Серж Арош

Краткая биография

Жизнь и работа

Серж Арош родился 11 сентября 1944 года в Касабланке, Марокко. Образование он получил во Франции, в Высшей нормальной школе в Париже, где его научным руководителем стал Клод Коэн-Таннуджи — будущий лауреат Нобелевской премии. В 1971 году Арош защитил докторскую диссертацию в Парижском университете, а в начале 1970-х работал в Стэнфордском университете в группе Артура Шавлова. Его ранние исследования были связаны с атомной физикой и лазерной спектроскопией, но постепенно центральной темой стала одна из самых трудных задач квантовой физики: как наблюдать отдельную квантовую систему, не уничтожая именно те свойства, которые хочется измерить.

Проблема возникает из самой природы квантового измерения. Обычный фотодетектор регистрирует фотон, поглощая его. Такой способ хорошо отвечает на вопрос, был ли свет, но после измерения исследуемого фотона уже нет. Для фундаментальных экспериментов хотелось научиться действовать иначе: получать информацию о числе фотонов и состоянии электромагнитного поля, сохраняя фотоны достаточно долго для повторных наблюдений. Для этого группа Ароша развивала cavity quantum electrodynamics — электродинамику атомов и фотонов внутри резонаторов.

Ключевым элементом экспериментов стала своеобразная «коробка для фотонов»: сверхпроводящий микроволновый резонатор с чрезвычайно хорошо отражающими стенками. Фотон многократно отражался внутри него и мог существовать там значительно дольше, чем в обычной оптической системе. Через резонатор по одному пропускали ридберговские атомы — атомы в состояниях с очень большим главным квантовым числом. Такие атомы чрезвычайно чувствительны к микроволновому полю и поэтому хорошо подходят в качестве зондов отдельных фотонов.

Важная особенность метода состояла в том, что атом не должен был поглотить фотон. В дисперсионном режиме взаимодействия присутствие фотонов немного изменяло фазу квантового состояния проходящего атома. После выхода из резонатора эту фазу можно было измерить атомной интерферометрией. Один атом давал лишь небольшую порцию информации, но последовательность многих атомов постепенно позволяла определить число фотонов в резонаторе. Так реализовывалось квантовое неразрушающее измерение: измерение меняло знания о квантовом состоянии и могло приводить к его проекции, но не уничтожало сами фотоны непосредственным поглощением.

Эти методы сделали возможными эксперименты, которые раньше в основном существовали как мысленные иллюстрации квантовой механики. В 2007 году группа Ароша зарегистрировала квантовые скачки электромагнитного поля — появление и исчезновение отдельных фотонов в резонаторе. В другом эксперименте исследователи наблюдали постепенный коллапс состояния поля при последовательных неразрушающих измерениях числа фотонов. Вместо единственного мгновенного «взгляда» на систему они могли следить за тем, как информация накапливается от одного атомного зонда к следующему.

Не менее важным направлением стали состояния, напоминающие знаменитого кота Шрёдингера. В этих экспериментах электромагнитное поле создавалось в суперпозиции двух различимых состояний. Такая суперпозиция чрезвычайно чувствительна к взаимодействию с окружением. Арош и его коллеги смогли экспериментально проследить декогеренцию — исчезновение квантовой когерентности по мере того, как информация о системе уходит во внешнюю среду. Эти исследования помогли показать в контролируемом лабораторном опыте, каким образом хрупкое квантовое состояние приобретает свойства, похожие на привычное классическое поведение.

Работы Ароша были результатом многолетней коллективной программы в Лаборатории Кастлера — Бросселя при Высшей нормальной школе, в которой важную роль играли Жан-Мишель Раймон, Мишель Брюн и многие другие исследователи. Поэтому эти достижения корректнее связывать не с одним экспериментатором, а с развитием целого направления cavity QED. Вклад Ароша состоял в создании и развитии экспериментальных методов, позволивших контролировать взаимодействие отдельных атомов и фотонов с точностью, необходимой для проверки фундаментальных предсказаний квантовой механики.

В 2012 году Серж Арош и американский физик Дэвид Уайнленд разделили Нобелевскую премию по физике «за новаторские экспериментальные методы, позволяющие измерять и манипулировать отдельными квантовыми системами». Их подходы были в определённом смысле зеркальными: группа Уайнленда удерживала ионы и управляла ими с помощью света, а группа Ароша удерживала фотоны и исследовала их с помощью атомов. Разработанные в этих направлениях методы стали частью экспериментального инструментария квантовой физики и исследований в области квантовой информации, прецизионных измерений и управления отдельными квантовыми системами.