“粒子獵手”打開量子世界之窗

在野外挖個陷阱，一些野生動物就可能陷在其中難以逃脫，這是一種常見的捕捉野生動物的方法。這種方法看似十分古老且平常，它卻同樣可以用于尖端的量子物理學(xué)研究領(lǐng)域。2012年10月9日，來自法國和美國的兩名“粒子獵手”一起獲得了2012年諾貝爾物理學(xué)獎，他們的突破性研究，讓原本神秘的量子世界不再“與世隔絕”。他們采用的就是設(shè)置陷阱的方法來捕捉粒子，只不過要設(shè)置這樣一個高科技陷阱，可比在野外挖坑難多了，一度被科學(xué)界認為是不可能的事情。

光子獵手

法國物理學(xué)家塞爾日·阿羅什率先完成了這個“不可能的任務(wù)”。從1990年開始，他就在展開相關(guān)研究，最終他在接近絕對零度（-273℃）的溫度條件下，用兩個高性能超導(dǎo)體充當反光鏡組成了一個光學(xué)陷阱。這種陷阱的科學(xué)術(shù)語為高反射光學(xué)微腔，或是光子阱。

接下來，阿羅什成功地把一些光子引入到光子阱中。這些光子被困在反光鏡陷阱中的時間僅僅為0.1秒。這個時間對我們普通人來說實在太短了，但是對于量子物理學(xué)家來說，這個時間已經(jīng)足夠長了。這期間，光子不斷反彈的總移動距離高達3萬千米，足以做很多測量和操控動作。阿羅什就是抓住了這個轉(zhuǎn)瞬即逝的機會，將一個極為活躍的“里德博原子”送入陷阱中作為探針。這個原子在捕獲光子后，將單個光子的量子信息呈現(xiàn)出來，就如同X光描繪出人體的內(nèi)部構(gòu)造一樣。

雖然阿羅什早在20年前就設(shè)置出光子阱，但是他一直堅持從事這個領(lǐng)域的研究，并不斷獲得新的突破。2011年，阿羅什在光子阱實驗中引入反饋機制。當發(fā)現(xiàn)光子阱中的光子數(shù)變少時，他就注入新光子，令光子阱中保持固定數(shù)目的光子。采用這樣的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，這超越了愛因斯坦希望把光子困住幾秒的設(shè)想。

離子獵手

在阿羅什的實驗中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探針。美國科學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德設(shè)計的實驗正好與之相反，他把離子（即帶電的原子）囚禁起來，用光子作為探針去探測和操控它。阿羅什用光學(xué)陷阱來囚禁光子，維因蘭德則用電磁場作為陷阱囚禁離子，這個陷阱的科學(xué)術(shù)語因此稱為離子阱。為了確保被囚禁的是單個離子，需要這個實驗在超高真空和超低溫的條件下進行，要實現(xiàn)這些條件又是十分高難度的事情。最終，維因蘭德完成了對單個離子的囚禁，測得了單離子的量子信息。

他們的研究能做什么

目前，離子阱和光子阱已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)和技術(shù)研究的各個領(lǐng)域，為精密測量、制造新材料提供了廣泛的實驗基礎(chǔ)。離子阱的研究還可以用來制造超高精度的原子鐘。在這種新型的原子鐘里，科學(xué)家用囚禁起來的離子取代了傳統(tǒng)原子鐘所采用的銫原子。目前，這種新型時鐘已經(jīng)達到了比傳統(tǒng)銫原子鐘高兩個數(shù)量級的精度。在那樣的精度下，哪怕從宇宙大爆炸之初開始計時，迄今的累計誤差也只有區(qū)區(qū)幾秒。

諾貝爾評獎委員會最認可阿羅什和維因蘭德的原因，卻是他們開啟了量子計算機時代的大門。由于量子計算機在理論上要比現(xiàn)有的計算機快成千上萬倍，人們十分期盼它能盡快變?yōu)楝F(xiàn)實。量子計算機研究面臨的難題之一就是如何操控單粒子的量子狀態(tài)，而兩位科學(xué)家的研究讓量子計算機的理論基礎(chǔ)變得扎實起來。目前，科學(xué)家最樂觀的預(yù)測是10年后將出現(xiàn)量子計算機。一旦那天來到，新的技術(shù)革命也將隨之出現(xiàn)。

小鏈接

現(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到量子物理學(xué)了，它的研究對象是原子、電子、光子等各種微觀粒子。在量子物理學(xué)研究過程中，一直存在一個很大的難題，那就是量子物理學(xué)家無法直接觀測到單個粒子，他們只能通過觀測一群粒子的宏觀活動，然后推測出這些粒子的微觀量子特征。這是為什么呢？原來，粒子實在太小且太活潑了，找到單個的粒子就很不容易了；即使找到它，它也不會按照某種規(guī)律停在某個地方或某個軌跡上，老老實實地讓你去觀測它。于是，科學(xué)家自然而然就想到設(shè)置一個陷阱去困住這些粒子。