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杨晗之

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2012年诺贝尔物理学奖解析——囚禁的量子,开放的应用

2012-11-28 15:35:35

提到诺贝尔物理学奖,大多人会认为获奖成果深不可测、难以理解,那么不妨读读这篇文章吧。

 

囚禁的量子,开放的应用

 

/卢昌海

 

2012109,一位68岁的法国老人与妻子在街头散步,当他们路过一条街边的长椅时,电话忽然响起,老人被告知获得了诺贝尔物理学奖。同样被“搅扰”的还有大西洋彼岸一位同岁的美国老人,电话响起时他还在睡梦中,但无论什么美梦也比不上电话里的消息令人欣喜:他获得了诺贝尔物理学奖。

 

这两位天各一方的老人分别是法国物理学家瑟奇·哈罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰,之所以获奖,是因为他们实现了“使得对单个量子体系的测量与操控成为可能的突破性实验方法”。他们将共同分享崇高的荣誉,以及虽因金融危机而缩水,但数量依然可观的800万瑞典克郎的奖金。

 

小有小的麻烦

 

我们知道,2000多年前的古希腊就有先贤猜测过物质是由原子组成的。英文中atom(原子)一词就来自希腊文,意为“不可分割的”。但是,直到18世纪才开始有现代意义上的原子理论,而原子的真正奥秘则到20世纪才开始揭晓。

这是为什么呢?因为原子实在太小了,看不见、摸不着。

 

如今我们知道,原子并非是“不可分割的”,它由更基本的粒子所组成,并且和那些粒子一样,遵守一种被称为量子力学的奇妙规律。这种规律与我们习以为常的宏观世界的规律完全不同,因此在发现之初曾带给物理学家们极大的震动。直到很多年后,当那种规律逐渐褪去新鲜的外衣,甚至已成为物理系学生的常识时,想在最直接的意义上体验它们仍是极为困难的事情。

 

这又是为什么呢?依然是因为原子实在太小了,看不见、摸不着。

 

由于这一原因,物理学家们对原子的很多观测都不是针对单个原子的,比如,他们观测的原子光谱是由很多原子共同发出的。而在有条件观测单个原子的实验中,由于观测对象太小,往往观测一结束,观测对象也就“人间蒸发”了,比如用照相设备观测光子就是如此。

 

那么,有没有什么办法能够观测甚至操控单个量子体系,同时让它继续存在(从而还可以继续观测或操控)呢?瓦恩兰和哈罗什所解决的正是这个问题。他们凭借高超的实验技巧,将单个量子体系囚禁起来,然后用细微而巧妙的“探针”去观测甚至操控它,从而完成了“近乎不可能完成的任务”,为上述问题提供了肯定答案。

 

囚禁的量子

 

瓦恩兰的方法是将单个的离子囚禁在用电磁场组成的“牢笼”中,然后以光子作“探针”去探测和操控它。这话说起来简单,实现起来却极不容易,单是那“牢笼”(即所谓的离子阱)就是一个诺贝尔奖级别的成就(它的发明者获得了1989年的诺贝尔物理学奖)。为了确保被囚禁的是单个或少数几个离子,还需要辅以超高真空(以便排除其他粒子的干扰)和超低温(以便排除热运动的干扰)等技术。当这些极不简单的配置完成之后,瓦恩兰又通过激光脉冲(光子),将被囚禁离子的内部状态(即电子能态)叠加起来。这种状态叠加是量子力学有别于经典物理的奇妙特征,在科普读物中常见的“粒子既在这里,又在那里”,“猫既是死的,又是活的”等吸引眼球的表述都源自于此。但是,瓦恩兰能做到的还不止这些。通过对激光脉冲的巧妙选择,他还可以对状态叠加的方式进行操控,比如将内部状态的叠加转变为外部状态(即振动状态)的叠加,甚至将一个离子的状态叠加转变为另一个离子的状态叠加。

 

与瓦恩兰的方法几乎恰好相反,哈罗什的囚禁物是被瓦恩兰当作“探针”的光子,而“探针”则类似于瓦恩兰的囚禁物。这是一种被称为里德堡原子的特殊原子,它的电子处于很高的能态上,从而使整个原子“发胖”到惊人的程度。在哈罗什的方法中,囚禁光子所用的是用超导材料制作的一对相距2.7厘米的球面镜,这对球面镜构成了一个反射性质近乎完美的空腔。光子在其中可以反射十几亿次而不被吸收。在这些同样极不简单的配置完成之后,哈罗什又通过特殊的电磁波,使作为“探针”的里德堡原子处于两个电子能态的叠加之中,并使之穿越囚禁了光子的空腔。在这里,哈罗什作了另一个巧妙的安排,使被囚禁光子的能量与里德堡原子所能吸收的光子能量稍稍错开,从而保证光子不会被里德堡原子所吸收(别忘了,这一整套方法的使命之一就是保障量子体系继续存在)。而更巧妙的是,尽管光子不会被吸收,但它与里德堡原子的相互作用仍能对后者产生影响,改变后者那两个叠加能态间的相位。这样,哈罗什就可以通过研究穿越后的里德堡原子的相位,获得被囚禁光子的信息。

 

上述两种实验方法的实现无疑都需要高超的技术。不过,此类工作要想获得诺贝尔奖,通常还需要满足一个额外条件,那就是具有应用价值。此次获奖的工作很好地符合了这一条件,因为他们所实现的“使得对单个量子体系的测量与操控成为可能的突破性实验方法”在理论与实用上都有着重要应用。

 

开放的应用

 

在理论上,对一个量子体系进行观测或操控,同时让它继续存在,使得人们有可能设计一些巧妙的实验,观测量子体系状态演变的过程,甚至观测使一些物理学家深感困惑的量子体系的状态因为与外部环境相互作用而往经典状态过渡的过程,其中包括大名鼎鼎的“薛定谔的猫”的生死过程的观测。那样的实验已经有人在做了。比如,哈罗什的研究组就于2008年做了那样的实验,甚至将观测到的量子状态往经典状态过渡的过程制成了“影片”。

 

在实用上,此次获奖的工作最引人注目的应用是在量子计算机领域。这是近年来被讨论得很多的领域。不过,量子计算机的理论虽然美丽,面临的技术困难却极为巨大,其中一个很大的困难就是作为核心元件的量子体系必须能单个的、不受破坏的被测量与操控,而且各个量子体系的状态还必须能相互传递。这些困难在过去几乎是无法克服的,此次的获奖工作却为之带来了曙光。比如,瓦恩兰所实现的对状态叠加的操控,以及状态叠加在不同离子之间的相互转变,就正是克服上述困难所需的技术。事实上,瓦恩兰本人已在一定程度上构造出了量子计算机的雏形,实现了最简单的逻辑运算。当然,这一切距离真正有实用价值的量子计算机还相差很远。

 

此次获奖工作的另一项很有价值的应用是建造超高精度的新型时钟。这一应用虽不像量子计算机那样富有未来色彩,所取得的进展却要扎实得多。瓦恩兰供职的美国国家标准技术研究所正是这方面的“领头羊”。在这一应用中,用瓦恩兰所实现的方法囚禁起来的离子取代了传统原子钟所采用的铯原子。目前,这种新型时钟已经达到了比传统铯原子钟高两个数量级的精度。在那样的精度下,哪怕从宇宙大爆炸之初开始计时,迄今的累计误差也只有区区几秒。

 

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获奖者简介

 

瑟奇·哈罗什:法国物理学家,1944911出生于当时受法国控制的摩洛哥城市卡萨布兰卡,1971年获巴黎第六大学物理学博士学位,目前在法国巴黎的法兰西公学院任教。哈罗什的主要研究方向为量子光学及其应用。

 

戴维·瓦恩兰:美国物理学家,1944224出生于美国威斯康辛州的密尔沃基,1970年获哈佛大学物理学博士学位,目前在美国科罗拉多州的国家标准技术研究所任职。瓦恩兰的主要研究方向为量子光学及其应用。

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