Начиная с 20-х годов предыдущего столетия физики стали понимать, что микромир описывается законами квантовой механики. Однако выделить изолированную квантовую систему оказывается чрезвычайно сложно – она всегда стремится взаимодействовать с окружением. Поэтому исследования, проводимые в XX веке, в основном ограничивались ансамблями, содержащими большое число квантовых частиц.
Начиная с 70–80-х годов XX столетия в распоряжении экспериментаторов оказались технологии, позволяющие чрезвычайно хорошо изолировать квантовые системы от внешнего мира и контролировать их эволюцию.
Развитые лауреатами экспериментальные методы позволяют управлять состоянием отдельных изолированных атомов с помощью одиночных фотонов и наоборот. Отметим, что изоляцию квантовой системы от остального мира характеризует величина, называемая в физике добротностью (чем больше добротность, тем лучше изолирована система), а качество приготовления заданного состояния – температурой системы (идеально приготовленная система должна иметь нулевую, т. е. минимально возможную температуру). Несколько впечатляющих цифр, характеризующих уровень достижений лауреатов: в экспериментах С. Ароша добротность резонаторов составляла 4х1010, а разработанная Д. Уайлендем техника сателлитного охлаждения позволяет охлаждать ионы до температур порядка нанокельвинов. Для сравнения, добротность маятника механических часов в десятки миллионов раз меньше, а температура в межзвездном космическом пространстве в миллиарды раз больше.
А научный обозреватель одного из ведущих российских новостных интернет-изданий «Lenta.ru» Андрей Коняев (http://lenta.ru/articles/2012/10/09/phnobel/) обращает внимание на то, что результаты работ нобелевских лауреатов укрепляют позиции эвереттовской интерпретации квантовой механики: «Чаще всего, говоря о квантовой механике, придерживаются так называемой копенгагенской интерпретации, которую сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг в 20-х годах прошлого века. До недавнего времени это была самая популярная интерпретация после сугубо инструментального подхода, сформулированного Дэвидом Мермином в словах «заткнись и считай» (часто эту фразу приписывают Ричарду Фейнману), однако в последние годы она стала терять свои позиции. Сейчас копенгагенская уступает так называемой многомировой интерпретации». То есть жизнь показывает, что физическая сторона эвереттики уже перестала быть «гадательной» и перешла в область лабораторной практики.
Вот что говорит об этом А. Коняев.
Эксперимент Ароша выглядел следующим образом. Он брал резонатор, состоящий из двух зеркал, охлажденных почти до абсолютного нуля и расположенных на расстоянии около трех сантиметров друг от друга. Внутри резонатора создавалось электромагнитное поле, то есть, по сути, от стенки к стенке летали фотоны.
Сквозь этот резонатор пропускали ридберговские атомы – атомы, один из электронов которых находится на очень высоком энергетическом уровне. С классической точки зрения, это означает, что данный электрон движется вокруг ядра по орбите с очень большим радиусом. «Остаток» атома можно рассматривать как отдельный катион, то есть положительно заряженный ион. В результате структура получившегося атома напоминает классическую схему атома водорода. Радиус таких атомов на несколько порядков больше обычных – в 2008 году атом калия удалось «раздуть» до 1 миллиметра! В работе Ароша использовались атомы рубидия диаметром 125 нанометров. Скорость ридберговских атомов была подобрана таким образом, что они не поглощали фотон. Но особым образом подобранные исходные состояния атомов менялись специфическим образом, проходя через резонатор. Если быть точным, то состояние атома можно представлять в виде волны Де-Бройля. И если в резонаторе был фотон, то происходила интерференция и пики этой волны смещались. А это, в свою очередь, можно было зарегистрировать уже обычными измерениями. Развивая идеи и используя несколько атомов, Арош создал технологию подсчета количества фотонов в резонаторе.
Американец Дэвид Уайленд, в отличие от Ароша, интересовался ионами. Объектом его исследований были ионы, помещенные в ловушку. Ловушка представляет собой вакуумную камеру, в которой присутствует статическое и колебательное электрическое поле. Эти поля позволяют удерживать и изучать одиночные ионы – за разработку такой ловушки, получившей название ловушки Пауля, Вольфганг Пауль и Ханс Демельт в 1989 году получили Нобелевскую премию по физике.