Группа Квантовых и Прецизионных Измерений
Научная группа "Прецизионные и квантовые измерения"
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.