Текст книги "История лазера. Научное издание"
Автор книги: Марио Бертолотти
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 51 (всего у книги 52 страниц)
Квантовая криптография
Теперь РјС‹ рассмотрим РѕРґРЅРѕ РёР· наиболее курьезных Рё интригующих применений лазеров, квантовой оптики Рё квантовой механики: С‚. РЅ. квантовую криптографию. Рто РѕРґРЅРѕ РёР· фантастических применений, которое стало возможным благодаря лазерам Рё законам квантовой механики.
Квантовая криптография является новым методом засекречивания передачи информации. В отличие от обычных методов криптографии, в квантовой криптографии зашифровка передаваемой информации осуществляется благодаря законам физики. Криптография имеет долгую и замечательную историю в военном деле и в дипломатии, со времен античной Греции. В настоящее время секретность информации становится очень важной и для коммерческой деятельности. В добавок к практическим возможным применениям, квантовая криптография иллюстрирует несколько интересных аспектов квантовой оптики, включая роль принципа неопределенности Гейзенберга в оптических измерениях и двухфотонной интерферометрии.
Первые методы криптографии использовали секретный код (ключ) для зашифровки послания перед его отправкой и для расшифровки при получении. Секретность этих методов часто оказывается под угрозой из-за похищения кода, или анализа, который приводит к расшифровке кода, или ошибок, т.е. всего, что ломает код. Самые современные методы не используют секретный код, а основаны на математических изощренных методах, с помощью которых раскрытие содержания послания представляет результат поиска всех возможных комбинаций, чтобы найти правильную. В любом случае секретность этих методов может быть взломана неожиданными успехами математических технологий расшифровки или увеличения быстродействия компьютеров.
Квантовая криптография использует секретный ключ для кодирования и декодирования информации, которая передается по открытым каналам, но сам ключ не передается обычным способом. Один из методов квантовой криптографии устанавливает идентичные ключи в двух разных местах без передачи какой-либо информации. Хотя это может показаться невозможным с точки зрения классической физики, это становится возможным благодаря нелокальным свойствам двухфотонного интерферометра. В другом методе, с другой стороны, ключ посылается в форме одиночных фотонов, а принцип неопределенности квантовой механики обеспечивает невозможность несанкционированного перехвата информации.
Все методы квантовой криптографии основаны на принципе, что в квантовой механике любое измерение возмущает систему непредсказуемым образом. Объяснить в деталях, как это удивительное применение работает, не легко. Мы ограничимся представлением некоторых идей случая, в котором используется т.н. метод двухфотонной интерферометрии.
Рассмотрим рис. 67. Два человека, Алиса и Боб, находятся на большом расстоянии друг от друга, и имеют два одинаковых интерферометра, в которых используются два полностью отражающих и два частично отражающих зеркала, как показано на рис. 67. Один фотон, который приходит на один из двух интерферометров, например на левый, имеет, согласно квантовой механике, две возможности: либо прямо распространяться от S1 до S2 либо, следуя путем S1, S2, S3, S4. Если эти два пути очень отличаются друг от друга, то интерференция не происходит, и поэтому в первом случае фотон идет в направлении 24, в то время как во втором он идет в направлении 2В. То же самое происходит и для фотона, который попадает на другой интерферометр. Возможные результаты A и B обозначены, как 1A и 1B для правого интерферометра, и 2A и 2B для левого интерферометра, чтобы различать их.
Рис. 67. Метод двухфотонной интерферометрии. Два интерферометра I1 и I2 включают четыре зеркала S4, S3, S4, S3 (полностью отражаемых) и четыре зеркала S1, S2, S1, S2 (полупрозрачных). Выходы 1А и 2А представляют, например, бит 0, тогда как выходы 1В и 2B представляют бит 1
Теперь главный момент! РћРґРЅРѕР№ РёР· возможностей нелинейной оптики является получение новых цветов света, которые получаются РёР·-Р·Р° того, что РІ нелинейном материале РґРІР° фотона, имеющие некоторые частоты, С‚.Рµ. некоторые энергии, сливаются РІ РѕРґРёРЅ фотон, энергия которого является СЃСѓРјРјРѕР№ РґРІСѓС… фотонов, Рё поэтому его частота является СЃСѓРјРјРѕР№ РґРІСѓС… частот. Если РѕР±Р° фотона имеют РѕРґРЅСѓ Рё ту же частоту, тогда новый фотон имеет удвоенную частоту. Рто явление известно как генерация второй гармоники. Если РґРІР° фотона имеют разные частоты, тогда РіРѕРІРѕСЂСЏС‚ Рѕ параметрическом эффекте. Также возможно получить РґСЂСѓРіРѕР№, обратный, процесс, РІ котором фотон РїСЂРё нелинейном взаимодействии распадается РЅР° РґРІР° фотона, каждый РёР· которых, имеет частоту, РІ точности равной половине частоты первоначального фотона. Ртот процесс называют даун-конверсией. Законы этого процесса гарантируют, что РѕР±Р° фотона испускаются РІ РѕРґРЅРѕ Рё то же время, несмотря даже РЅР° то, что квантовая механика (принцип неопределенности) РЅРµ допускает знание точного момента, РєРѕРіРґР° РѕРЅРё испускаются, так как РёС… энергии точно известны.
Теперь предположим, что источник, который испускает эти фотоны, размещается посередине между двумя наблюдателями. Процесс может проходить так, что один фотон посылается на правый интерферометр, а другой на левый. Если приемники, справа и слева, отрегулированы так, чтобы давать сигнал только тогда, когда на них поступает фотон, тогда условие, что два фотона испущены одновременно, означает, что если фотон зарегистрирован в 1A, то другой должен быть зарегистрирован в 2А, и наоборот, если он зарегистрирован в 1B, то второй должен быть зарегистрирован в 2В. Алиса и Боб не обменивались никакими сигналами, но если Алиса зарегистрировала фотон в 1A, то она знает, что Боб также зарегистрировал фотон в 2A. Таким образом, оба наблюдателя имеют один и тот же сигнал, без обмена информацией. Если теперь фотон, зарегистрированный в A, представляет информацию бита 0, а фотон, зарегистрированный в B, представляет бит 1, то наблюдая случайную последовательность фотонов, испускаемых источником, оба наблюдателя получают одну и ту же случайную последовательность знаков 0 и 1, которая заключает в себе секретный код, которым передается и читается послание. Никакой информации не посылается между Алисой и Бобом, чтобы установить этот секретный код, поскольку выход с интерферометра не определен до тех пор, пока не сделано измерение.
На этом этапе квантовая механика требует, что если правый интерферометр измеряет фотон через 1A, то левый интерферометр должен зарегистрировать его через 1А. Если кто-нибудь захочет вставить свои фотоны в линию передачи от источника к одному из интерферометров, то очевидно, что вставленный фотон не будет зарегистрирован ни одним из интерферометров, так как отсутствует совпадение сигналов. Такой фотон просто не влияет на секретный код, установленный двумя наблюдателями.
Системы криптографии, такие, как только что описанная, или основанные на экспериментах другого вида, были экспериментально продемонстрированы и выглядят весьма обещающими.
Захват атомов
Р’ 1997 Рі. Нобелевская премия РїРѕ физике была присуждена Стивену Чу (Рі. СЂ. 1948) РёР· Стэнфордского университета (РЎРЁРђ), Клоду Коен-Тануджи (Рі. СЂ. 1933) РёР· Коллеж РґРµ Франс Рё Рколь Нормаль Супериор (Франция) Рё Вильяму Филлипсу РёР· Национального Р�нститута Стандартов Рё Технологии (РЎРЁРђ) Р·Р° разработку методов охлаждения Рё захват РІ ловушки атомов СЃ помощью лазеров. Р’ захвате атомов РІ ловушку Рё РёС… охлаждение СЃ помощью лазеров участвуют РґРІР° разных процесса, которые, однако, связаны. Поскольку ловушки для нейтральных атомов обычно обладают малой глубиной, нужно охладить атомы РґРѕ температуры ниже 1 Рљ, Р° СѓР¶ потом думать, как РёС… захватить РІ ловушку. Охлаждение атомного газа СЃ помощью лазеров было предложено РІ 1975 Рі. Теодором Хэншем Рё Артуром Шавловым РёР· Стенфордского университета (РЎРЁРђ). Р’ тот же РіРѕРґ Дэвид Вайнланд Рё Ганс Демелт РёР· университета штата Вашингтон (Сиетл, РЎРЁРђ) предложили аналогичную схему охлаждения РёРѕРЅРѕРІ. Р—Р° работу СЃ ионами Демелт (Рі. СЂ. 1922) Рё Вольфанг Поль (19131993) РёР· Боннского университета (ФРГ) разделили Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° 1989 Рі. (Р·Р° разработку методики ловушек РёРѕРЅРѕРІ) СЃ Рќ. Рамси.
Принцип охлаждения с помощью лазера основан на передаче импульса фотона атому. Атом при поглощении фотона получает толчок в направлении, в котором летел фотон. При последующем излучении фотона, атом испытывает отдачу. Если испускание спонтанно, тогда направления испускания фотонов хаотичны. Серия поглощений и последующих излучений передает импульс атому в направление лазерного пучка, в то время как отдача усредняется до нуля. В результате атом, который двигается навстречу лазерному пучку, замедляется, подобно велосипедисту, катящемуся против ветра.
В 1960-х гг. Филлипс со своими сотрудниками использовал этот принцип для замедления пучка атомов натрия, а в 1985 г. они захватили охлажденный таким способом пучок с помощью магнитного поля.
В 1985 г. Чу со своими сотрудниками добился успеха в охлаждении атомного газа, используя шесть лазерных пучков, сформированных в пары с противоположными направлениями и при ортогональном расположении этих пар. В такой конфигурации каждый атом двигался в произвольном направлении, замедляя скорость своего движения.
Тремя годами позднее Коен-Тануджи открыл способ охлаждать атомы до температур, невозможными с помощью этих простых методов, используя процессы квантовой интерференции в лазерных пучках, распространяющихся навстречу друг другу. В 1995 г. он сумел охладить газ из атомов гелия до фантастически низкой температуры, только на 4 миллионных долей градуса выше абсолютного нуля.
Методики охлаждения Рё захвата нейтральных атомов позволили продемонстрировать конденсацию БозеРйнштейна Рё открыли возможность создания часов СЃ невообразимой точностью С…РѕРґР°, сверхпрецизионные методы измерения гравитации Рё РґСЂ.
Конденсация Бозе-Рйнштейна
Несомненно, РѕРґРЅРёРј РёР· наиболее впечатляемых результатов современной физики было полученное РІ 1995 Рі. экспериментальное доказательство конденсации БозеРйнштейна. Р’ 1924 Рі. Рйнштейн предсказал существование РѕСЃРѕР±РѕРіРѕ состояния материи, РІ котором РІСЃРµ атомы СЃ определенными свойствами, С‚.РЅ. Р±РѕР·РѕРЅС‹ (СЃРѕ спинами, кратными h), РјРѕРіСѓС‚ оставаться СЃ совершенно одинаковыми квантовыми свойствами. Р’ 1995 Рі. Р’ 1995 Рі. РСЂРёРє Корнел (Рі. СЂ. 1962) РёР· Национального Р�нститута стандартов Рё технологий Рё Карл Виман (Рі. СЂ. 1951) РёР· университета Колорадо сумели охладить СЃ помощью лазерного пучка атомы СЂСѓР±РёРґРёСЏ Рё захватить РёС… РІ магнитную ловушку. Затем было произведено дополнительное охлаждение СЃ помощью метода, называемого испарительным охлаждением, действующим так же, как охлаждается чашка чая, С‚.Рµ. позволяя улетучиваться более горячим атомам.
РљРѕРіРґР° достигается очень низкая температура, атомы РІ РЅРѕРІРѕРј состоянии начинают двигаться вместе СЃ РѕРґРЅРѕР№ Рё той же скоростью Рё РІ РѕРґРЅРѕРј Рё том же направлении, вместо того, чтобы двигаться произвольно, как это имеет место для обычного газа. Атомы теряют СЃРІРѕСЋ индивидуальность Рё теперь становятся одиночной коллективной единицей. Р�С… организованная конфигурация РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє необычным свойствам. Конденсация БозеРйнштейна получалась РІ облаке атомов СЂСѓР±РёРґРёСЏ-87, которые охлаждались РґРѕ ~ 170 РЅРљ. Самый полный образец содержал около 2000 атомов, которые РІ течение более, чем 15 сек находились РІ одиночном квантовом состоянии. Вольфганг Кеттерль (Рі. СЂ. 1957) Рё его РіСЂСѓРїРїР° РёР· MIT (РЎРЁРђ) сумели получить конденсат натрия-23, содержащий РІ сто раз больше атомов. Корнел, Кеттерль Рё Виман получили РІ 2001 Рі. Нобелевскую премию РїРѕ физике Р·Р° достижение конденсации Бозе-Рйнштейна РІ разряженных газах Рё Р·Р° пионерские, фундаментальные изучения свойств этого конденсата. РЎ помощью конденсата Бозе-Рйнштейна возможно изучить некоторые аспекты квантовой механики Рё, может быть, лучше понять явление сверхпроводимости (свойство некоторых материалов совершенно терять электрическое сопротивление). Происхождение Вселенной, также связывают РІ некоторых теориях СЃ конденсацией Бозе-Рйнштейна.
Поведение таких сконденсированных атомов РїРѕ сравнению СЃ обычными атомами, напоминает отличия лазерного свет РѕС‚ света обычной лампы. Р’ лазерном свете РІСЃРµ фотоны РІ фазе свойство, которое делает лазерные пучки мощными Рё способными быть сфокусированными РІ очень малое пятно. Подобным же образом, атомы РІ конденсате БозеРйнштейна РІСЃРµ находятся РІ фазе, Рё физики работают над тем, чтобы РѕРЅРё вели себя так, чтобы быть атомным лазером. Такой пучок атомов допускает манипуляции Рё измерения РІ удивительно малых масштабах. Р’ атомном лазере РІСЃРµ атомы РјРѕРіСѓС‚ двигаться как РѕРґРёРЅ. Такие атомные лазеры можно было Р±С‹ использовать для помещения атомов РЅР° подложку СЃ экстраординарной точностью, заменяя обычную фотолитографию. Можно было Р±С‹ построить Рё атомный интерферометр, который, поскольку длины волн атомов (волны РґРµ Бройля) РјРЅРѕРіРѕ меньше световых, РјРѕРі Р±С‹ производить измерения СЃ большей точностью РїРѕ сравнению СЃ лазерным интерферометром. Рто позволило Р±С‹ создать более точные атомные часы, получить Рё изучить нелинейные взаимодействия, подобные оптическим, Рё С‚.Рґ.
Мы могли бы представить много других применений и будущих перспектив лазеров, но надеемся, что и то, о чем говорилось, вполне достаточно, чтобы понять замечательные возможности лазерных устройств в современном обществе.
