量子世界不再“與世隔絕”——解讀2012年度諾貝爾物理學獎

文/亮 子

在2012年10月9日，全世界肯定有很多物理學家在內心忐忑而又故作鎮定地等待一個來自瑞典的電話。在這一天，本年度的諾貝爾物理學獎將揭曉。與諾貝爾文學獎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院電話的兩位物理學家在得獎之前沒有被任何預測諾貝爾獎的機構看好——來自法蘭西學院的法國科學家賽爾日·阿羅什（Serge Haroche）和來自美國國家標準與技術研究所與科羅拉多大學的美國科學家大衛·維因蘭德將分享2012年的諾貝爾物理學獎獎金。

對于大眾來說，2012年物理學最重大的發現應該算是歐洲核子中心（CERN）運行的大型重子對撞機（LHC）發現了粒子物理學家們尋找了幾十年的“希格斯玻色子”，因此，英國科學家皮特·希格斯（Peter Higgs）獲得本年的諾貝爾物理學獎似乎是“眾望所歸”。但希格斯教授未獲今年諾貝爾獎的原因也容易理解：每年諾貝爾獎的提名在當年的2月份就完全結束，而彼時尚未確定發現希格斯玻色子；其次，每一屆諾貝爾物理學獎的獲獎人數不會超過3人，如果授予有關希格斯玻色子的工作，那么獲獎名單實在是難以確定——在實驗方面，數以千計的實驗人員在大型重子對撞機前工作數年，理應是發現希格斯玻色子的最大功臣；在理論方面，最早提出關于標準粒子模型理論的是比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）和羅伯特·布羅特（Robert Brout），在隨后半年里又有6 位科學家相繼發表了相關的論文，而皮特·希格斯則第一個預言在這個理論當中存在著一個尚未發現的基本粒子，這些科學家都對希格斯玻色子的發現做出了重要貢獻。除了布羅特教授已經去世，要從其余的科學家中選出做了最重要貢獻的3位，實在不是一件容易的事情。

2012年的諾貝爾物理學獎最終落在了量子光學領域。兩位實驗物理學家——阿羅什與維因蘭德通過“開創性的實驗方法使得測量與操縱單一的量子系統成為可能”，因而贏得諾貝爾物理學獎。這兩位科學家以兩種相對應的方式，通過實驗研究光與物質相互作用的量子過程，體現了人類在微觀領域操控能力的最高水平，同時，這些技術潛在的應用前景也為人類社會的未來開創了各種可能。

探索量子世界的里程碑

量子力學的開創者之一，埃爾文·薛定諤在1952年曾經說：“我們從來不用單個的電子、原子或是分子做實驗，我們只在思維實驗中這樣做，這總是會導致荒謬的結果。”這種結果，就是物理學家們至今也無法理解的微觀量子現象，比如量子“疊加態”，一個微觀粒子可以同時處于兩種狀態，而當它被“觀測”，或者與周圍的環境發生接觸時，疊加態則會消失，而變成某種單一的經典狀態。觀察到一個微觀粒子在未被打擾的情況下同時具有兩種狀態，或是同時出現在兩個地方，這正是薛定諤說的“荒謬”的結果。而在60年之后，兩位物理學家就是通過高超的實驗手段，以不同的方式探測和控制光子與負離子的量子態，揭示了量子力學最奇特的一面，并以此獲得了物理學的最高榮譽。

維因蘭德教授多年來一直研究建造量子計算機，而對于單個微觀粒子狀態的測量和控制則是建造量子計算機的第一步。現代計算機傳遞數據的基本單位是一個比特，其數值只能是0或者1，而科學家們努力構建的量子計算機，正是利用了量子的疊加態，可以同時具有0 和1 兩種狀態，這稱為“量子比特”。因此，一個量子比特可以同時具有00、01、10 和11 四個數值。量子計算機將可以同時進行多個運算，因此其速度與普通計算機相比將會大幅度提高。

在1994年，貝爾實驗室的科學家皮特·秀爾（Peter Shor）在理論上證明了量子計算機可以進行指數級的運算，輕易分解大數的質因子；1997年，同樣來自貝爾實驗室的科學家洛夫·格羅夫（Lov Grover）證明了量子計算機可以迅速檢索互聯網上未分類的信息，這使得量子計算機成為研究的熱門領域。要實現一個最簡單的量子計算系統，必須要滿足兩個條件：首先，這個量子系統必須與周圍的環境隔絕來保證不受外部環境的影響，維持量子態；其次，這個量子系統必須可以和外部的世界通信。維因蘭德領導的研究小組第一個通過實驗實現了利用兩個量子比特進行計算，為了實現這兩點，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困住的處于疊加態的粒子來讀取它的狀態，同時又可以不破壞這種疊加態。這種實驗即使在十幾年前也會被認為是只有在科幻小說中才能實現，現在則成為現實。這不僅是維因蘭德研究組高超實驗手段的體現，同時也依賴近年來通過電磁場捕獲粒子技術、激光冷卻原子技術和光學相干理論研究的進步。

維因蘭德通過激光脈沖作用于量子疊加態的技術不僅是實現量子計算機的第一步，同時也可以幫助建造出世界上最精確的原子鐘——通過一個處于量子態的離子充當原子鐘，而通過另外一個處于量子態的離子或是可見光的激光脈沖來讀取時間，這種新型的原子鐘會比通常使用的通過微波激光讀取時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刻就開始計時，一直到140 億年之后的今天，也只會有四五秒鐘的誤差。建造出這種人類歷史上最精確的時鐘，有著非常重大的實際意義：人類可以更精確地測量各種宇宙常數，同時，也可以進一步驗證廣義相對論的各種預測。根據廣義相對論，在引力場強度更高的地方或是在速度更快的狀態下，時間的流逝將會變慢，這種微觀效應很難在實際生活中觀察到。而通過世界上最精確的原子鐘，一個人即使是高度變化30 米，或是以10 米/秒的速度進行運動，時間對于他流逝的速度變化都可以測量出來——這將是驗證廣義相對論對于時空特性的描述的絕佳工具。

雖然都是在量子光學領域研究光與物質的相互作用，相對于維因蘭德通過光子來測量和操縱離子的量子態，阿羅什則采取了相反的方式——通過原子來測量處于量子態的光子。阿羅什構建了一個光學腔來限制單個光子的活動，在接近絕對零度的溫度下，阿羅什布置了兩個距離只有幾厘米的閃亮的超導體鏡子，單個的光子在進入這個光學腔之后，將會被限制在這個光學腔中長達0.1秒，之后才會逃離或是被吸收。在這段時間內，被困住的光子將以光速旅行4 萬公里，這個長度足以環繞地球一周。

為了研究光子的量子態，阿羅什利用一種叫做里德伯原子的特殊原子進行探測。面包圈形狀的里德伯原子體積比一般原子大上千倍，它對于電磁場的變化又極其敏感。在光子逃離光學腔或是被吸收之前，里德伯原子以一個特定的速度一個接一個地進入這個光學腔，與光子發生相互作用，形成一種糾纏態。因此，當這些原子離開光學腔時，它們的量子態發生了改變，因此，通過測量這些原子狀態的變化，人們就可以了解光學腔內光子的狀態，計算其中光子的數目，并且了解它從量子態到經典狀態的轉變過程。

阿羅什在接受采訪時曾經說過，他花了很大的力氣來建立這些實驗儀器，但是他也說不清他的研究成果究竟會有什么實際應用。他說：“如果你像我們一樣研究單個的粒子，那么你將可以以一種奇妙的方式來揭示量子力學，并且你也可以研究所有的量子過程。”也許，好奇心才是驅動他一生進行這項研究的動力，而研究工作本身就是對他最好的報答。

美國物理學會主席羅伯特·拜爾（Robert Byer）評價說：“阿羅什和維因蘭德都通過優美的實驗手段使這個世紀成為量子世紀。”可能在本世紀中，人類將對量子力學的本質有更深的理解，量子計算機也將成為現實，并且像電子計算機一樣給人類的生活帶來巨大的轉變。而這兩塊諾貝爾物理學獎獎牌，就像是紀念人類探索量子世界的里程碑。

量子計算機或將改變生活

諾獎官方網站在新聞公告中說，兩位獲獎者都在量子光學領域里研究光和物質的基本相互作用，這個領域從上世紀80年代中期以來取得了長足的進展。“他們的突破性實驗方法使得整個研究領域邁出了建立新型超快量子計算機的第一步。也許就在這個世紀里，量子計算機就將徹底改變我們的日常生活，如同經典計算機在上個世紀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鐘，也許將成為未來新的時間標準的基礎，比我們現行的銫原子鐘要精確好幾百倍。”

中國科學院大學副校長、凝聚態物理理論與計算材料物理學專家蘇剛表示，當今的經典計算機的計算能力是有限的；而未來的量子計算機，將對前者實現“史無前例的超越”。

另一方面，這項研究還有助于建造極其精確的時鐘，比現行的銫原子鐘精確好幾百倍。這將在航空航天、GPS 導航和軍事國防等領域產生深遠影響。蘇剛說：“這種精密測量技術為未來的‘時間’概念提出新的標準。”

“這是兩種開創性的技術，后來都發展成為量子研究領域新的研究手段和實驗技術。”中科院院士、中科大量子信息重點實驗室主任郭光燦在接受記者采訪時說。

阿羅什的工作是打造出一個微波腔，借助單個原子在微波腔中會輻射或吸收單個光子的特性，實現了操縱單個光子。而維因蘭德則制造出了一個離子阱，先用光來俘獲離子，然后用激光冷卻離子，進而對離子進行測量和控制。

“在科學上，他們的研究標志著人類對物質的操控能力大大提高了。”中科院院士潘建偉在接受記者采訪時評價，“具備這一能力后，量子計算和精密測量便有了變為現實的可能性。”比如，用于制造衛星導航、飛機上GPS所需要的精確時鐘。

山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室教授張天才對記者說，這些實驗方法在單原子、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，開辟了操控和測量單量子系統的方法，在精密測量、量子信息和量子控制中具有重要應用。

諾貝爾獎獲得者與中國的淵源

2000年，郭光燦和學生在《物理評論》上發表了一篇理論文章，阿羅什很快發現了這篇文章，并在2001年用此次獲獎的實驗方法證明了這個理論。

“實驗成功之后，阿羅什在發給我的一封電子郵件中說：‘很高興在實驗上把你們的方案做出來。’”郭光燦告訴記者，后來，他的學生還有兩篇理論文章同樣被阿羅什小組用實驗證明。隨后，這名學生還被阿羅什邀請去法國訪問學習了一段時間。

張天才說，國內最近幾年也有若干大學和研究機構開展了單量子系統操控和腔量子電動力學方面的理論和實驗研究，并取得了重要進展。“國內很多從事量子光學研究的單位與阿羅什所在的法國巴黎高師有多年的密切合作交流關系。”

提到兩位獲獎的科學家，潘建偉稱，他在奧地利留學時便結識了阿羅什，“他是一位溫文爾雅的科學家，而維因蘭德則更具備美國西部牛仔的氣質。”

“目前，國家自然科學基金委和科技部都有相關項目支持這方面的理論和實驗研究。”張天才告訴記者。

近年來，我國科學家在整個量子信息領域的研究都取得了長足進步。今年6月，潘建偉團隊在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定了技術基礎。

不過，在探討到兩位獲獎科學家的成就時，中科院院士孫昌璞直言：“在量子研究領域，目前中國的實驗水平已經很高了，但相比兩位獲獎者的成果，因為中國用的都是商業化設備，所以在實驗方法和技術上，很難有真正原創性的創新。”