаем лишь после их «смерти». Жизнь такого фотона быстротечна, его нельзя долго держать и изучать. А Серж Арош задался именно этой целью - научиться удерживать единичный фотон достаточно долго внутри экспериментальной установки и в течение этого времени его аккуратно исследовать.

Удержать фотон в принципе можно, заставив его метаться туда-сюда между двумя вогнутыми зеркалами сверхвысокого качества (вогнутость зеркал не позволяет фотону уйти в сторону). Правда, фраза «метаться туда-сюда» не совсем точно отражает ситуацию. Когда длина световой волны сравнима с расстоянием между зеркалами, фотон уже не перемещается между зеркалами, а, как бы дрожа, замирает между ними - получается стоячая световая волна, опирающаяся на зеркала. Такая система зеркал называется резонатором (в англоязычной литературе используется термин cavity «полость»).

Качество удержания фотона характеризуется добротностью резонатора, Q. Это число показывает, грубо говоря, сколько раз фотон отразится от зеркал, прежде чем как-то пролезет наружу (или, более аккуратно, во сколько раз время удержания фотона больше периода колебания световой волны). Ясно, что добротность критически зависит от отражательной способности зеркал: чем ближе коэффициент отражения к единице, тем выше добротность.

В микроволновом диапазоне (длины волн порядка миллиметров или сантиметров) благодаря применению сверхпроводников удается добиться исключительно хорошего отражения. Уже в 70-80-х годах в распоряжении физиков были резонаторы с добротностью в миллионы, а сейчас она уже достигает десятков миллиардов (рис. 2). В таком резонаторе микроволновой фотон будет «жить» десятые доли секунды - огромный промежуток времени для современной экспериментальной физики. За это время можно, не торопясь, и породить фотон, и воздействовать на него, и «просканировать» его состояние (как это сделать, будет рассказано ниже). Главное, фотоны перешли в категорию «частиц», долго живущих внутри экспериментальной установки, «частиц», над которыми уже можно проводить разнообразные опыты.

Квантовая электродинамике в резонаторе

И вот тут в этой истории появляется «вираж», очень характерный для современной физики. Создание высокодобротных резонаторов - такое, казалось бы, совершенно техническое достижение - открыло перед физиками новый раздел фундаментальной физики - квантовую электродинамику резонатора (по-английски cavity quantum electrodynamics , CQED ). Это позволило поставить такие опыты с фотонами, которые буквально «прощупывали» самые основы квантовой физики и позволяли по-новому изучать загадочный переход между квантовым и классическим поведением частиц (см. обзорную статью: Г. Вальтер. Одноатомный мазер и другие эксперименты квантовой электродинамики резонатора // УФН 166, 777 (1996)).

Один из ярких примеров таких экспериментов, выполненный в группе Сержа Ароша, - экспериментальная демонстрация того, что время жизни единичного возбужденного атома можно сильно изменить, поместив его в такой резонатор.

Постановка опыта проста, а результат, на неискушенный взгляд, просто удивительный. Между двумя зеркалами пустого резонатора (то есть без фотонов внутри) пролетает атом, находящийся в возбужденном состоянии. Вообще, возбужденные атомы нестабильны, и через небольшое время электрон в нём прыгает на более низкий уровень, излучая при этом фотон. Казалось бы, это спонтанное излучение - сугубо внутриатомный процесс, и время жизни возбужденного состояния - собственная характеристика атома. Однако оказывается, что пролетая сквозь пустой резонатор, атом может ускорить или, наоборот, замедлить процесс «высвечивания» фотона!

Я предлагаю еще раз вдуматься в эту ситуацию. Возбужденный атом находится в пустоте, его никто не «трогает» (стенки резонатора удалены от атома на сантиметр!), мы на него не воздействуем никакими внешними электромагнитными полями. Мы всего лишь ограничиваем вакуум вокруг него - и этого уже достаточно, чтобы помешать или, наоборот, поспособствовать излучению фотона.

С точки зрения житейской интуиции - ситуация совершенно необыкновенная. Мы привыкли, что результат может вызвать только прямое воздействие на объект: либо через непосредственное соприкосновение с ним, либо через силовые поля. А тут получается так, словно мы запрещаем или «поощряем» распад, вообще не воздействуя на атом!

Разгадка этого кажущегося парадокса состоит в том, что квантовые объекты нелокальны , неточечны. Конкретно, когда атом излучает фотон, то этот фотон вовсе не вылетает прямо из атома (рис. 3). Оптический фотон вообще невозможно локализовать с атомной точностью. Именно поэтому атомы и молекулы не видны в оптический микроскоп, а также именно поэтому бессмысленно спрашивать, например, из какой части сложной молекулы (скажем, молекулы красителя) вылетает фотон при излучении. Фундаментальная причина этого состоит в том, что электромагнитное взаимодействие довольно слабо, так что постоянная тонкой структуры - маленькая величина.

Правильнее процесс излучения представлять себе так, словно фотон появляется сразу в некотором объеме вокруг атома и затем расширяется во все стороны (рис. 3). Этот объем на порядки больше, чем объем самого атома, и он увеличивается еще больше при увеличении длины волны фотона, то есть при уменьшении разницы между энергетическими уровнями, между которыми произошел переход. Поэтому если какие-то посторонние предметы находятся в этом объеме, за которые может «зацепиться» будущий фотон, то они могут изменять скорость его излучения.

В опытах Ароша использовались особые, сильновозбужденные атомы (это так называемые ридберговские состояния атома). В них разница между энергетическими уровнями, между которыми идет переход, так мала, что длина волны излученного фотона составляет вполне макроскопическое значение - миллиметры и сантиметры. Хотя атом сам по себе и крошечный, но когда он «пытается» излучить фотон, он «прощупывает обстановку» в сантиметровом объеме.

Резонатор, использованный Арошем, был сопоставимого размера, и это позволяло ему влиять на скорость распада. Например, в совсем маленьком резонаторе излученный фотон просто не поместился бы - и уже один этот факт предотвращает его излучение, стабилизирует возбужденное состояние. Если же размер резонатора подобрать так, чтоб фотон ровненько в него вписывался, то атому будет даже удобнее излучить такой фотон, вероятность излучения резко возрастает (рис. 4).

Справедливости ради надо сказать, что этот эффект вовсе не был для физиков сюрпризом. Такое поведение было теоретически предсказано Эдвардом Пёрселлом еще в 1946 году, а первые экспериментальные намеки на такое поведение появились в начале 70-х годов. Правда, тогда речь шла об излучении молекул, расположенных между двумя плоскими зеркалами, и эффект был довольно «грязным». Серж Арош и его сотрудники добились гораздо более сильного и чистого эффекта: в их статье 1983 года сообщается о примерно пятисоткратном (!) ускорении излучения фотона. Еще раз почувствуйте изюминку: свечение усилилось только за счет того, что мы правильным способом ограничили пространство в вакууме вокруг излучателя!

Спустя четыре года эффект был продемонстрирован сразу несколькими исследовательскими группами и в оптическом диапазоне, причем как в сторону усиления, так и ослабления излучения в десятки раз. Без преувеличения можно сказать, что началась эпоха манипулирования темпами внутриатомных процессов. Описание ситуации по состоянию на 1989 год можно найти в Ароша и Клеппнера в журнале Physics Today . А группа Сержа Ароша тем временем двинулась дальше...

Подсчет фотонов и фейерверк результатов

Когда речь идет об экспериментах с одной или несколькими частицами, возникает естественный вопрос: как можно измерить количество частиц? Для электронов, скажем, ответ простой: надо измерить электрический заряд объекта и поделить на заряд одного электрона. А как измерить, сколько фотонов «застряло» между зеркалами резонатора?

Проблема с фотонами в том, что они легко поглощаются. Если фотонов огромное число, то это несущественно - именно так измеряют напряженность классического электрического или магнитного поля пробными зарядами. Но когда фотонов мало, поглощать их нехорошо - это полностью меняет состояние измеряемого объекта. Может быть, можно без этого как-то обойтись? Оказывается, да. В квантовой механике вовсе не все измерения меняют состояние системы; существуют так называемые квантовые неразрушающие измерения (по-английски quantum non-demolition measurements ), которые умудряются без этого обойтись (этот тип измерений, кстати, предложил советский физик Владимир Брагинский).

Практическая польза от сверхточного стандарта частоты в том, что он позволяет замечать и использовать для практических целей исключительно слабые физические эффекты. Ярким примером тут является еще одна двухлетней давности, благодаря которой эффект общей теории относительности (!) может найти применение в геодезии и гидрологии (!) благодаря использованию сверхточных атомных часов. Дело тут в том, что, согласно общей теории относительности, время течет по-разному в гравитационном поле разной напряженности. При удалении от поверхности Земли гравитационное поле начинает ослабевать, и поэтому скорость хода часов, расположенных на разной высоте, будет отличаться. Группа Вайнленда сообщает, что ей удалось заметить это расхождение при разнице высот меньше 1 метра!

Такая тесная связь между разными разделами физики и их неожиданный выход на практические приложения - характерная черта современной науки. И если уж говорить о практической пользе фундаментальной физики , то работы нынешних нобелевских лауреатов лишний раз подтверждают справедливость тезиса: с помощью фундаментальной науки мы находим и используем на практике новые природные явления , до которых мы бы просто не смогли догадаться сами, застряв в рамках «инновационных» или «рационализаторских» предложений, основанных на старой физике.

Литература и ссылки:

Ключевые статьи Сержа Ароша:

• P. Goy, J. M. Raimond, M. Gross, and S. Haroche. Observation of Cavity-Enhanced Single-Atom Spontaneous Emission // Phys. Rev. Lett. 50, 1903 (1983).
• W. Jhe, ..., S. Haroche. Suppression of spontaneous decay at optical frequencies: Test of vacuum-field anisotropy in confined space // Phys. Rev. Lett. 58, 666 (1987).
• M. Brune, ..., S. Haroche. Realization of a two-photon maser oscillator // Phys. Rev. Lett. 59, 1899 (1987).
• M. Brune, ..., S. Haroche. // Phys. Rev. Lett. 77, 4887 (1996).
• S. Gleyzes, ..., S. Haroche. Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity // Nature 446, 297 (15 March 2007).
• S. Deleglise, ..., S. Haroche. // Nature 455, 510 (25 September 2008).

Ключевые статьи Дэвида Вайнленда:

• D. J. Wineland, R. E. Drullinger, and F. L. Walls. Radiation-Pressure Cooling of Bound Resonant Absorbers // Phys. Rev. Lett. 40, 1639 (1978).
• D. J. Wineland and Wayne M. Itano. Spectroscopy of a Single Mg + Ion // Phys. Lett. A 82, 75 (1981).
• F. Diedrich, J. C. Bergquist, W. M. Itano, and D. J. Wineland. Laser Cooling to the Zero-Point Energy of Motion // Phys. Rev. Lett. 62, 403 (1989).
• Resolved-Sideband Raman Cooling of a Bound Atom to the 3D Zero-Point Energy // Phys. Rev. Lett. 75, 4011 (1995).
• C. Monroe, ..., D. J. Wineland. Demonstration of a Fundamental Quantum Logic Gate материалы конференции Atoms, Cavities and Photons , посвященной 65-летию Сержа Ароша, которые содержат интересные обзоры истории развития этой области физики.

«Их исследования позволили ответить на ряд базовых вопросов физики, таких как когерентность. Самые точные часы в мире в мире созданы с помощью работ сегодняшних лауреатов, а в будущем, возможно, на этих принципах получится построить работу квантовых компьютеров, скорость которых будет неизмеримо выше всех существующих вычислительных машин, — говорится в сообщении Нобелевского комитета. — Серж Арош и Дэвид Вайнленд независимо друг от друга создали и развили методы манипуляции отдельными частицами, сохранив их квантово-механическую природу так, как ранее считалось просто невозможным. Они открыли дверь в новую эру экспериментов в квантовой физике, предложив прямые методы наблюдений индивидуальных квантовых частиц без их разрушения. В школе нас учат тому, что квантовые частицы имеют двойную корпускулярно-волновую природу и в квантовом мире законы классической механики не работают, нужно применять квантовые методы. Однако отдельные частицы не так просто выделить из окружающей среды, и они теряют «таинственные» квантовые свойства, соприкасаясь с внешним миром. Именно поэтому ряд аномальных явлений, предсказанных квантовой физикой, никак не удавалось наблюдать напрямую, и исследователям приходилось изобретать косвенные эксперименты, которые давали базовое подтверждение теоретическим предсказаниям.

Арошу и Вайнленду удалось придумать оригинальные методы, позволяющие измерять и контролировать очень неустойчивые квантовые состояния, «поймать» которые напрямую считалось невозможным.

Два независимо разработанных метода имеют много общего. Дэвид Вайнленд заключал в «ловушку» заряженные атомы (ионы), управляя ими и измеряя их параметры с помощью света, то есть фотонов. Серж Арош пошел в обратном направлении: измеряемыми в ловушке оказались фотоны (частицы света), которые оказались там при прохождении сквозь нее атомов.

Оба лауреата работают в области квантовой оптики и занимаются изучением фундаментальных взаимодействий света и материи — эта область переживает бурное развитие с середины 1980-х годов. Их новаторские методы позволили всем работающим в квантовой оптике ученым сделать первые шаги к созданию нового типа супербыстрых компьютеров — квантовых компьютеров, работающих на особенностях квантовой природы частиц. Квантовые компьютеры, возможно, изменят нашу повседневную жизнь уже в этом столетии также кардинально, как это сделали обычные компьютеры в столетии предыдущем. Еще один результат их работ — создание сверхточных часов, которые в будущем могут стать основой нового стандарта времени, в сто раз более точного, чем современные цезиевые часы».

Сразу после объявления имен лауреатов на пресс-конференции Нобелевский комитет дозвонился до одного из них, Сержа Ароша.

— Я счастлив, — сказал лауреат. — Двадцать минут назад мне сказали, что я получил премию. Я в этот момент шел по улице вместе с женой, и, узнав о премии, я был так удивлен, что вынужден был присесть на первую попавшуюся скамейку. Это просто невероятно.

— Как отпразднуете это событие?

— Еще даже не знаю. Может быть, открою бутылочку шампанского.

— Один из результатов вашей работы — это возможность создания квантовых компьютеров. Как вы думаете, когда эти устройства будут созданы?

— Не знаю точно, мы пока изучаем такую возможность, пытаемся понять, как все происходит на уровне частиц.

Нам предстоит решить много различных проблем для создания квантовых компьютеров. Я в основном был сконцентрирован на теоретических исследованиях, и практическое применение не было для меня самым важным фактором.

Использование квантовых систем - сложный вопрос, и физикам предстоит много узнать о них. Может, это будут не компьютеры, а квантовые симуляторы, какие-то квантовые коммуникации.

— Еще одно применение результатов вашей работы и вашего коллеги, Дэвида Вайнленда, это сверхточные часы. Какое можно будет найти им применение?

— Мои коллеги работают над этим. Существует очень много вариантов применения этих сверхточных часов. С их помощью можно измерять гравитацию, гравитационное поле, использовать их для предотвращения землетрясений. Также им можно найти применение в области фундаментальной физики, например, для проверки теории относительности или для объяснения многих еще необъясненных явлений. Еще их можно использовать в космосе, например, в экспериментах на Международной космической станции.

— Думали ли вы, что получите ?

— Многие люди заслуживают премии, и потому возможность получения премии очень мала. Я старался особо не ждать этого, особо об этом не думать. Тем более я не ожидал, что получу премию в этом году. Я очень рад, что премия присуждена также и Дэвиду Вайнленду, он замечательный ученый.

В ходе разговора с лауреатом возникали проблемы с телефонной связью, так что представитель Нобелевского комитета, завершая пресс-конференцию, выразил надежду, что вскоре для звонков будет использоваться «квантовый телефон и связь будет лучше».

По версии агентства Thompson Reuters, в области физики несомненным фаворитом этого года являлись работы по открытию и экспериментальному подтверждению квантовой телепортации (подробнее об этом эффекте можно ). Премию должны были разделить Чарльз Беннетт из IBM, Жиль Брассар из Университета Монреаля и Уильям Вуттерс из колледжа Уильямс (Массачусетс, США).

Среди других претендентов значились один из пионеров оптоэлектроники, обнаруживший эффект фотолюминесценции в пористом кремнии , Ли Кэнхэм из Университета Бирмингема (Великобритания), а также авторы работ по «медленному свету» (замедлению световых импульсов в облаке ультрахолодных атомов натрия) Стивен Харрис из Стэнфордского университета (Калифорния) и Лене Хау из Гарвардского университета (Массачусетс, США).

Упоминалось и главное физическое открытие этого года — частица, подобная . Однако коль скоро результаты пока не подтверждены с необходимой точностью, эксперты (и Нобелевский комитет) сошлись на том, что бозон Хиггса — тема премии уже 2013 года.

Задачи централизованного тестирования по физике 2012 г. (оценочный вариант)
Вариант 1.
Часть А.

 А1. Каким прибором измеряют силу электрического тока в цепи? [решение ]
 1) вольтметром;
 2) термометром;
 3) амперметром;
 4) секундомером;
 5) динамометром.

 A2. Движение двух тел задано уравнениями х 1 = (15 + 2t 2) м и х 2 = (19 − 2t 2) м , где t − время в секундах. Найти координату их встречи. Через какой промежуток времени тела будут иметь одинаковую координату? [решение ]
 1) 16 м и 1 с;
 2) 17 м и 1 с;
 3) 17 м и 0,5 с;
 4) 16 м и 0,5 с;
 5) 18 м и 0,5 с.

 А3. Траектория равномерного движения улитки представляет собой равносторонний треугольник. Если улитка проползла по одной стороне треугольника со средней скоростью v ср1 = 1,5 мм/с , по другой стороне − v ср2 = 1,0 мм/с , по третьей стороне v ср3 = 1,5 мм/с , то средняя скорость улитки по всей траектории равна… [решение ]
1) ≈ 1,1 мм/с;
2) ≈ 1,2 мм/с;
3) ≈ 1,3 мм/с;
4) ≈ 1,4 мм/с;
5) ≈ 1,5 мм/с.

 А4. На рисунке изображены три силы, которые подействовали на тело массой 1 кг , покоящееся в инерциальной системе отсчета. Если одна клеточка соответствует силе 10 Н , то тело тело будет двигаться … с модулем ускорением … [решение ]
 1) по направлению силы F 2 , 10 м/с 2 ;
 2) по направлению силы F 3 , 5 м/с 2 ;
 3) по направлению силы F 1 , 10 м/с 2 ;
 4) против направления силы F 2 , 10 м/с 2 ;
 5) тело будет покоится, 0 м/с 2 .

 А5. Камень, брошенный горизонтально с начальной скоростью v o = 15 м/с , упал на землю со скоростью v = 25 м/с . Сколько времени длился полет тела?
 1) 0,5 с;
 2) 1 с;
 3) 1,5 с;
 4) 2 с;
 5) 2,5 с.

 А6. Первоначально в сообщающихся сосудах находится ртуть (см. рисунок). После того как в узкий сосуд наливают столб воды высотой 68 см ртуть поднимается в широком сосуде на … мм ? Плотность ртути равна 13,6 × 10 3 кг/м 3 , плотность воды 1,0 × 10 3 кг/м 3 . [решение ]
 1) 1; 2) 10; 3) 100; 4) 25; 5) 5.

 А7. Во время процесса, производимого с одним молем идеального газа, были измерены следующие макропараметры:

 А8. На диаграмме зависимости давления от температуры изображены состояния некоторого вещества. В каком состоянии молекулы вещества обладают наибольшей средней кинетической энергий? [решение ]
 1) 5; 2) 4; 3) 3; 4) 2; 5) 1.

Часть В.
 В1. Диаметр колеса велосипеда d = 70 см , ведущая зубчатка имеет Z 1 = 48 зубцов , а ведомая Z 2 = 18 зубцов . С какой скоростью (в км/ч) движется велосипедист на этом велосипеде при частоте вращения педалей n = 1 об/с ? [решение ]
 Сборник задач по физике А.П. Рымкевич №102


 В2. Если автомобиль массой m = 2 т буксируется с помощью троса жесткостью k = 100 кН/м с ускорением a = 0,5 м/с 2 , то удлинение троса равно … см . Трением пренебречь. [решение ]

 В3. На дне сосуда лежит шарик с радиусом R = 10 см , изготовленный из некоторого вещества с плотностью ρ o . В сосуд наливают жидкость с плотностью ρ 1 = 1000 кг/м 3 до уровня равного радиусу шарика. Затем в сосуд наливают жидкость с плотностью ρ 2 = 800 кг/м 3 так, чтобы жидкости не смешивались и граница не перемещалась. Оказалось, что после того, как шарик скрылся под поверхностью жидкости, давление его на дно сосуда обратилось в нуль. Чему равна плотность шарика. [решение ]

 В4. В шар массой M = 250 г , висящий на нити длиной l = 50 см , попадает и застревает в нем горизонтально летящая пуля массой m = 10 г . При какой минимальной скорости пули шар после этого совершит полный оборот в вертикальной плоскости? [решение ]

 В5. Моль одноатомного идеального газа переводится из состояния 1 в состояние 3 путем изобарического нагрева 1 − 2 и изохорического охлаждения 2 − 3 . На участке 1 − 2 газ совершает работу А = 1250 Дж . В процессе всего перехода 1 − 2 − 3 газ получает суммарное (алгебраическая сумма) количество теплоты Q = 750 Дж . Если сумма температур T 2 + T 3 = 740 К , то в 1-м состоянии температура равна … К . Универсальную газовую постоянную принять равной R = 8,3 Дж/(моль × К) . [решение ]

 В6. Два свинцовых цилиндра, нагретых до температуры t 1 = 18 °C и t 2 = 90 °C , привели в контакт. Если пренебречь теплообменом с окружающей средой, то при установлении теплового равновесия цилиндры будут иметь температуру равную … оС. Удельная теплоемкость свинца с = 120 Дж/(кг × °С) , плотность свинца ρ = 11300 кг/м 3 . [решение ]

 В7. При испытании тепловой машины, работающей по циклу Карно, была получена зависимость температуры нагревателя и холодильника от времени. Максимальный КПД тепловой машины равен … %. [решение ]

 В8. Три равных по величине и знаку заряда q = 1 нКл расположены в вакууме вдоль прямой на одинаковых расстояниях L = 20 см друг от друга. Модуль напряженности электрического поля, созданного этими зарядами, в точке С (см. рис.) равен … В/м . [решение ]

 В9. Источник с ЭДС 2,2 B и внутренним сопротивлением 1 Ом замкнут медной проволокой, масса которой 30,3 г . Сопротивление проволоки равно внутреннему сопротивлению источника. На сколько градусов нагреется проволока за 5 мин , если удельная теплоемкость меди равна 378 Дж/(кг.К )? [решение ]

 B10. Кольцо диаметром d = 6 мм , сделанное из очень тонкой проволоки с удельным сопротивлением ρ = 2 × 10 −8 Ом × м и плотностью D = 9 × 10 3 кг/м 3 , пролетает по прямой между полюсами магнита, не успев при этом повернуться. Оцените изменение скорости кольца, если его скорость перед пролетом была v o = 20 м/с . Магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости кольца, вектор скорости кольца параллелен плоскости кольца. Зависимость магнитной индукции поля от координаты х (вдоль которой движется кольцо) приведена на рисунке, где В о = 1 Тл , а = 10 см . [решение ]

 В12. Дифракционная решетка содержит 200 штрихов на каждый миллиметр. На решетку нормально падает монохроматический свет с длиной волны 5750 ангстрем. Под каким углом виден наибольший порядок спектра. [решение ]

Воспроизведение всей книги (теста) или любой ее (его) части запрещается без письменного разрешения издательства. Любые нарушения будут преследоваться в судебном порядке.
 К большому сожалению, учителей и не только физики, за публикацию оригинальных заданий репетиционных, итоговых централизованных тестирований, преследуют в судебном порядке.
 Оригинал тестов Вы найдете в Сборнике тестов. Физика. Минск «Аверсэв» 2012. Для всех заинтересованных лиц: на сайте сайт Вы не найдете оригинальных заданий официального тестирования, не тратьте время, но кто мешает нам найти похожие задачи из открытых источников, сборников задач, различных пособий. Задачи, которые размещены выше по своей сути помогают разобраться и понять уровень сложности заданий, предложенных абитуриентам на официальном тестировании по физике в 2012 г .

Серж Арош и Дэвид Дж. Винланд удостоены Нобелевской премии по за разработку методов измерения и манипулирования одиночными частицами без разрушения их квантовых свойств. Арош «ловит» фотоны, измеряет и контролирует их квантовые состояний при помощи атомов. Винланд же держит ионы в ловушке и управляет ими светом.

Однофотонный контроль

Серж Арош и его коллеги разработали эксперимент по изучению микроволнового света в ловушке между двумя зеркалами (резонатор). Они показали, что квантом света, фотоном, можно управлять с поразительной точностью.

Свет обычно обнаруживается путем разрушения: например, датчик света, называемый фотодиодом, генерирует электрический импульс при поглощении фотона. Но группа Арош смогла зарегистрировать интенсивность света с помощью неразрушающего метода, в котором атомы, пролетающие через ловушку с фотонами не взаимодействуют с последними, а являются своеобразными зондами их состояния. С квантовой точки зрения каждой частице, здесь это атом, соответствует определенная длина волны. В данном случае после прохождения ловушки атом менял фазу своего квантового состояния, что свидетельствовало о наличии фотона между зеркал. Когда в эксперименте используются водородоподобные , так званые ридберговские атомы, метод становится достаточно чувствительным для обнаружения одного фотона и регистрации его смерти – поглощения зеркалом . Таким образом, появилась возможность считать фотоны без их разрушения. Комманда Ароша также подготовила эксперимент, в котором фотоны находились в состоянии «кота Шредингера», а точнее в состоянии суперпозиции и наблюдали как это состояние меняется при поглощении фотонов в резонаторе.

Экспериментатор, Дэвид Винланд стал первым, кто использовал электромагнитные устройства, известные как ловушки Пола, для захвата ионов в ловушку для квантовой метрологии. В ходе работы, он разработал множество новаторских экспериментальных методов что с тех пор стали стандартными средствами манипуляций с отдельными атомами. Вооруженный эффективной технологией одноатомного детектирования вместе с лазерным охлаждением с целью привести ион до самой низкой энергией колебательного состояния, Винланд проводит сверхвысокоточную спектроскопию одиночных ионов. Примечательно, что именно с этой технологией, он заложил основу для беспрецедентного контроля над электронными и поступательными степенями свободы иона с возможностью создания таких суперпозиционных состояний, существование которых возможно лишь в резонаторе посредством взаимодействия света и вещества.

Эти работы вывели современную науку на новый уровень и приблизили нас на огромный шаг к созданию квантового компьютера. Уже сейчас осуществлена передача информации (квантового состояния) между 14 ионами, заключенными в ловушку, представленную Винландом. Кроме того, практическим применением вышеупомянутых открытий также стали сверхточные часы с точностью хода 10–17 Это сделает возможным регистрацию очень слабых физических эффектов и их дальнейшее практическое применение.