Нобелівська премія з фізики 2012 року присуджена французькому вченому Сержу Арошу і американцеві Девіду Уайнленду, які незалежно один від одного розробили методи спостереження і управління окремими квантовими частинками.
Складність дослідження квантових частинок полягає в тому, що вони втрачають свою квантову природу при взаємодії з їх оточенням. Через це до недавніх пір вченим-фізикам у своїх дослідженнях доводилося обмежуватися лише мисленими експериментами і теоретичними розрахунками.
Обидва вчених-лауреати працюють у галузі квантової оптики і вивчають взаємодію світла і матерії. Девід Уайнленд досліджував методи управління зарядженими атомами (іонами) за допомогою фотонів, тобто світла. Серж Арош, навпаки, вимірював стан фотонів за допомогою іонів.
У паризькій лабораторії Ароша фотони «запускали» в невелику камеру з дзеркальними стінками, відстоять один від одного на 2,7 см. Ці дзеркала виготовлені з надпровідного матеріалу і охолоджені практично до абсолютного нуля, що зробило їх найбільш «яскравими» з усіх відомих на сьогоднішній день - один-єдиний фотон, той, хто опинився в камері, міг проіснувати в ній, відбиваючись від дзеркал і не ризикуючи бути поглиненим, 130 мілісекунд (довше десятої частки секунди). За цей час фотон «пробігав» (в середньому) шлях довжиною 40000 кілометрів - практично «навколосвітня» відстань. Настільки довгий час життя фотона дозволило здійснювати з ним квантові маніпуляції. Для своїх досліджень Арош використовував так звані атоми Рідберга (водневоподібні атоми і атоми лужних металів, у яких електрон на зовнішньому рівні знаходиться у високовозоленому стані, аж до рівнів n близько 1000). Атоми Рідберга в експерименті Ароша мали радіус 125 нанометрів, тобто приблизно в тисячу разів більше, ніж у звичайних атомів, і форму «бублика». Гігантські атоми по одному, з точно підібраною швидкістю посилалися в дзеркальну камеру, проходячи крізь неї. Взаємодія з фотоном змінювала фазу квантового стану атома. Тобто, якщо розглядати квантовий стан атома як хвилю, то взаємодія з фотоном призводить до фазового зрушення - зміщення гребнів і западин цієї хвилі. Фазове зрушення можна виміряти на виході атома з дзеркальної камери. Наявність зрушення говорить про те, що всередині камери є фотон, а відсутність - що фотона немає. Таким чином, вченому вдалося визначити присутність фотона всередині камери, не руйнуючи його. За допомогою цього методу Арош і його колеги змогли не тільки визначити наявність фотонів всередині камери, але і порахувати їх кількість.
У лабораторії Девіда Вайнленда в Колорадо проводилися експерименти із захоплення іонів у «пастку» з електричних полів. Для того щоб повністю ізолювати спіймані частинки від зовнішніх впливів, експерименти проводилися у вакуумі і при екстремально низькій температурі. В нормальних умовах іон може перебувати в одному з двох енергетичних станів - високому або низькому. За допомогою точно підібраних лазерних імпульсів вченому вдалося помістити іон «між» енергетичними рівнями, так, що ймовірність знаходження іона в обох станах стала однаковою. Це дозволило спостерігати і досліджувати квантову суперпозицію взаємовиключних станів іону.
Крім того, Уайнленд і його колеги використовували «спіймані» в пастку іони для створення найточніших годин. На відміну від цезієвих атомних годинників (їх похибка 1 секунда в 300 років), які використовують СВЧ-діапазон електромагнітних хвиль, годинник Уайнленда працює в діапазоні видимого світла. Такі годинники можуть складатися лише з одного або двох іонів, що знаходяться в пастці. Якщо йонів два, то один з них служить «годинами», а другий зчитує його стан, не руйнуючи його і не збиваючи відлік. Точність оптичного годинника така, що якби з їх допомогою можна було почати відлік часу в момент виникнення Всесвіту, то сьогодні вони б відстали або пішли вперед всього лише на кілька секунд.