Известные физики мира дали оценку разработкам казанских ученых-физиков

Ряд статей казанских физиков получили высокую оценку научного сообщества.

16 марта 2014 года в журнале Nature вышла статья "Coherent control of the waveforms of recoilless gamma-photons" (Advance Online Publication http://dx.doi.org/10.1038/nature13018). 

Одновременно редакция журнала поместила в разделе "News" заранее подготовленную заметку журналистки Элизабет Гибний (Elizabeth Gibney) "Выстраивание в порядок высоко-энергетичных однофотонных импульсов" ("High-energy photon pulses made to order"), в которой в популярной форме изложены результаты исследований, представленных в статье вместе с комментариями известных ученых.

 Следует отметить, что не каждая статья, публикуемая в журнале, получает сопутствующий популярный комментарий журналиста вместе с интервью известных ученых. Это, как правило, остается на выбор редколлегии.

Эта работа была также замечена одним из ведущих научных сайтов, принадлежащих IOP Physics World - the member magazine of the Institute of Physics . В результате 20 марта на сайте http://physicsword.com рядом с новостью века об обнаружении реликтового излучения была опубликована статья "Gamma-ray shaping could lead to nuclear quantum computers", в которой журналист Энди Бойлес (Andy Boyles) рассказал о разработке ученых Казанского федерального университета и Texas A&M University.

В авторский коллектив публикации в Nature вошли сотрудники КФУ и КФТИ КазНЦ РАН Фарит Вагизов и Рустэм Шахмуратов, а также Владимир Антонов, Евгений Радионычев – из Института прикладной физики РАН (Нижний Новгород), Ольга Кочаровская – Texas A&M University (США). Практически все авторы внесли существенный вклад в работу.

Доцент кафедры физики твердого тела Института физики КФУ Фарит Габдулхакович Вагизов рассказывает о поиске путей управления фотонами так:

– Мы начали поиск методов управления одиночными фотонами с 2007 года.  Шаг за шагом, мы продвигались к более глубокому пониманию процессов, происходящих в квантовом мире. Все яснее становилось, что контроль фотонов можно осуществлять подбором соответствующего резонансного поглотителя, через который пропускается излучение; либо возбуждая ультразвуковые осцилляции или быстро смещая поглотитель, как это делается в экспериментах по наблюдению гамма-эха.

Сначала мы экспериментально обнаружили существенное (в полмиллиона раз) уменьшение групповой скорости распространения однофотонного волнового пакета гамма излучения в протяженном образце с дублетной структурой в спектре поглощения (Phys.Rev. A, 2009, V.80, p.063805); исследовали особенности эффекта гамма-эха в образцах при разных отстройках частоты излучения от резонанса (Phys.Rev. A, 2011. V. 84, p.043820) и в композитных образцах (сэндвичах, состоящих из слоев поглотителя, которыми можно управлять по отдельности) (Phys.Rev. A, 2013, V. 87, p.013807).

Безусловно, эти комплексные исследования способствовали тому, что на данном этапе нам удалось продемонстрировать наиболее яркую возможность управления волновой формой фотонов с помощью механических колебаний поглотителя с вполне определенной частотой и амплитудой, которые приводят к созданию последовательности коротких гамма-импульсов на выходе из поглотителя (Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13018 ).

В работе впервые экспериментально продемонстрирована возможность превращения однофотонного волнового пакета гамма-излучения в последовательность коротких когерентных импульсов. Несколько слов о предмете исследования и полученных результатах сказал и доктор физико-математических наук, в.н.с. Шахмуратов Рустэм Назимович:

— В наших экспериментах одиночные гамма-фотоны с энергией 14,4 килоэлектронвольта испускаются в результате распада ядер кобальта -57, внедренных в металлическую матрицу для того, чтобы не было отдачи и спектр излучения оставался узким (см. рисунок1), — комментирует статью Рустэм Назимович. — Испускаемые однофотонные волновые пакеты имеют форму ступенчатого экспоненциально затухающего импульса (показан красной штрихованной линией на рисунке).

В квантовой информатике среди переносчиков квантовой информации (квантовых битов или сокращенно кубитов) часто предлагается использовать одиночные фотоны. Они должны переносить информацию между узлами квантовой сети, в которых эта информация будет храниться или обрабатываться. В качестве узлов квантовой сети предлагается использовать электроны или ядра, локализованные в атомах. Для успешного использования одиночных фотонов в квантовых сетях необходимо развитие методов управления фотонами и хранения информации, которую они переносят. Среди базовых элементов, с помощью которых совершаются эти операции, можно, например, отметить линии задержки с минимальными потерями, и устройства, которые расщепляют волновой пакет (волновую форму фотона) во времени на квантовые бины (их ещё можно назвать отдельными корзинками или временными стратами, в каждой из которых есть электромагнитное излучение). Такие квантовые бины часто называют временными кубитами (q-bins или time-bin qubits). Среди методов управления однофотонными состояниями излучения особое место занимают различные способы управления волновой формой фотона (photon shaping), так как они расширяют возможности кодирования и распределения квантовой информации в сети.

Опубликованная статья казанских ученых получила высокую оценку научного сообщества о перспективах данной разработки.

Так, Бернхард Адамс, Арагонская национальная лаборатория, Иллинойс, США (Bernhard Adams, Argonne National Laboratory in Illinois) считает, что:

—...эксперимент, выполненный с настольным источником излучения, в противоположность гигантских размеров синхротронным источникам, создающим импульсы большой мощности, хотя и выглядит в настоящее время диковинкой, но обладает потенциалом стать важным инструментом, позволяющим улучшить методы мессбауэровской спектроскопии для исследования химического состава вещества. …Поскольку синхротронное излучение обычно перегружает (ослепляет на время) детекторы, а также может привести к разрушению исследуемых образцов, создание источников слабого когерентного излучения позволит физикам контролируемо создавать как раз столько фотонов, сколько нужно. Технически это огромное преимущество.

Адриана Палфи (Adriana Palffi), Институт ядерной физики Макса Планка, Гейдельберг, Германия уверена в том, что "...когерентное гамма-излучение может быть использовано в квантовой криптографии и квантовой связи".

По ее мнению «в области квантовой связи гамма-фотоны могут иметь преимущество по сравнению с фотонами оптического или микроволнового диапазонов частот, так как они имеют намного большую энергию и поэтому их легче детектировать, а их более короткая длина волны позволяет работать на значительно меньших пространственных масштабах в веществе. Полученный в статье однофотонный волновой пакет в виде двух импульсов, разнесенных во времени, как раз демонстрирует такую возможность сделать перепутанными (в квантовом смысле) два макроскопических образца, содержащих резонансные ядра железа». Таким образом, «можно создать всем известную кошку Шредингера в классическом мире».

Ральф Ролсбергер (Ralf Rohlberger), проект DESY, Гамбург, Германия оценил исследования ученых:

— Это исследование впервые открывает возможность создания регулярных импульсов однофотонного излучения в гамма-области .... Хотя в гамма-области и существуют проблемы управления излучением с помощью обычных оптических средств (например, зеркал), тем не менее, предложенная технология имеет потенциал существенным образом повлиять и обогатить наше понимание фундаментальных аспектов взаимодействия света с веществом.

Кристоф Кайтель (Christoph Keitel), Институт ядерной физики Макса Планка, Гейдельберг, Германия:

— Эта работа является существенным достижением ... в востребованной области с большим числом серьёзных вызовов, среди которых можно отметить слабость излучения и малость сечения поглощения. Поэтому можно воздать должное абсолютно чистому и инновационному методу когерентного управления гамма-излучением, которое просто впечатляет.

                            Информация для людей, знакомых с квантовой оптикой

В работе впервые экспериментально продемонстрирована возможность превращения однофотонного волнового пакета гамма-излучения в последовательность коротких когерентных импульсов (см. рисунок1).

В наших экспериментах одиночные гамма-фотоны с энергией 14,4 кэВ испускаются в результате распада ядер кобальта 57, внедренных в металлическую матрицу для того, чтобы не было отдачи и спектр излучения оставался узким. Испускаемые однофотонные волновые пакеты имеют форму ступенчатого экспоненциально затухающего импульса (показан красной штрихованной линией на рисунке). Время затухания определяется временем жизни возбужденного 14,4 кэВ состояния ядра, которое равно 141 нс. В работе предложено пропускать это излучение через вибрирующий поглотитель, содержащий ядра железа 57 с одиночной линией поглощения. В эксперименте механические колебания поглотителя создавались с помощью пьезопреобразователя, колеблющегося с частотой 10 МГц. В системе координат движущегося поглотителя он видит излучение не с одиночной линией, а спектральную гребенку с периодом равным частоте колебаний. Амплитуды гармоник описываются квадратом функции Бесселя, порядок которой равен номеру гармоники, а аргумент равен индексу модуляции (отношению амплитуды колебания к длине волны излучения). При настройке в резонанс с первой гармоникой и при таком индексе модуляции, при котором эта гармоника имеет глобальный максимум, излучение на выходе из поглотителя превращается в последовательность коротких импульсов (показаны экспериментальными синими точками и сплошной красной линией, полученной из теоретической модели). Суть явления заключается в интерференции падающего и когерентно рассеянного излучения. В один полупериод колебаний интерференция конструктивна и мы имеем почти 2,5 кратное увеличение интенсивности излучения на выходе из поглотителя. В следующий полупериод интерференция деструктивна и интенсивность излучения падает почти до нуля. Возникающие импульсы когерентны, так как они обязаны своим появлением гребенчатой структуре излучения, взаимодействующего с движущимся поглотителем. Предложенный метод формирования импульсов имеет большие перспективы для различных применений в квантовой информатике (для создания временных кубитов, кутритов, и т.д., для создания перепутанных состояний нескольких частиц), а также для целей спектроскопии с коротким временным разрешением.

В работе также продемонстрированы возможности создания волновых пакетов с большим разнообразием форм  и в виде последовательности коротких гамма-импульсов с (см. рисунки ниже).

 Блок-схема экспериментальной установки

Одна из возможностей получения серии коротких импульсов, в которой сняты ограничения, накладываемые временным разрешением имеющейся экспериментальной аппаратуры (электроники и детекторов), показана на рисунке. Длительность импульсов существенно меньше полупериода колебаний поглотителя благодаря явлению интерференции. Временное разрешение можно существенно улучшить, используя более современную аппаратуру.

Автор благодарит за помощь в подготовке материала Фарита Габдулховича Вагизова и Рустэма Назимовича Шахмуратова.

Nature – один из ведущих мировых журналов, публикующий результаты исследований во всех областях науки, в которых, на взгляд редакции, современный уровень знаний существенно обогатился новыми идеями или ожидается прорыв в развитии новых технологий, методов и т.д.  В том числе, журнал публикует научно-популярные статьи, в которых простым языком излагаются самые последние достижения науки. Импакт-фактор (IF) журнала Nature - 38.597.