Лене Вестергаард Хау: датский физик из Гарварда, замедлившая свет до 17 м/с. Исследования в квантовой оптике, BEC, квантовых вычислениях и взаимодействии атомов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Датский физик и педагог (род. 1959)
Danish physicist and educator (born 1959)
Лене Вестергаард Хау (; род. 13 ноября 1959) — датский физик и педагог. Она является профессором физики и прикладной физики в Гарвардском университете. В 1999 году она возглавила команду Гарвардского университета, которая, используя конденсат Бозе — Эйнштейна, сумела замедлить луч света до примерно 17 метров в секунду, а в 2001 году — полностью остановить луч. Последующие работы, основанные на этих экспериментах, привели к передаче света в вещество, а затем обратно из вещества в свет, процессу, имеющему важное значение для квантового шифрования и квантовых вычислений. Более поздние исследования были посвящены изучению новых взаимодействий между ультрахолодными атомами и системами наноскопического масштаба. Помимо преподавания физики и прикладной физики, она преподавала энергетику в Гарварде, включая фотоэлектрические элементы, ядерную энергию, аккумуляторы и фотосинтез. Помимо собственных экспериментов и исследований, она часто приглашается выступать на международных конференциях и участвует в формировании научной политики различных учреждений. Она была ключевым докладчиком на EliteForsk konferencen 2013 («Конференции элитных исследователей») в Копенгагене, в которой приняли участие министры правительства, а также ведущие специалисты по научной политике и развитию исследований в Дании. В знак признания её многочисленных достижений журнал Discover в 2002 году назвал её одной из 50 самых важных женщин в науке.
Lene Vestergaard Hau (; born November 13, 1959) is a Danish physicist and educator. She is the Mallinckrodt Professor of Physics and of Applied Physics at Harvard University. In 1999, she led a Harvard University team who, by use of a Bose–Einstein condensate, succeeded in slowing a beam of light to about 17 metres per second, and, in 2001, was able to stop a beam completely. Later work based on these experiments led to the transfer of light to matter, then from matter back into light, a process with important implications for quantum encryption and quantum computing. More recent work has involved research into novel interactions between ultracold atoms and nanoscopic scale systems. In addition to teaching physics and applied physics, she has taught Energy Science at Harvard, involving photovoltaic cells, nuclear power, batteries, and photosynthesis. In addition to her own experiments and research, she is often invited to speak at international conferences, and is involved in structuring the science policies of various institutions. She was keynote speaker at EliteForsk konferencen 2013 ("Elite Research Conference") in Copenhagen, which was attended by government ministers, as well as senior science policy and research developers in Denmark. In acknowledgment of her many achievements, Discover Magazine recognized her in 2002 as one of the 50 most important women in science.
Ранняя жизнь, семья и образование
Хау родилась в Вейле, Дания. Она получила степень бакалавра математики в 1984 году в Орхусском университете в Дании в возрасте 24 лет. Хау продолжила обучение там и через два года получила степень магистра физики. Для докторских исследований в области квантовой теории Хау работала над идеями, схожими с теми, что используются в волоконно-оптических кабелях для передачи света, однако её работа была связана с цепочками атомов в кремниевом кристалле, переносящими электроны. В период работы над докторской диссертацией Хау провела семь месяцев в CERN, Европейской лаборатории физики частиц близ Женевы. Она получила докторскую степень в Орхусском университете в 1991 году в возрасте 32 лет, но к этому времени её научные интересы изменились.
Hau was born in Vejle, Denmark. Hau earned her bachelor's degree in mathematics in 1984 at the University of Aarhus in Denmark at the age of 24. Hau continued her studies there, receiving her master's degree in physics two years later. For her doctoral studies in quantum theory, Hau worked on ideas similar to those involved in fibre optic cables carrying light, but her work involved strings of atoms in a silicon crystal carrying electrons. While working towards her doctorate, Hau spent seven months at CERN, the European Laboratory for Particle Physics near Geneva. She received her doctorate from the University of Aarhus in 1991 at the age of 32, but by this time her research interests had changed direction.
Карьера
В 1991 году она присоединилась к Институту науки Роуленда в Кембридже, штат Массачусетс, в качестве научного сотрудника, начав изучать возможности замедления света и холодных атомов. В 1999 году, в возрасте 40 лет, Хау приняла двухлетнее назначение в качестве постдока в Гарвардском университете. Ее основное образование – в теоретической физике, но ее интересы сместились в сторону экспериментальных исследований с целью создания новой формы материи, известной как конденсат Бозе-Эйнштейна. "Хау подала заявку в Национальный научный фонд на финансирование для создания партии этого конденсата, но ей отказали, мотивируя это тем, что она теоретик, и такие эксперименты ей было бы слишком сложно провести." Не сдаваясь, она нашла альтернативное финансирование и стала одной из первых физиков, сумевших создать такой конденсат. В сентябре 1999 года она была назначена профессором прикладной физики имени Гордона Маккея и профессором физики в Гарварде. В 1999 году ей также была предоставлена пожизненная должность, и в настоящее время она является профессором физики и прикладной физики имени Маллинкрота в Гарварде. В 2001 году она впервые в мире полностью остановила свет, используя конденсат Бозе-Эйнштейна для достижения этой цели. С тех пор она опубликовала множество исследований и провела новые экспериментальные работы в области электромагнитно-индуцированной прозрачности, различных областей квантовой физики и фотоники, а также внесла вклад в разработку новых квантовых устройств и инновационных нанотехнологических приложений.
In 1991 she joined the Rowland Institute for Science at Cambridge, Massachusetts as a scientific staff member, beginning to explore the possibilities of slow light and cold atoms. In 1999 at the age of 40, Hau accepted a two year appointment as a postdoctoral fellow at Harvard University. Her formalized training is in theoretical physics but her interest moved to experimental research in an effort to create a new form of matter known as a Bose–Einstein condensate. "Hau applied to the National Science Foundation for funds to make a batch of this condensate but was rejected on the grounds that she was a theorist for whom such experiments would be too difficult to do." Undeterred, she gained alternative funding, and became one of the first handful of physicists to create such a condensate. In September 1999 she was appointed the Gordon Mckay Professor of Applied Physics and Professor of Physics at Harvard. She was also awarded tenure in 1999 and is now Mallinckrodt Professor of Physics and Applied Physics at Harvard. In 2001 she became the first person to stop light completely, using a Bose–Einstein condensate to achieve this. Since then she has produced copious research, and new experimental work, in electromagnetically induced transparency, various areas of quantum physics, photonics and contributed to the development of new quantum devices and novel nanoscale applications.
Передача кубита
Хау и ее коллеги из Гарвардского университета "в нескольких экспериментах продемонстрировали превосходный контроль над светом и материей, но ее эксперимент с двумя конденсатами является одним из самых убедительных". В 2006 году они успешно перенесли кубит из света в материальную волну и обратно в свет, вновь используя конденсаты Бозе-Эйнштейна. Подробности эксперимента обсуждаются в журнале Nature от 8 февраля 2007 года. Эксперимент основан на том, что, согласно квантовой механике, атомы могут проявлять свойства как волн, так и частиц. Это позволяет атомам совершать некоторые контринтуитивные действия, например, проходить через два отверстия одновременно. В конденсате Бозе-Эйнштейна световой импульс сжимается в 50 миллионов раз, не теряя никакой содержащейся в нем информации. В этом конденсате Бозе-Эйнштейна информация, закодированная в световом импульсе, может быть передана атомным волнам. Поскольку все атомы движутся когерентно, информация не рассеивается в случайном шуме. Свет заставляет примерно 1,8 миллиона атомов натрия в облаке перейти в состояние "квантовой суперпозиции" – с низкоэнергетической компонентой, остающейся на месте, и высокоэнергетической компонентой, перемещающейся между двумя облаками. Затем второй "контрольный" лазер записывает форму импульса в атомные волны. Когда этот контрольный луч выключается и световой импульс исчезает, остается "материальная копия". До этого исследователи не могли эффективно контролировать оптическую информацию во время ее распространения, кроме как усиливать сигнал для предотвращения затухания. Этот эксперимент, проведенный Хау и ее коллегами, ознаменовал первую успешную манипуляцию когерентной оптической информацией. Новое исследование – "прекрасная демонстрация", – отмечает Ирина Новикова, физик из колледжа Уильяма и Мэри в Вильямсбурге, штат Вирджиния. "Раньше хранение света измерялось в миллисекундах. Здесь речь идет о долях секунды. Это действительно впечатляющее время". Говоря о потенциале открытия, Хау отметила: "Пока материя перемещается между двумя конденсатами Бозе-Эйнштейна, мы можем удерживать ее, возможно, в течение нескольких минут, и изменять ее форму – менять ее как угодно. Эта новая форма квантового контроля также может найти применение в развивающихся областях квантовой обработки информации и квантовой криптографии". "Этот успех, передача квантовой информации в форме света и не только в одной, но и в двух атомных формах, вселяет большой оптимизм в тех, кто надеется разработать квантовые компьютеры", – заявил Джереми Блоксэм, декан факультета искусств и наук. Хау была удостоена премии Джорджа Ледли за эту работу, а проректор Гарварда Стивен Хайман отметил, что "ее работа является прорывной. Ее исследования стирают границы между фундаментальной и прикладной наукой, опираются на таланты и ресурсы двух школ и нескольких факультетов и служат ярким примером того, как смелые интеллектуальные риски приводят к значительным результатам". Они заметили, что большинство атомов пролетают мимо, но примерно 10 из миллиона неизбежно притягиваются, вызывая резкое ускорение как в скорости, так и в температуре. "В этот момент ускоряющиеся атомы разделяются на электрон и ион, вращающиеся параллельно вокруг нанопровода, завершая каждую орбиту всего за несколько триллионных долей секунды. В конечном итоге электрон поглощается нанотрубкой посредством квантового туннелирования, в результате чего его спутник – ион – отталкивается сильным зарядом 300-вольтной нанотрубки со скоростью примерно 26 километров в секунду, или 59 000 миль в час". Атомы могут быстро распадаться, не сталкиваясь друг с другом в этом эксперименте. Команда подчеркивает, что этот эффект вызван не гравитацией, как в черных дырах в космосе, а высоким электрическим зарядом в нанотрубке. Эксперимент объединяет нанотехнологии с холодными атомами, демонстрируя новый тип высокочувствительного, одноатомного, интегрированного на чипе детектора, который в конечном итоге может быть способен разрешать интерференционные полосы от волн материи. Ученые также предвидят широкий спектр фундаментальных исследований отдельных атомов, которые станут возможными благодаря их установке.
Hau and her associates at Harvard University "have demonstrated exquisite control over light and matter in several experiments, but her experiment with 2 condensates is one of the most compelling". In 2006 they successfully transferred a qubit from light to a matter wave and back into light, again using Bose–Einstein condensates. Details of the experiment are discussed in the February 8, 2007, publication of the journal Nature. The experiment relies on the way that, according to quantum mechanics, atoms may behave as waves as well as particles. This enables atoms to do some counterintuitive things, such as passing through two openings at once. Within a Bose–Einstein condensate a light pulse is compressed by a factor of 50 million, without losing any of the information stored within it. In this Bose–Einstein condensate, information encoded in a light pulse can be transferred to the atom waves. Because all the atoms move coherently, the information does not dissolve into random noise. The light drives some of the cloud's roughly 1.8 million sodium atoms to enter into "quantum superposition" states, with a lower energy component that stays put and a higher energy component that travels between the two clouds. A second 'control' laser then writes the shape of the pulse into the atom waves. When this control beam is turned off and the light pulse disappears, the 'matter copy' remains. Prior to this, researchers could not readily control optical information during its journey, except to amplify the signal to avoid fading. This experiment by Hau and her colleagues marked the first successful manipulation of coherent optical information. The new study is "a beautiful demonstration", says Irina Novikova, a physicist at the College of William and Mary in Williamsburg, VA. Before this result, she says, light storage was measured in milliseconds. "Here it's fractional seconds. It's a really dramatic time." Of its potential, Hau said "While the matter is traveling between the two Bose–Einstein condensates, we can trap it, potentially for minutes, and reshape it – change it – in whatever way we want. This novel form of quantum control could also have applications in the developing fields of quantum information processing and quantum cryptography." Of the developmental implications, "This feat, the sharing around of quantum information in light form and in not just one but two atom forms, offers great encouragement to those who hope to develop quantum computers," said Jeremy Bloxham, dean of science in the Faculty of Arts and Sciences. Hau was awarded the George Ledlie Prize for this work, Harvard's Provost Steven Hyman noting "her work is path breaking. Her research blurs the boundaries between basic and applied science, draws on the talent and people of two Schools and several departments, and provides a literally glowing example of how taking daring intellectual risks leads to profound rewards." They observed that most atoms passed by, but approximately 10 per million were inescapably attracted, causing them to dramatically accelerate both in movement and in temperature. "At this point, the speeding atoms separate into an electron and an ion rotating in parallel around the nanowire, completing each orbit in just a few trillionths of a second. The electron eventually gets sucked into the nanotube via quantum tunneling, causing its companion ion to shoot away – repelled by the strong charge of the 300 volt nanotube – at a speed of roughly 26 kilometers per second, or 59,000 miles per hour." Atoms can rapidly disintegrate, without having to collide with each other in this experiment. The team is quick to note that this effect is not produced by gravity, as calculated in blackholes that exist in space, but by the high electrical charge in the nanotube. The experiment combines nanotechnology with cold atoms to demonstrate a new type of high resolution, single atom, chip integrated detector that may ultimately be able to resolve fringes from the interference of matter waves. The scientists also foresee a range of single atom, fundamental studies made possible by their setup.