Квантовая физика с паяльником

13 сентября 2012 г. (четверг) в рамках проекта «Публичные лекции "Полит.ру"» выступил Алексей Устинов, докт. физ.-мат. наук, профессор Физического института Технологического университета Карлсруэ, победитель конкурса мегагрантов 2011 года, руководитель лаборатории сверхпроводящих материалов МИСиС, член управляющего комитета Российского Квантового Центра.

Тема лекции: Квантовая физика с паяльником.

«Публичные лекции "Полит.ру"» проводятся при поддержке:

Лекция А. Устинова также проходила в партнерстве с Российским Квантовым центром.

Коротко о лекции:

В лекции речь пойдет об экспериментах со сверхпроводниковыми квантовыми цепями и устройствами. Из школьного курса про электричество мы знаем, что соединив в электрическую цепь катушку и конденсатор, мы получим колебательный контур, а проще говоря, электрический резонатор. Такие резонаторы используются во многих устройствах вокруг нас – радиоприемниках, компьютерах, мобильных телефонах. На первый взгляд, никакой квантовой физики в обычных резонаторах нет и быть не может. Однако около 10 лет назад были сделаны первые эксперименты, показывающие, что это не так. Как и всякая колебательная система, электрический резонатор обладает квантовыми уровнями энергии, разность между которыми определяется частотой колебаний. Для того, чтобы обращаться с такой системой как искусственным «атомом», необходимо уменьшить, насколько это возможно, потери энергии и использовать сверхнизкие температуры. Этого можно достичь с использованием сверхпроводников. Сверхпроводящие квантовые цепи – это своего рода искусственные «атомы», представляющие собой микроволновые резонаторы из сверхпроводников и джозефсоновских переходов. Будущие их применения – квантовые технологии, квантовые вычисления и коммуникации.

Видеозапись прямой трансляции лекции:

Аудиозапись лекции (103 МБ, mp3)

Подробная аннотация:

В лекции речь пойдет об экспериментах со сверхпроводниковыми квантовыми цепями и устройствами. Из школьного курса про электричество мы знаем, что соединив в электрическую цепь катушку и конденсатор, мы получим колебательный контур, а проще говоря, электрический резонатор. Такие резонаторы используются во многих устройствах вокруг нас – радиоприемниках, компьютерах, мобильных телефонах. На первый взгляд, никакой квантовой физики в обычных резонаторах нет и быть не может. Однако около 10 лет назад были сделаны первые эксперименты, показывающие, что это не так.

Как и всякая колебательная система, электрический резонатор обладает квантовыми уровнями энергии, разность между которыми определяется частотой колебаний. Для того, чтобы обращаться с такой системой как искусственным «атомом», необходимо уменьшить, насколько это возможно, потери энергии и использовать сверхнизкие температуры. Этого можно достичь с использованием сверхпроводников. Охладив сверхпроводящий колебательный контур до температуры в несколько десятков милликельвин, можно манипулировать квантовым состоянием системы при помощи микроволн – так же, как мы возбуждаем обычные атомы с помощью света.

Эта новая область – квантовая электродинамика цепей - использует хорошо известные законы атомной физики и квантовой оптики, обычно используемые для описания взаимодействия фотонов с атомами. Атом, как мы знаем, весьма мал, и его дипольный момент тоже мал, поэтому относительная сила взаимодействия фотона и атома очень слаба. Сверхпроводящие квантовые цепи – это своего рода искусственные «атомы», представляющие собой резонаторы из сверхпроводников и джозефсоновских переходов.

Энергетический спектр похож на атомный, но расстояние между уровнями энергии соответствует не световым фотонам, а микроволновым фотонам, то есть мы имеем энергию на несколько порядков меньше. А вот силу взаимодействия микроволновых фотонов с такими искусственными «атомами» легко можно сделать в десятки тысяч раз больше, чем сила взаимодействия света с естественными атомами. Здесь появляются новые, сильные эффекты, которых нет в обычной атомной физике. Возникает новая, очень интересная физика, связанная с квантовой механикой в макроскопическом масштабе. Ее будущие применения – квантовые технологии, квантовые вычисления и коммуникации.

Фоторепортаж Наташи Четвериковой

См. также: