Не линяет только лазерный зайчик

Излучение лазеров – самый удобный объект для исследований удивительных квантовых эффектов.
Фото Reuters

Похоже, нынешние физики-экспериментаторы восприняли знаменитую гетевскую строчку - "Остановись, мгновенье, ты прекрасно!" - именно как руководство к действию. Речь идет об экспериментах по записи световой информации. Остановить мгновенье - это буквально и означает остановить луч света. Или - поток фотонов. (Между прочим, гениальный автор "Фауста" - Гете сам себя называл "человеком глаз", а, пожалуй, самый известный труд из его 13-томного естественнонаучного наследия - "Учение о цвете".)

Агентство АР распространило информацию, которая вполне может претендовать на статус сенсации. Исследователи Гарвардского университета (США) разработали уникальную методику "остановки" света. Что должно немного греть национальное самолюбие - автором идеи и руководителем проекта стал наш соотечественник, выпускник Московского физико-технического института Михаил Лукин. Вот как он сам объяснил идею эксперимента.

"Представьте себе обычный луч, направленный на какой-нибудь предмет, - рассказывает Лукин. - Импульс света вступает во взаимодействие с атомами, они возбуждаются, излучают энергию. Потом она теряется - в виде тепла, свечения. Так вот, мы приготовили специальную среду из сверхохлажденных паров рубидия. Затем с помощью контрольного лазера сделали ее проницаемой для электромагнитных волн. На нее и был направлен импульс света. Когда он достиг среды, мы отключили контрольный лазер. Импульс замедлился до нуля, фотонов не стало. Но информация сохранилась внутри возбужденной сверхохлажденной среды. И если опять включить контрольный лазер, тот же импульс продолжит свое движение с прежней скоростью".

Просто и красиво! Буквально: созданы условия, при которых лазерный луч как бы отдает всю информацию о себе сверхохлажденным - причем с помощью лазерного же луча! - атомам рубидия. Эта информация хранится в таком состоянии некоторое время, а затем с помощью еще одного "касания" лазерным лучом вновь преобразуется в первоначальный луч света.

Но за этой простотой - глубокое понимание квантовомеханических закономерностей.

"Речь идет о мгновенной (наносекунды, 10^-9 сек.) записи информации на квантовом уровне в среде, которая способна хранить эту информацию в течение секунды, - прокомментировал полученные данные в беседе с корреспондентом "НГ" крупнейший в мире авторитет по лазерной физике, руководитель Лаборатории лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН Владилен Летохов. - Это очень большое время в масштабе внутриатомных времен. Поэтому научный эксперимент профессора Лукина из Гарвардского университета в лаборатории, которая создана двумя научными гигантами - Гарвардским университетом и Массачусетским технологическим институтом, - имеет важное значение для квантовой и когерентной оптики и ее будущих применений в квантовых коммуникациях, квантовых компьютерах и т.д.".

Тут надо заметить, что "остановка лазерного света" - это условный термин. В научной литературе он обычно не употребляется. Ведь фотон - это элементарная частица с нулевой массой, и потому он движется безостановочно. Когда говорят об "остановке света", то в действительности имеют в виду такую запись информации о световом луче в специально приготовленном неравновесном состоянии вещества, которая позволяет по требованию извлечь эту информацию в первозданном виде, то есть полностью восстановить исходный световой луч при воздействии контрольного светового луча.

Профессор Летохов раскрыл и некоторые экспериментальные ноу-хау работы группы Михаила Лукина.

Специальной средой для "остановки света" служило облако глубоко охлажденных (до единиц микроКельвина) лазерным излучением атомов рубидия (Rb). На них и воздействовал первоначально контрольный лазерный луч, переводивший атомы Rb в так называемую суперпозицию квантовых состояний. Подобное состояние сохранялось в эксперименте Лукина в течение секунды, тогда как в обычных условиях подобное связанное (или, как говорят физики, - когерентное) состояние становится случайным уже в течение нано-пикосекунд (10^-9 - 10^-12 сек.). Но в ультрахолодных условиях разрушающее эту когерентность взаимодействие чрезвычайно ослаблено.

"Такого рода эксперименты стали возможны благодаря развитию физики ультрахолодных атомов, основанной на охлаждении атомов лазерным излучением, - подчеркивает профессор Летохов. - Ультрахолодная атомная среда после воздействия первоначального контрольного луча автоматически замедляет групповую скорость света (но не самих фотонов!) до ничтожно малых скоростей, что и создает иллюзию "остановки света".

Но что такое эта секундная "остановка" луча света? Вдумаемся. Да ведь это же не что иное, как реализованная в "железе" машина времени, способная вернуть нас назад во времени на целую секунду! Пока на секунду. Даже голографические фокусы бледно выглядят по сравнению с такой возможностью.

Естественно возникает вопрос: а можно ли "заморозить" световой луч на время большее, чем одна секунда? (Более строго: сколь долго может храниться когерентное состояние сверхохлажденной среды?) Ведь в случае положительного ответа - даже страшно представить себе! - зафиксированные, например, сегодня события, предметы, люди могли бы буквально оживать по нашему желанию через десятки, сотни, а может быть, и тысячи лет в своем первозданном виде.

"Законов, запрещающих это, нет, - подчеркнул в беседе с корреспондентом "НГ" Владилен Летохов. - Когерентность квантовых систем исчезает со временем, но потом она может восстанавливаться. Сейчас больше секунды хранить такое состояние нельзя, но я не могу утверждать, что это в принципе невозможно. Квантовая физика это не запрещает".

По мнению Летохова, на эксперименты по "остановке света" можно взглянуть, рассматривая всю почти двухвековую историю записи световой информации.

"В этом подходе, к которому относятся пионерские эксперименты профессора Михаила Лукина, можно мгновенно записывать абсолютно всю информацию о световом луче и столь же быстро, "по требованию" контрольного лазерного луча, - считывать эту информацию в виде полностью "восстановленного" первоначального лазерного луча, - считает Владилен Летохов. - Это можно условно интерпретировать как "остановку" или "затормаживание" света. Мне представляется, что такие исследования приведут в будущем к принципиально новым применениям в лазерной и атомной физике, в проблемах квантовой информации и квантовых компьютеров".