Просмотр кода страницы Шаблон:Группа Квантовых и Прецизионных Измерений

{{#ifeq: {{{short}}}|yes|[[Изображение: SchroedingerCat.png|thumb|150px|<small> Copyright (c) H. Monden 1998. All rights reserved.</small>]]
<br>
<br>
Вторая половина 20-го века отмечена интенсивным развитием известных и созданием новых, в том числе новых квантовых методов измерений, а также развитием теории квантовых измерений. 
<br>
''([[Группа Квантовых и Прецизионных Измерений|далее]])''
<br><!--
[http://hbar.phys.msu.ru Сайт группы квантовых и прецизионных измерений]-->
<br>
[[Презентации группы квантовых  и прецизионных измерений|Кратко о научных направлениях и деятельности группы ...]]
}}

{{#ifeq: {{{short}}}|no|
<!--''Автор статьи [[Брагинский Владимир Борисович| В.Б.Брагинский]].''-->
== Научная группа "Прецизионные и квантовые измерения" ==
[[Изображение:2009-04-07 QM group photo.jpg |thumb| Группа квантовых и прецизионных измерений (хоть и не в полном составе, но бОльшая ее часть)]]

==  История научной школы "Прецизионные и квантовые измерения"==  

Вторая половина 20-го века отмечена интенсивным развитием известных и созданием новых, в том числе новых квантовых методов измерений, а также развитием теории квантовых измерений. Исходной работой, инициировавшей создание научной школы "Прецизионные и квантовые измерения", можно считать статью '''В. Б. Брагинского''' [ЖЭТФ 53, 1434 (1967)]. В ней описан эксперимент, в котором продемонстрировано обнаружение отклика осциллятора на внешнее воздействие, которое изменяет его энергию на величину, много меньшую его тепловой равновесной энергии (kT). Этот результат был достигнут благодаря значительному увеличению времени релаксации осциллятора. В этой же статье было приведено доказательство существования ранее неизвестного '''предела''' чувствительности в экспериментах с пробными объектами (электромагнитными и механическими осцилляторами, свободными массами). 
За этим пределом, имеющим чисто квантовое происхождение, в научной литературе закрепилось название '''"стандартный квантовый предел"''' (СКП, английская транскрипция - SQL, Standard Quantum Limit), являющееся сейчас общепризнанным. Понижение порога обнаружения внешнего воздействия и, соответственно, достижение СКП возможно при уменьшении связи пробного объекта с термостатом, т.е. диссипации (трения). Иными словами, необходимо увеличивать добротность осцилляторов или время релаксации свободных масс. Изложенный результат послужил основанием следующих трех основных направлений исследований школы:


1. разработка и создание систем с малой диссипацией

2. разработка и реализация новых методов измерений на основе таких систем

3. развитие теории квантовых измерений.

== Прецизионные и квантовые измерения: люди и результаты ==  

В настоящее время в научную группа входят: руководитель, профессор С.П. Вятчанин,  профессора И.А. Биленко, В.П. Митрофанов, Ф.Я. Халили и доцент С.Е. Стрыгин, под руководством которых работают аспиранты и студенты.

Начиная с 1970 года, по тематике школы ее членами защищены 11 докторских и 48 кандидатских диссертаций. 

Члены школы внесли значительный вклад в развитие экспериментальной и теоретической физики. Наиболее яркий результат - открытие гравитационных волн в составе международной команды исследователей (УФН, т.186, 968 (2016))

Репортаж о лекции на физфаке
http://www.phys.msu.ru/rus/about/sovphys/ISSUES-2016/01(117)-2016/22775/

Видео лекции на физфаке
https://www.youtube.com/watch?v=3sWX2SuYK48

Кроме того, были реализованы несколько уникальных экспериментов, посвященных фундаментальным физическим проблемам, а также обоснование и разработка теории качественно новых методов квантовых измерений (см. ниже). Актуальность выбора конкретных программ исследований подтверждается финансированием исследований, проводимых школой: в настоящее время, кроме гранта Министерства образования науки РФ по школе, гранта РФФИ (общая сумма 1100 тыс. руб. в год), исследования поддерживаются National Science Foundation (США) в размере 150 тыс. USD в год (начиная с 1995 г.). Этот последний грант позволяет членам школы реализовывать эксперименты на современном уровне на физическом факультете МГУ.

Из важных результатов, полученных с 1970 по 1995 год уместно упомянуть следующие:

1. Подтверждена справедливость принципа эквивалентности на уровне 10^{-12} [ ЖЭТФ 61, 873 (1971)]

2. Экспериментально установлено равенство модулей зарядов электрона и протона на уровне 10^{-21} и отсутствие свободных кварков в макрообъектах (с массой больше милликеновской на 7 порядков), что послужило основой глюонной модели барионов [Phys.Lett.B 33 873 (1971)].

3. Предложены и обоснованы принципы квантовых неразрушающих измерений (КНИ - в английской транскрипции Quantum NonDemolition - QND), позволяющих преодолеть СКП [ЖЭТФ 73, 1340 (1977), Письма в ЖЭТФ 27, 296 (1978), Science 209, 547 (1980)]. Индекс цитирования последней из этих публикаций более 150. Этот новый принцип квантовых измерений во второй половине 80-х был успешно продемонстрирован в оптических опытах в нескольких лабораториях Франции и США.

4. Предложены и созданы диэлектрические резонаторы СВЧ диапазона из сапфира с модами типа "шепчущая галерея", в них достигнута добротность, превышающая 10^{9}. Эти резонаторы успешно используются NASA во вторичных стандартах частоты для дальней спутниковой навигации [Phys.Lett.A 120, 300 (1987)] (индекс цитирования >100).

5. Предложены и реализованы оптические микрорезонаторы, также с модами типа "шепчущая галерея", с добротностью 10^{10}, которые нашли применение в опытах по исследованию квантово-электродинамических эффектов и в различных оптоэлектронных устройствах [Phys.Lett.A 137, 393 (1989)] (индекс цитирования 140).


В течение последующих  лет (1995-2020) наиболее яркие результаты в значительной мере связаны с финансируемым NSF проектом LIGO (Laser Gravitational wave Observatory).

1. Предложена и реализована уникальная подвеска оптических зеркал в 4 км резонаторе Фабри-Перо (основной элемент гравитационно-волновой антенны). В этой подвеске зеркала на кварцевой нити достигнута добротность 10^8 в маятниковой и струнной модах, что позволяет превзойти уровень чувствительновсти, соответствующий СКП [ДАН 345, 324 (1995), Phys. Lett. A 218, 164 (1996)].

2. Предложен и обоснован новый класс квантовыха измерений (вариационные измерения), которые, также как и КНИ, позволяют достичь чувствительности, превышающей СКП, но с использованием координатных наблюдаемых (в отличие от принципа КНИ) [Phys. Lett. A 201, 269 (1995), Optics and Spectroscopy т.116, 516 (2014), Phys.Rev.A 93, 063817 (2016)].

3. Проведен анализ вклада в суммарный уровень равновесных тепловых флуктуаций термоэластического и терморефрактивного шумов. Этот анализ показал необходимость существенного изменения оптической конфигурации в LIGO, и это изменение запланировано на втором этапе этого проекта [Phys. Lett. A, 264, 1 (1999), Phys. Lett. A, 271, 303 (2000),Optical Coatings and Thermal Noise in Precision Measurement, eddited by G.Harry, T.P.Bodia, R. Desalvo, Cambridge University Press (2012),  Phys.Rev.D 92, 041101 (2015).

4. Предложены и проанализированы качественно новые топологии оптической системы лазерной гравитационной антенны, которые позволяют использовать принципы кваннтовых невозмущающих измерений (КНИ) и, тем самым, превзойти СКП. Эти топологии основаны на использовании внутрирезонаторных измерений и метода оптического рычага» и квантового измерителя скорости. Эти технологии разработаны для третьего этапа LIGO [Phys. Lett. A, 232, 340 (1997), Phys. Rev. D, 61, 044002 (2000),  Prog. in Opt., т.61,  113 (2016)  Phys.Rev/A т.94,  013844 (2016)].

5. Обнаружены избыточные (не теплового происхождения) механические шумы в стальных нитях, используемых в качестве подвесов зеркал на первом этапе LIGO, возникающие при натяжении в нитях, близком к разрывному. Это привело к коррекции в выборе нитей уже на первом этапе LIGO. [Phys. Lett. A 218, 164 (1996),  Class.Quant.Grav. т.27, 025009 (2010),  Journ.Phys.D, т.49, 455104 (2016)].

6. На основе оптических микрорезонаторов с модами типа "шепчущая галерея", реализована широкополосная генерация оптического излучения, состоящее из большого числа эквидистантных линий (оптические гребенки)  [Nature Photonics, т.8,  145 (2014)].
== Эффективность работы научной школы ==

Публикационную активность и значимость результатов сотрудников группы квантовых можно оценить по количеству ссылок. Ниже приведены данные системы Истина 
С.П.Вятчанин: 29954 (хирш-фактор - 80), И.А. Биленко: 27159 (хирш-фактор - 76),  Ф.Я. Халили: 26467(хирш-фактор - 74),  В.П. Митрофанов: 27261 (хирш фактор - 76), С.Е. Стрыгин: 25081 (хирш фактор - 71).

Эффективность работы школы можно оценить и по востребованности. В настоящее время следующие воспитанники продолжают работать в областях, близких к направлениям исследований школы: В.С. Ильченко, А.Б.  Мацко, А.В. Савченков - в OeWaves (США),  И.С. Грудинин в JPL (США), М.П.Клембовский в институте квантовой оптики им. М.Планка (Германия), А. Рахубовский в Palacký University of Olomouc (Чехия), М. Коробко в институте Лазерной физики (Германия). Еще 10 воспитанников школы продолжают исследования в других областях физики.

== Ссылки == 
<br>
[[Презентации группы квантовых и прецизионных измерений]]







<!-- 
Вторая половина 20-го века отмечена интенсивным развитием известных и созданием новых, в том числе новых квантовых методов измерений, а также развитием теории квантовых измерений. Исходной работой, инициировавшей создание школы "Прецизионные и квантовые измерения", можно считать статью [ЖЭТФ 53, 1434 (1967)]. В ней описан эксперимент, в котором продемонстрировано обнаружение отклика осциллятора на внешнее воздействие, которое изменяет его энергию на величину, много меньшую его тепловой равновесной энергии (kT). Этот результат был достигнут благодаря значительному увеличению времени релаксации осциллятора. В этой же статье было приведено доказательство существования ранее неизвестного предела чувствительности в экспериментах с пробными объектами (электромагнитными и механическими осцилляторами, свободными массами). За этим пределом, имеющим чисто квантовое происхождение, в научной литературе закрепилось название "стандартный квантовый предел" (СКП, английская транскрипция - SQL (Standard Quantum Limit)), являющееся сейчас общепризнанным. Понижение порога обнаружения внешнего воздействия и, соответственно, достижение СКП возможно при уменьшении связи пробного объекта с термостатом, т.е. диссипации (трения). Иными словами, необходимо увеличивать добротность осцилляторов или время релаксации свободных масс. Изложенный результат послужил основанием следующих трех основных направлений исследований школы:

 

1.     разработка и создание систем с малой диссипацией

2.     разработка и реализация новых методов измерений на основе таких систем

3.     развитие теории квантовых измерений.

 

В настоящее время в школу входят: руководитель, профессор [[Брагинский Владимир Борисович| В.Б.Брагинский]], второе поколение наставников: профессора [[Митрофанов Валерий Павлович|В.П.Митрофанов]], [[Халили Фарид Явдатович|Ф.Я.Халили]], [[Вятчанин Сергей Петрович|С.П.Вятчанин]], доктора физ.-мат. наук [[Воронцов Юрий Иванович|Ю.И.Воронцов]], [[Городецкий Михаил Леонидович|М.Л.Городецкий]], [[Биленко Игорь Антонович|И.А.Биленко]], кандидаты физ.-мат. наук [[Данилишин Штефан Леонтьевич|Ш.Л. Данилишин]], [[Прохоров Леонид Георгиевич|Л.Г. Прохоров]] и [[Стрыгин Сергей Евгеньевич|С.Е. Стрыгин]] под руководством которых работают аспиранты и студенты.

 

Начиная с 1970 года, по тематике школы ее членами защищены 9 докторских и 38 кандидатских диссертаций. Из девяти докторов наук 6 стали профессорами физического факультета МГУ, из них четверо (отмеченных выше) продолжают участвовать в работе школы. Второе поколение наставников было руководителями 17 успешно защищенных кандидатских диссертаций. 

 

По моему мнению, члены школы внесли значительный вклад в развитие экспериментальной физики, в частности, в реализацию нескольких экспериментов, посвященных фундаментальным физическим проблемам, а также в обоснование и разработку теории качественно новых методов квантовых измерений, которые нашли применение в различных областях науки и техники (см. ниже). Актуальность выбора конкретных программ исследований подтверждается финансированием исследований, проводимых школой: в настоящее время, кроме гранта Министерства образования науки РФ по школе, гранта РФФИ (общая сумма 1100 тыс. руб. в год), исследования поддерживаются National Science Foundation (США) в размере 150 тыс. USD в год (начиная с 1995 г.). Этот последний грант позволяет членам школы реализовывать эксперименты на современном уровне на физическом факультете МГУ. 

 

Из важных результатов, полученных с 1970 по 1995 год уместно упомянуть следующие:

 

1.     Подтверждена справедливость принципа эквивалентности на уровне 10^{-12} [ ЖЭТФ 61, 873 (1971)]

2.     Экспериментально установлено равенство модулей зарядов электрона и протона на уровне 10^{-21} и отсутствие свободных кварков в макрообъектах (с массой больше милликеновской на 7 порядков), что послужило основой глюонной модели барионов [Phys.Lett.B 33 873 (1971)].

3.     Предложены и обоснованы принципы квантовых неразрушающих измерений (КНИ - в английской транскрипции Quantum NonDemolition - QND), позволяющих преодолеть СКП [ЖЭТФ 73, 1340 (1977), Письма в ЖЭТФ 27, 296 (1978), Science 209, 547 (1980)]. Индекс цитирования последней из этих публикаций более 150. Этот новый принцип квантовых измерений во второй половине 80-х был успешно продемонстрирован в оптических опытах в нескольких лабораториях Франции и США.

По тематике КНИ было проведено четыре международных конференции (последняя в Германии в 1997 г.).

4.     Предложены и созданы диэлектрические резонаторы СВЧ диапазона из сапфира с модами типа "шепчущая галерея", в них достигнута добротность, превышающая 10^{9}. Эти резонаторы успешно используются NASA во вторичныха стандартах частоты для дальней спутниковой навигации [Phys.Lett.A 120, 300 (1987)] (индекс цитирования >100).

5.     Предложены и реализованы оптические микрорезонаторы, также с модами типа "шепчущая галерея", с добротностью 10^{10}, которые нашли применение ва опытах по исследованию квантово-электродинамических эффектов и в различных оптоэлектронных устройствах [Phys.Lett.A 137, 393 (1989)] (индекс цитирования 140). 

 

В течение последующих семи лет (1995-2003) получены следующие результаты, заслуживающие того, чтобы быть здесь отмеченными. Эти результаты в значительной мере связанны с финансируемым NSF проектом LIGO (Laser Gravitational wave Observatory).

1.     Предложена и реализована уникальная подвеска оптических зеркал в 4 км резонаторе Фабри-Перо (основной элемент гравитационно-волновой антенны). В этой подвеске зеркала на кварцевой нити достигнута добротность 10^8 в маятниковой и струнной модах, что позволяет превзойти уровень чувствительновсти, соответствующий СКП [ДАН 345, 324 (1995), Phys. Lett. A 218, 164 (1996)]. 

2.     Предложен и обоснован новый класс квантовыха измерений (вариационные измерения), которые, также как и КНИ, позволяют достичь чувствительности, превышающей СКП, но с использованием координатных наблюдаемых (в отличие от принципа КНИ) [Phys. Lett. A 201, 269 (1995)].

3.     Проведен анализ вклада в суммарный уровень равновесных тепловых флуктуаций термоэластического и терморефрактивного шумов. Этот анализ показал необходимость существенного изменения оптической конфигурации в LIGO, и это изменение запланировано на втором этапе этого проекта [Phys. Lett. A, 264, 1 (1999), Phys. Lett. A, 271, 303 (2000)].

4.     Предложены и проанализированы качественно новые топологии оптической системы лазерной гравитационной антенны, которые позволяют использовать принципы КНИ и, тем самым, превзойти СКП. Эти топологии основаны на использовании внутрирезонаторных измерений и метода оптического рычага». Эти технологии разработаны для третьего этапа LIGO [Phys. Lett. A, 232, 340 (1997), Phys. Rev. D, 61, 044002 (2000)]. 

5.     Обнаружены избыточные (не теплового происхождения) механические шумы в стальных нитях, используемых в качестве подвесов зеркал на первом этапе LIGO, возникающие при натяжении в нитях, близком к разрывному. Это привело к коррекции в выборе нитей уже на первом этапе LIGO. [Phys. Lett. A 218, 164 (1996)].

 

Полный индекс цитирования: В.Б.Брагинский: 3400, Ф.Я. Халили: 514, М.Л. Городецский Ц 434, С.П.Вятчанин: 350, В.П.Митрофанов: 207, И.А.Биленко: 35. 

 

Традицией школы можно считать сочетание прямых экспериментальных исследований, основанных на оригинальных предложениях схем и методов измерений и глубокого теоретического анализа. Все наставники второго поколения имеют собственные направления исследований, которые соприкасаются друг с другом, но не пересекаются. Это является привлекательным для студентов и аспирантов, участвующих в работе группы.


Эффективность работы школы можно оценить и по востребованности. В настоящее время следующие воспитанники продолжают работать в областях, близких к направлениям исследований школы: В.С.Ильченко, А.Б.Мацко, А.В.Савченков - в JPL (Лаборатория реактивного движения, США), А.Ю.Агеев Ц в Сиракузском университете (США), И.С.Грудинин в Калифорнийском технологическом институте (США), М.П.Клембовский в институте квантовой оптики им.М.Планка (Германия). Уместно отметить, что из перечисленных пятеро являются воспитанниками второго поколения. Еще 9 воспитанников школы продолжают исследования в других областях физики, (4 в США, 5 в институтах РАН).

 

Уместно отметить, что наставниками школы за последние 7 лет сделано более 50 докладов на международных научных конференциях и симпозиумах, а также, что в трех современных учебниках (американском, немецком и итальянском) есть главы, посвященные КНИ, в которых отмечен приоритет членов школы. 

 

В заключениии упомяну, что руководитель школы был награжден РАН золотой медалью П.Н.Лебедева, (1976 г.) удостоен медали Шиллера (Иенский университет, 1980 г.), премиями Фэйрчальда (США, 1991 г.) и Гумбольда (Германия, 1993 г.), был приглашен на общедатский семинар в институте Н.Бора (Дания 1996 г.), был приглашенным лектором на Нобелевском симпозиуме №104 (Швеция, 1997 г.), Ангстремовским лектором (университет Упсала, 1998 г.).

== Научные исследования в группе == 

В группе прецизионных и квантовых измерений основные направления исследований тесно связаны с национальным проектом LIGO (США), цель которого состоит в создании лазерной (L) интерферометрической (I) гравитационно-волновой (G) обсерватории (О). Проект выполняется Калифорнийским Технологическим институтом, часть задач проекта возложена на группу кафедры (договор о содружестве, включающий финансирование исследований на факультете). LIGO должна создать качественно новый канал астрофизической информации, иначе говоря - гравитационно-волновую астрономию. Одна из первых задач LIGO состоит в обнаружении всплесков гравитационных волн, порождаемых при слиянии (столкновений) двух нейтронных звезд. Гравитационная волна, достигшая Земли, должна вызвать малые колебания DL расстояния L между двумя разнесенными пробными массами (DL = 10^{-16} см или меньше при расстоянии L = 4 км). В проекте пробные массы - это массивные зеркала (около 10 кг). Малые DL должны быть обнаружены высокочувствительным лазерным интерферометром. 

Одна из основных трудностей в этом проекте - подавление тепловых колебаний зеркал. Для этого необходимо существенно увеличить добротность подвеса зеркал (уменьшить трение). Профессору В.П.Митрофанову и н.с. К.В.Токмакову удалось разработать уникальную методику подвеса лазерного зеркала, при которой трение настолько мало, что время затухания превышает 10^8 сек (около трех лет!) при комнатной температуре. Руководство LIGO приняло решение применить эту методику в проекте. 

Другая проблема состоит в том, что существуют не только равновесные (тепловые) флуктуации но и флуктуации нетеплового происхождения (вызванные перераспределением свободной энергии из одних форм в другие). Эти флуктуации также могут создать имитацию всплесков гравитационного излучения. Доценту И.А.Биленко и аспиранту А.В.Агееву удалось разработать методику качественно новых измерений, которая позволила зарегистрировать такие флуктуации, определить условия их возникновения и "окраску", с помощью которой можно будет их отделить от гравитационного сигнала. 

Малость величин DL на первом этапе LIGO и планируемое уменьшение DL на последующих (соответственно рост чувствительности), предопределяет необходимость вступления экспериментальной физики в принципиально новую область, в которой "поведение" больших макроскопических масс, в данном случае зеркал, будет определяться квантовыми законами, а не классическими. В частности при постоянной времени 10^8 сек зеркало "ведет себя" как квантовый объект в течение миллисекунды. Соответственно, должны измениться и методы измерений. Так, например, при повышении чувствительности на один порядок (DL - 10^{-17} см) придется отказаться от когерентной лазерной накачки. Недавно членам группы профессорам Ф.Я.Халили и М.Л.Городецкому удалось сформулировать новый метод измерения отклика зеркал на гравитационную волну, использующий так называемые симфотонные квантовые состояния (один из видов сжатых состояний). Этот метод сулит существенное повышение чувствительности. Необходимо отметить и другой принципиально новый общий принцип квантовых измерений, найденный проф. С.П.Вятчаниным: так называемые вариационные измерения. Этот метод позволяет получить разрешение существенно лучше, чем при обычных координатных измерениях. 

Группа квантовых и прецизионных измерений, несмотря на всем известные трудности нашего переходного периода, развивает экспериментальные и теоретические исследования, опираясь на финансовую поддержку зарубежных и отечественных фондов.
-->

<!--
Сайт [http://hbar.phys.msu.ru группы Квантовых и Прецизионных Измерений]-->

}}