«Ощутить законы квантовой механики». В Сибири проходит конференция «Физика ультрахолодных атомов»

В Новосибирске проходит Всероссийская конференция с международным участием "Физика ультрахолодных атомов". Проходящее в Институте физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) мероприятие собрало специалистов в области квантовой информатики, лазерного охлаждения и спектроскопии ультрахолодных атомов. Практическое применение работ подразумевает создание квантовых компьютеров, атомных часов и квантовых сенсоров.

В работе конференции участвуют более 100 представителей научного сообщества из Москвы, Троицка, Дубны, Менделеево, Сколково, Санкт-Петербурга, Нижнего Новгорода, Воронежа, Снежинска, Красноярска, Иркутска, Новосибирска и Сан-Паулу (Бразилия). С устными докладами выступают и ведущие ученые, и молодые специалисты (39 человек), представляющие результаты научных групп из ИФП СО РАН, Института лазерной физики СО РАН (ИЛФ СО РАН), Института автоматики и электрометрии СО РАН (ИАиЭ СО РАН), Российского квантового центра, Физического института им П.Н. Лебедева РАН, Института спектроскопии РАН, Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехническихизмерений (ВНИИФТРИ) и других организаций.

«Физика ультрахолодных атомов» — 2024 организована ИФП СО РАН, ИЛФ СО РАН, ИАиЭ СО РАН, Новосибирским государственным университетом при финансовой поддержке ООО «Специальные системы. Фотоника», ООО «Научные приборы и системы», АО «ЛЛС», ООО «Нордлейз».

Ультрахолодные атомы, температура которых ниже одного милликельвина (что лишь на одну тысячную градуса Цельсия теплее абсолютного нуля) двигаются со скоростью нескольких сантиметров в секунду. В результате атомы можно захватывать и удерживать в оптических ловушках (оптических «пинцетах»), а также создавать их упорядоченные структуры. Такие атомы могут рассматриваться, например, в качестве кубитов квантового компьютера и, соответственно, есть возможность проводить исследования, необходимые для создания квантового компьютера и развития квантовой информатики.

С другой стороны, работа с ультрахолодными атомами позволяет уточнять фундаментальные параметры квантовых частиц и систем, создавать атомные часы, квантовые сенсоры, гравиметры — приборы прецизионной точности.

«Системы на основе ультрахолодных атомов позволяют проводить точные измерения без использования гигантских установок»

«Ультрахолодные атомы интересны не только тем, кто их изучает. Физика конденсированного состояния тоже любит сильное охлаждение ― вплоть до милликельвин, но работы с ультрахолодными атомами требуют более низких температур. После того, как атом удалось остановить с помощью лазерного излучения, появился лазерный пинцет, лазерные ловушки — научная жизнь в этой области забурлила.

Сейчас очень популярны квантовые технологии, это большое направление подразделяется на квантовые вычислительные системы, квантовые коммуникации, квантовую сенсорику и метрологию. Исследования во всех перечисленных сферах ведутся в научных учреждениях России. Развитие квантовых вычислительных систем происходит в тесной кооперации с ГК “Росатом”, квантовой криптографии ― с ОАО “РЖД”, прогресс в области квантовой сенсорики, метрологии тоже связывают с ГК “Росатом”. ИФП СО РАН, объединив усилия с другими институтами, ― в частности с ИЛФ СО РАН, под руководством ВНИИФТРИ успешно реализовывал проекты в области квантовой метрологии, сенсорики. Подобные коллаборации могут встроиться в программу дальнейшего развития отрасли.

Системы на основе ультрахолодных атомов позволяют проводить точные измерения и вести поиск новых взаимодействий буквально на лабораторном столе, без создания гигантских установок. Квантовые вычисления проявят себя в полной мере, когда будут реализованы на твердотельных платформах. Мы придем к компактности, миниатюрности систем, сможем использовать их в смартфонах, часах и других привычных нам устройствах», — отметил директор ИФП СО РАН академик Александр Васильевич Латышев.

Ученый пожелал собравшимся успешных докладов, продуктивных обсуждений и подчеркнул: «Важнее всего образовывать коллаборации и вместе решать задачи, потому что вместе пробиться легче».

Научный руководитель Института автоматики и электрометрии СО РАН академик Анатолий Михайлович Шалагин добавил, что исследования в области лазерного охлаждения, локализации атомов стали перспективным направлением мировой науки: «Более 40 лет оно не теряет своей актуальности, передовой позиции. Сообщения участников конференции показывают, что в нашей стране достижения в этой сфере весьма серьезны, и в отдельных случаях идут впереди мировой лазерной науки. Статус конференции — “всероссийская, с участием исследователей из других стран”. Она приобрела масштабный характер, остался один шаг, чтобы стать международной, и не приходится сомневаться, что ее участниками будут и дальше получены значимые результаты».

«Ощутить законы квантовой механики»

Директор Института лазерной физики доктор физико-математических наук Олег Николаевич Прудников напомнил, что именно ультрахолодные атомы позволяют «ощутить» законы квантовой механики — «вытянуть» их в классический мир.

«В прошлом столетии, когда родилась квантовая физика, она была невообразима для классического понимания. Необъяснимые в то время, а порой и противоречивые результаты, используются сегодня для построения квантовых сенсоров, стандартов частоты. Эти устройства позволят существенно улучшить точность получаемых научных результатов.

Физика ультрахолодных атомов позволяет строить новые сенсоры, которые применяются и для фундаментальных, и для прикладных исследований. Новые качественные результаты дают возможность проводить тесты принципов эквивалентности Эйнштейна, принципов эквивалентности свободного падения, гравитационного сдвига, Лоренц-инвариантности пространства. Проверка этих аспектов необходима для построения новой физики. Точность [измерений], которую мы получаем с помощью квантовых сенсоров, может открыть нам новую физику».

«На конференции очень много докладов по квантовой информатике»

Председатель конференции заведующий лабораторией нелинейных резонансных процессов и лазерной диагностики ИФП СО РАН член-корреспондент РАН Игорь Ильич Рябцев подчеркнул отличительную особенность мероприятия 2024 года:

«На текущей конференции очень много докладов по квантовой информатике — им отведено три секции, включая самую первую. Ранее численное преимущество было за докладами по лазерному охлаждению, стандартам частоты. Количество участников в сравнении с прошлым годом выросло в два раза, среди них большая доля молодых ученых.

Специалисты в области квантовой информатики делятся результатами не только теоретических, но и экспериментальных исследований. Открывал конференцию доклад Лианны Мажориной из Российского квантового центра. Исследовательница представила итоги эксперимента с цепочкой холодных захваченных ионов. Каждый ион — кубит, изучается возникающая квантовая динамика. Второе сообщение сделала Елена Якшина из нашей научной группы (ИФП СО РАН). Оно было посвящено манипуляциям с одиночным атомом, захваченным в ловушку: удалось впервые наблюдать осцилляции Раби при трехфотонном лазерном возбуждении одиночного атома. Андрей Корольков (ФИАН) рассказал о подготовке многокубитных состояний на ансамбле ультрахолодных ионов. Это лишь часть сообщений только на первой секции! Во второй и в третий день тоже много докладов от исследователей из РКЦ, ФИАН, Квантового центра МГУ, где раскрываются подробности экспериментальных работ».

И. И. Рябцев добавил, что не менее представительны и сообщения на секциях, посвященных квантовым сенсорам, стандартам частоты: «Например, Анастасия Семенко из Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений рассказала о работе научной группы для достижения высокой стабильности в мобильном стандарте частоты. Молодой специалист ИЛФ СО РАН Дмитрий Капуста представил сообщение о создании квантового гравиметра на основе ультрахолодных атомов рубидия. Научный коллектив, в котором работает Дмитрий, впервые в России наблюдал интерференцию атомов в виде волн де Бройля — это ложится в основу гравиметра».

Анастасия Семенко

Конференция «Физика ультрахолодных атомов» собралась в восемнадцатый раз с 2003 года, сформировавшись в масштабный симпозиум из небольшого научного семинара, посвященного результатам интеграционных проектов Сибирского отделения РАН. Исторически обусловлены и несколько организаторов, и цикличная смена места проведения — мероприятие проходит три года подряд на базе одного из институтов-организаторов, затем в следующем и так далее.

Фото Надежды Дмитриевой, предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН