量子世界不再“與世隔絕”——解讀2012年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

文/亮 子

在2012年10月9日，全世界肯定有很多物理學(xué)家在內(nèi)心忐忑而又故作鎮(zhèn)定地等待一個(gè)來自瑞典的電話。在這一天，本年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)將揭曉。與諾貝爾文學(xué)獎(jiǎng)得主早早地被博彩公司與媒體猜中不同，最終接到來自瑞典皇家科學(xué)院電話的兩位物理學(xué)家在得獎(jiǎng)之前沒有被任何預(yù)測(cè)諾貝爾獎(jiǎng)的機(jī)構(gòu)看好——來自法蘭西學(xué)院的法國(guó)科學(xué)家賽爾日·阿羅什（Serge Haroche）和來自美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所與科羅拉多大學(xué)的美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德將分享2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)金。

對(duì)于大眾來說，2012年物理學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)應(yīng)該算是歐洲核子中心（CERN）運(yùn)行的大型重子對(duì)撞機(jī)（LHC）發(fā)現(xiàn)了粒子物理學(xué)家們尋找了幾十年的“希格斯玻色子”，因此，英國(guó)科學(xué)家皮特·希格斯（Peter Higgs）獲得本年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)似乎是“眾望所歸”。但希格斯教授未獲今年諾貝爾獎(jiǎng)的原因也容易理解：每年諾貝爾獎(jiǎng)的提名在當(dāng)年的2月份就完全結(jié)束，而彼時(shí)尚未確定發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子；其次，每一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)人數(shù)不會(huì)超過3人，如果授予有關(guān)希格斯玻色子的工作，那么獲獎(jiǎng)名單實(shí)在是難以確定——在實(shí)驗(yàn)方面，數(shù)以千計(jì)的實(shí)驗(yàn)人員在大型重子對(duì)撞機(jī)前工作數(shù)年，理應(yīng)是發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的最大功臣；在理論方面，最早提出關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)粒子模型理論的是比利時(shí)理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）和羅伯特·布羅特（Robert Brout），在隨后半年里又有6 位科學(xué)家相繼發(fā)表了相關(guān)的論文，而皮特·希格斯則第一個(gè)預(yù)言在這個(gè)理論當(dāng)中存在著一個(gè)尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子，這些科學(xué)家都對(duì)希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻(xiàn)。除了布羅特教授已經(jīng)去世，要從其余的科學(xué)家中選出做了最重要貢獻(xiàn)的3位，實(shí)在不是一件容易的事情。

2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)最終落在了量子光學(xué)領(lǐng)域。兩位實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家——阿羅什與維因蘭德通過“開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)方法使得測(cè)量與操縱單一的量子系統(tǒng)成為可能”，因而贏得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這兩位科學(xué)家以兩種相對(duì)應(yīng)的方式，通過實(shí)驗(yàn)研究光與物質(zhì)相互作用的量子過程，體現(xiàn)了人類在微觀領(lǐng)域操控能力的最高水平，同時(shí)，這些技術(shù)潛在的應(yīng)用前景也為人類社會(huì)的未來開創(chuàng)了各種可能。

探索量子世界的里程碑

量子力學(xué)的開創(chuàng)者之一，埃爾文·薛定諤在1952年曾經(jīng)說：“我們從來不用單個(gè)的電子、原子或是分子做實(shí)驗(yàn)，我們只在思維實(shí)驗(yàn)中這樣做，這總是會(huì)導(dǎo)致荒謬的結(jié)果?！边@種結(jié)果，就是物理學(xué)家們至今也無法理解的微觀量子現(xiàn)象，比如量子“疊加態(tài)”，一個(gè)微觀粒子可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)，而當(dāng)它被“觀測(cè)”，或者與周圍的環(huán)境發(fā)生接觸時(shí)，疊加態(tài)則會(huì)消失，而變成某種單一的經(jīng)典狀態(tài)。觀察到一個(gè)微觀粒子在未被打擾的情況下同時(shí)具有兩種狀態(tài)，或是同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方，這正是薛定諤說的“荒謬”的結(jié)果。而在60年之后，兩位物理學(xué)家就是通過高超的實(shí)驗(yàn)手段，以不同的方式探測(cè)和控制光子與負(fù)離子的量子態(tài)，揭示了量子力學(xué)最奇特的一面，并以此獲得了物理學(xué)的最高榮譽(yù)。

維因蘭德教授多年來一直研究建造量子計(jì)算機(jī)，而對(duì)于單個(gè)微觀粒子狀態(tài)的測(cè)量和控制則是建造量子計(jì)算機(jī)的第一步?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)傳遞數(shù)據(jù)的基本單位是一個(gè)比特，其數(shù)值只能是0或者1，而科學(xué)家們努力構(gòu)建的量子計(jì)算機(jī)，正是利用了量子的疊加態(tài)，可以同時(shí)具有0 和1 兩種狀態(tài)，這稱為“量子比特”。因此，一個(gè)量子比特可以同時(shí)具有00、01、10 和11 四個(gè)數(shù)值。量子計(jì)算機(jī)將可以同時(shí)進(jìn)行多個(gè)運(yùn)算，因此其速度與普通計(jì)算機(jī)相比將會(huì)大幅度提高。

在1994年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家皮特·秀爾（Peter Shor）在理論上證明了量子計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行指數(shù)級(jí)的運(yùn)算，輕易分解大數(shù)的質(zhì)因子；1997年，同樣來自貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家洛夫·格羅夫（Lov Grover）證明了量子計(jì)算機(jī)可以迅速檢索互聯(lián)網(wǎng)上未分類的信息，這使得量子計(jì)算機(jī)成為研究的熱門領(lǐng)域。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)單的量子計(jì)算系統(tǒng)，必須要滿足兩個(gè)條件：首先，這個(gè)量子系統(tǒng)必須與周圍的環(huán)境隔絕來保證不受外部環(huán)境的影響，維持量子態(tài)；其次，這個(gè)量子系統(tǒng)必須可以和外部的世界通信。維因蘭德領(lǐng)導(dǎo)的研究小組第一個(gè)通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了利用兩個(gè)量子比特進(jìn)行計(jì)算，為了實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)，在極低的溫度下，維因蘭德通過激光脈沖作用于被周圍電磁場(chǎng)困住的處于疊加態(tài)的粒子來讀取它的狀態(tài)，同時(shí)又可以不破壞這種疊加態(tài)。這種實(shí)驗(yàn)即使在十幾年前也會(huì)被認(rèn)為是只有在科幻小說中才能實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在則成為現(xiàn)實(shí)。這不僅是維因蘭德研究組高超實(shí)驗(yàn)手段的體現(xiàn)，同時(shí)也依賴近年來通過電磁場(chǎng)捕獲粒子技術(shù)、激光冷卻原子技術(shù)和光學(xué)相干理論研究的進(jìn)步。

維因蘭德通過激光脈沖作用于量子疊加態(tài)的技術(shù)不僅是實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的第一步，同時(shí)也可以幫助建造出世界上最精確的原子鐘——通過一個(gè)處于量子態(tài)的離子充當(dāng)原子鐘，而通過另外一個(gè)處于量子態(tài)的離子或是可見光的激光脈沖來讀取時(shí)間，這種新型的原子鐘會(huì)比通常使用的通過微波激光讀取時(shí)間的銫原子鐘精確上百倍——這種最精確的原子鐘即使是從宇宙大爆炸的時(shí)刻就開始計(jì)時(shí)，一直到140 億年之后的今天，也只會(huì)有四五秒鐘的誤差。建造出這種人類歷史上最精確的時(shí)鐘，有著非常重大的實(shí)際意義：人類可以更精確地測(cè)量各種宇宙常數(shù)，同時(shí)，也可以進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論的各種預(yù)測(cè)。根據(jù)廣義相對(duì)論，在引力場(chǎng)強(qiáng)度更高的地方或是在速度更快的狀態(tài)下，時(shí)間的流逝將會(huì)變慢，這種微觀效應(yīng)很難在實(shí)際生活中觀察到。而通過世界上最精確的原子鐘，一個(gè)人即使是高度變化30 米，或是以10 米/秒的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，時(shí)間對(duì)于他流逝的速度變化都可以測(cè)量出來——這將是驗(yàn)證廣義相對(duì)論對(duì)于時(shí)空特性的描述的絕佳工具。

雖然都是在量子光學(xué)領(lǐng)域研究光與物質(zhì)的相互作用，相對(duì)于維因蘭德通過光子來測(cè)量和操縱離子的量子態(tài)，阿羅什則采取了相反的方式——通過原子來測(cè)量處于量子態(tài)的光子。阿羅什構(gòu)建了一個(gè)光學(xué)腔來限制單個(gè)光子的活動(dòng)，在接近絕對(duì)零度的溫度下，阿羅什布置了兩個(gè)距離只有幾厘米的閃亮的超導(dǎo)體鏡子，單個(gè)的光子在進(jìn)入這個(gè)光學(xué)腔之后，將會(huì)被限制在這個(gè)光學(xué)腔中長(zhǎng)達(dá)0.1秒，之后才會(huì)逃離或是被吸收。在這段時(shí)間內(nèi)，被困住的光子將以光速旅行4 萬公里，這個(gè)長(zhǎng)度足以環(huán)繞地球一周。

為了研究光子的量子態(tài)，阿羅什利用一種叫做里德伯原子的特殊原子進(jìn)行探測(cè)。面包圈形狀的里德伯原子體積比一般原子大上千倍，它對(duì)于電磁場(chǎng)的變化又極其敏感。在光子逃離光學(xué)腔或是被吸收之前，里德伯原子以一個(gè)特定的速度一個(gè)接一個(gè)地進(jìn)入這個(gè)光學(xué)腔，與光子發(fā)生相互作用，形成一種糾纏態(tài)。因此，當(dāng)這些原子離開光學(xué)腔時(shí)，它們的量子態(tài)發(fā)生了改變，因此，通過測(cè)量這些原子狀態(tài)的變化，人們就可以了解光學(xué)腔內(nèi)光子的狀態(tài)，計(jì)算其中光子的數(shù)目，并且了解它從量子態(tài)到經(jīng)典狀態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。

阿羅什在接受采訪時(shí)曾經(jīng)說過，他花了很大的力氣來建立這些實(shí)驗(yàn)儀器，但是他也說不清他的研究成果究竟會(huì)有什么實(shí)際應(yīng)用。他說：“如果你像我們一樣研究單個(gè)的粒子，那么你將可以以一種奇妙的方式來揭示量子力學(xué)，并且你也可以研究所有的量子過程。”也許，好奇心才是驅(qū)動(dòng)他一生進(jìn)行這項(xiàng)研究的動(dòng)力，而研究工作本身就是對(duì)他最好的報(bào)答。

美國(guó)物理學(xué)會(huì)主席羅伯特·拜爾（Robert Byer）評(píng)價(jià)說：“阿羅什和維因蘭德都通過優(yōu)美的實(shí)驗(yàn)手段使這個(gè)世紀(jì)成為量子世紀(jì)?！笨赡茉诒臼兰o(jì)中，人類將對(duì)量子力學(xué)的本質(zhì)有更深的理解，量子計(jì)算機(jī)也將成為現(xiàn)實(shí)，并且像電子計(jì)算機(jī)一樣給人類的生活帶來巨大的轉(zhuǎn)變。而這兩塊諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)牌，就像是紀(jì)念人類探索量子世界的里程碑。

量子計(jì)算機(jī)或?qū)⒏淖兩?/h2>

諾獎(jiǎng)官方網(wǎng)站在新聞公告中說，兩位獲獎(jiǎng)?wù)叨荚诹孔庸鈱W(xué)領(lǐng)域里研究光和物質(zhì)的基本相互作用，這個(gè)領(lǐng)域從上世紀(jì)80年代中期以來取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展?！八麄兊耐黄菩詫?shí)驗(yàn)方法使得整個(gè)研究領(lǐng)域邁出了建立新型超快量子計(jì)算機(jī)的第一步。也許就在這個(gè)世紀(jì)里，量子計(jì)算機(jī)就將徹底改變我們的日常生活，如同經(jīng)典計(jì)算機(jī)在上個(gè)世紀(jì)改變了我們的生活那樣。這些研究還使我們能夠以讓原子穿過光阱的方式來建造極其精確的時(shí)鐘，也許將成為未來新的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，比我們現(xiàn)行的銫原子鐘要精確好幾百倍?！?/p>

中國(guó)科學(xué)院大學(xué)副校長(zhǎng)、凝聚態(tài)物理理論與計(jì)算材料物理學(xué)專家蘇剛表示，當(dāng)今的經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力是有限的；而未來的量子計(jì)算機(jī)，將對(duì)前者實(shí)現(xiàn)“史無前例的超越”。

另一方面，這項(xiàng)研究還有助于建造極其精確的時(shí)鐘，比現(xiàn)行的銫原子鐘精確好幾百倍。這將在航空航天、GPS 導(dǎo)航和軍事國(guó)防等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。蘇剛說：“這種精密測(cè)量技術(shù)為未來的‘時(shí)間’概念提出新的標(biāo)準(zhǔn)。”

“這是兩種開創(chuàng)性的技術(shù)，后來都發(fā)展成為量子研究領(lǐng)域新的研究手段和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。”中科院院士、中科大量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任郭光燦在接受記者采訪時(shí)說。

阿羅什的工作是打造出一個(gè)微波腔，借助單個(gè)原子在微波腔中會(huì)輻射或吸收單個(gè)光子的特性，實(shí)現(xiàn)了操縱單個(gè)光子。而維因蘭德則制造出了一個(gè)離子阱，先用光來俘獲離子，然后用激光冷卻離子，進(jìn)而對(duì)離子進(jìn)行測(cè)量和控制。

“在科學(xué)上，他們的研究標(biāo)志著人類對(duì)物質(zhì)的操控能力大大提高了?！敝锌圃涸菏颗私▊ピ诮邮苡浾卟稍L時(shí)評(píng)價(jià)，“具備這一能力后，量子計(jì)算和精密測(cè)量便有了變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的可能性。”比如，用于制造衛(wèi)星導(dǎo)航、飛機(jī)上GPS所需要的精確時(shí)鐘。

山西大學(xué)量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授張?zhí)觳艑?duì)記者說，這些實(shí)驗(yàn)方法在單原子、單離子和單光子的水平上深刻地揭示了微觀量子世界的許多奇異性質(zhì)，開辟了操控和測(cè)量單量子系統(tǒng)的方法，在精密測(cè)量、量子信息和量子控制中具有重要應(yīng)用。

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者與中國(guó)的淵源

2000年，郭光燦和學(xué)生在《物理評(píng)論》上發(fā)表了一篇理論文章，阿羅什很快發(fā)現(xiàn)了這篇文章，并在2001年用此次獲獎(jiǎng)的實(shí)驗(yàn)方法證明了這個(gè)理論。

“實(shí)驗(yàn)成功之后，阿羅什在發(fā)給我的一封電子郵件中說：‘很高興在實(shí)驗(yàn)上把你們的方案做出來?！惫鉅N告訴記者，后來，他的學(xué)生還有兩篇理論文章同樣被阿羅什小組用實(shí)驗(yàn)證明。隨后，這名學(xué)生還被阿羅什邀請(qǐng)去法國(guó)訪問學(xué)習(xí)了一段時(shí)間。

張?zhí)觳耪f，國(guó)內(nèi)最近幾年也有若干大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開展了單量子系統(tǒng)操控和腔量子電動(dòng)力學(xué)方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了重要進(jìn)展?！皣?guó)內(nèi)很多從事量子光學(xué)研究的單位與阿羅什所在的法國(guó)巴黎高師有多年的密切合作交流關(guān)系?！?/p>

提到兩位獲獎(jiǎng)的科學(xué)家，潘建偉稱，他在奧地利留學(xué)時(shí)便結(jié)識(shí)了阿羅什，“他是一位溫文爾雅的科學(xué)家，而維因蘭德則更具備美國(guó)西部牛仔的氣質(zhì)。”

“目前，國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部都有相關(guān)項(xiàng)目支持這方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究?！睆?zhí)觳鸥嬖V記者。

近年來，我國(guó)科學(xué)家在整個(gè)量子信息領(lǐng)域的研究都取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。今年6月，潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首次成功實(shí)現(xiàn)百公里量級(jí)的自由空間量子隱形傳態(tài)和糾纏分發(fā)，為發(fā)射全球首顆“量子通訊衛(wèi)星”奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

不過，在探討到兩位獲獎(jiǎng)科學(xué)家的成就時(shí)，中科院院士孫昌璞直言：“在量子研究領(lǐng)域，目前中國(guó)的實(shí)驗(yàn)水平已經(jīng)很高了，但相比兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩某晒驗(yàn)橹袊?guó)用的都是商業(yè)化設(shè)備，所以在實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)上，很難有真正原創(chuàng)性的創(chuàng)新?！?/p>