Читать «Журнал «Компьютерра» №37» онлайн - страница 20

В начале прошлого века благодаря работам Макса Планка и Альберта Эйнштейна стало понятно, что свет в ряде случаев нужно описывать как поток частиц - фотонов или квантов энергии. Долгое время эти представления противоречили классической волновой электродинамике Джеймса Максвелла, что получило известность как корпускулярно-волновой дуализм.

Это глубокое противоречие было разрешено лишь после Второй мировой войны в результате создания квантовой электродинамики, легшей в основу физики элементарных частиц. Однако для описания оптических явлений квантовая электродинамика долго оставалась невостребованной. Лишь с появлением чувствительных фотодетекторов, способных регистрировать отдельные фотоны, и лазеров, генерирующих когерентный свет, статистические свойства которого резко отличаются от свойств света традиционных тепловых источников, в оптике возникли проблемы. В конце пятидесятых были проведены первые эксперименты, которые уже нельзя было объяснить при классическом понимании электромагнитного поля (хотя даже для описания работы лазера его вполне достаточно).

Проблемы были решены вместе с созданием квантовой оптики, объяснившей статистические закономерности оптических измерений, которые носят квантовую природу. В числе прочего законы квантовой оптики устанавливают предел точности экспериментов, ограниченный принципиально непреодолимыми квантовыми шумами электромагнитного поля.

Начиная с семидесятых годов квантовая оптика лежит в основе большинства работ, позволяющих прикоснуться к фундаментальным основам самой квантовой теории. А в последние годы именно благодаря успехам квантовой оптики появилась квантовая криптография, которая кодирует секретную информацию в состояниях отдельных фотонов, передаваемых по обычному оптоволокну.

Два других лауреата - Джон Холл [2] и Теодор Хенш [3] - много лет успешно работали над созданием лазеров с предельно высокой стабильностью частоты. Их детища послужили технической основой для многих сверхточных физических измерений. Например, в 1983 году был введен новый эталон метра, который определили, постулировав точное значение скорости света и тем самым жестко привязав эталон длины к эталонному времени цезиевых атомных часов. Благодаря усилиям этих ученых точность измерения частоты удалось довести до пятнадцати знаков.

Выдающееся достижение Холла и Хенша последних лет - метод гребенки оптических частот - позволил «привязать» оптические частоты излучения лазеров порядка 1015 Гц к цезиевому эталону времени, работающему с частотой 9,2 ГГц (разница в пять порядков по частоте создавала огромные технические проблемы). Линейчатый спектр лазерных импульсов похож на частую и острую гребенку, которая покрывает весь видимый спектр (что и дало название методу). Хитрый трюк позволяет получить из гребенки биения радиочастоты и сравнить их с цезиевым эталоном. Благодаря этому, точно вычисляется частота каждого из ее зубьев. Этот элегантный метод уже позволяет выпускать коммерчески доступные эталонные излучатели, умещающиеся на лабораторном столе. Дальнейшее развитие метода и переход к аттосекундным импульсам обещает в ближайшие годы повышение точности еще на три порядка и достижение рентгеновского диапазона энергий.