神秘的量子世界不再“與世隔絕”——2012年諾貝爾物理學獎簡介

郭雅潔 桑芝芳

（蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006）

北京時間2012年10月9日17時45分，同為68歲的法國科學家塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）與美國科學家戴維·瓦恩蘭（David Wineland）分享了2012年諾貝爾物理學獎.獲獎理由是他們“提出了突破性的實驗方法，使測量和操控單個量子系統成為可能”.他們的突破性研究，讓原本神秘的量子世界不再“與世隔絕”.

1 兩位科學家的生平介紹

塞爾日·阿羅什（圖1）于1944年9月11日出生在摩洛哥卡薩布蘭卡，現在居住于巴黎，有兩個孩子.阿羅什的母親出生于俄國，是一位教師，父親是律師.

塞爾日·阿羅什是法國物理學家、法蘭西學院院士，美國國家科學院外籍院士，目前在法蘭西學院和法國巴黎高等師范學院任教授.他的博士論文導師是1997年諾貝爾物理學獎得主克洛德·科昂 唐努德日.

圖1

塞爾日·阿羅什的工作屬于物理學三大領域中的“原子分子與光物理”部分（另兩個是粒子物理和凝聚態物理）.他的主要研究領域是量子光學和量子信息學，對量子光學中的量子電動力學研究做出過重要貢獻，在實驗量子力學領域享有盛名.他在腔電動力學方面的主要成就包括：（1）在一個腔體中觀察到單原子自發輻射有所增強；（2）利用微波腔實現了對單個原子的囚禁；（3）單個光子的量子非破壞測量；（4）直接測定了腔體中的場量子化；（5）直接監控介觀量子退相干現象；（6）實現了光子存儲；（7）完成了量子信息過程的許多步驟比如產生原子原子、原子光子的糾纏態；（8）實現了將光子和原子作為“量子比特”的量子邏輯門操作.［1］

圖2

戴維·瓦恩蘭（圖2）是美國物理學家，1944年2月24日出生于美國密爾沃基.1961年，瓦恩蘭從加州沙加緬度的恩忻娜高中畢業.他申請獲準到加州大學柏克萊分校讀書.1965年，得到學士學位.之后，他以優異成績轉入哈佛大學，在獲得1989年諾貝爾物理學獎物理大師諾曼·拉姆齊誨人不倦的指導下攻讀博士學位.1970年，獲得博士學位，博士論文為《原子重氫激微波》（The Atomic Deuterium Maser）.之后，他加入1989年諾貝爾物理學獎得主漢斯·德默爾特的研究團隊，在華盛頓大學做博士后.1975年，美國國家標準技術研究所聘請他為物理研究員.在那里，他成為離子儲存團隊的領導人.［2］瓦恩蘭是美國物理學會，美國光學學會的會士，美國國家科學院的院士.曾獲得阿瑟·肖洛獎（激光科學）、美國國家科學獎章（物理學）、赫伯特·沃爾特獎、本杰明·富蘭克林獎章（物理學）等.他的主要工作包括離子阱的激光冷卻，以及利用囚禁的離子進行量子計算等，因此被認為是離子阱量子計算的實驗奠基者.他的工作主要成就包括：（1）用激光來冷卻陷俘于保羅阱里的離子，并且應用這技術制成比原子鐘更準確的光學鐘；（2）用陷俘離子的概念來實現量子計算機的量子門，對于量子運算做出重大貢獻；（3）直接非摧毀性地觀察單獨量子粒子的量子行為，這使得物理學者能夠做實驗檢驗像薛定諤貓一類的思想實驗.［1］

2 諾貝爾物理學獎簡介

與人們熟知的世界截然不同，自然界還存在著另類世界，被稱為量子世界.在量子世界中，粒子行為不遵從經典物理學規律，人類對量子的觀測更是難上加難.而通過巧妙的實驗方法，阿羅什和瓦恩蘭的研究小組成功地實現對單個量子系統的測量和控制，顛覆了之前人們認為的其無法被直接觀測的看法［3］.塞爾日·阿羅什和戴維·瓦恩蘭各自獨立發明和發展了測量及操控單個粒子的方法，并能在實驗過程中保有粒子的量子力學特質，而這種方式在此之前被認為是不可企及的.兩位科學家的工作領域均屬于量子光學，事實上，他們所采用的方法還有很多共通之處：戴維·瓦恩蘭使用光子來控制和測量被囚禁的帶電離子，塞爾日·阿羅什則采用了相反的途徑，他控制并測量了被囚禁的光子，具體需要原子穿越陷阱來實現.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.而瓦恩蘭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.［3］

在量子光學中Jaynes－Cummings模型描述的是一個兩能級原子與一個單模量子化光場相互作用的耦合系統.該模型是人們研究光場與物質相互作用規律的基礎和出發點.在這個模型中，光是量子化的，可描述單獨的光子與單獨的原子相互作用.［4］然而，如何實現一個簡單干凈的量子系統來符合Jaynes－Cummings模型一直是個難題.20世紀80年代，阿羅什帶領他的團隊用里德堡原子束通過高反射率的微波腔，實現了微波頻率的光子與里德堡原子不間斷的相互作用，從而解決了這個問題.

里德堡原子指的是最外層電子處于非常高能級的原子，半徑也達到基態原子的1000倍以上.在阿羅什的實驗中，用的是最外層電子處于n＝50的能級的銣原子，而光子的頻率為51Hz，對應的是銣原子n＝50到n＝51能級的躍遷頻率.通過控制微波腔的腔長（2.7cm），可以有效抑制n＝51銣原子在51Hz頻率上的自發輻射，從而使腔內的銣原子不斷地重復著先受激輻射出一個51Hz的光子，經過腔內表面反射后再被下一個銣原子吸收這個過程，直到130ms后光子脫離這個微腔為止.［3］

阿羅什的Cavity－QED（腔量子電動學）系統一個重要的應用就是“弱測量”：微調微波腔長，使里面囚禁的光子的頻率與稍稍遠離原子的共振頻率，原子便不會吸收和輻射光子.但是通過腔的原子基態的能級會因為光子的存在而產生微小的頻率移動，該移動與光子的數量成正比.從而通過測量原子基態能級的頻率移動會準確得到腔內的光子數，實現對光子的非破壞性測量.［2］

在測量某一體系中的可被觀測到的量子時，人們需要把它耦合到某一場上，而這樣的場往往會給所要測量的系統帶來量子噪聲，限制著人們對微弱信號的測量，量子非破壞性測（Quantum－Nondemolition，簡稱 QND）則提供了一種克服量子噪聲的新穎的方法，原則上它能以任意精度探測到極其微弱的信號［5］.阿羅什團隊曾利用非破壞性測量方法，使用了“色散原子探針”（DAP－QND），這是一種能夠持續探測到極少數目光子的非共振原子場，它實際上是一束穿過腔中的兩能級原子，而這一場對系統中光子數目沒有任何的反作用.［6］

瓦恩蘭團隊的工作是利用Paul阱囚禁少量離子，實現了簡單的量子計算.Paul阱用四根彼此平行的柱子產生的四極交變電場來囚禁離子.由量子力學可得知，勢阱內的囚禁的離子除了具有電子的能級之外，還有具有振動能級.用激光控制離子電子能級間的躍遷，會導致離子在阱內振動間的躍遷.這樣可以使得離子躍遷到振動能級的基態，實現對離子的冷卻.一串相同的離子可以同時囚禁在四根柱子的中心，并連成一線，同時靜電排斥力讓他們彼此有關聯.這就是一個較為理想的實現量子計算的系統.

該離子阱量子計算方案最早由兩位奧地利理論物理學家I.Cirac和P.Zoller在1995年提出，很快在1995年年底，瓦恩蘭的團隊就在實驗上實現了它.瓦恩蘭的實驗開創了離子阱量子計算技術，該技術能夠通過增加囚禁的離子的數量來增加量子比特的數量，因此很長時間以來被視為最有希望的量子計算方案.

在Cirac和Zoller提出方案的基礎上，瓦恩蘭團隊證實了由一對量子比特（quantum bits，qubits）組成的“受控非門”（Controlled－NOT，CN）這一量子邏輯門，這一操作與簡單的但比特操作結合時即可形成量子計算機的通用的量子邏輯門.這兩個量子比特包括一個受禁原子的兩個內在態（inner state）和兩個外在態（external state），而這一原子則被激光冷卻到零點能量.雖然這個極小的系統僅由兩個量子比特組成，但它為大規模的量子計算機提供了必要的基本操作.量子計算機在實驗中的實現需要充當量子比特作用的孤立的量子系統，如果量子比特沒有能夠與外界的影響做夠分離，那么退相干作用可能會破壞量子干涉.

量子計算機的最顯著的特征是其儲存和數字的疊加的能力，最引人注目的例子是由Shor提出的量子計算機高效分解較大數字的運算程序.由于普通的計算機不能分解較大的數字，在這一點上，量子計算機則為數據加密體系的安全性提供了巨大的保障，這必將引來極大的關注.［7］

諾貝爾物理學獎評審委員會認為，這兩位獲獎者首次將量子光學領域的研究由基礎理論向應用層面發展，讓新一代的超級量子計算機的誕生有了初步的可能，這或將導致極其先進的通信和計算模式.換句話說，這是向著研制具有驚人運算速度的量子計算機邁出了第一個腳步.科學界認為，下一代計算機室建立在量子層面的，它將比傳統的計算機數據容量更大，數據處理速度更快.或許，就在本世紀，量子計算機會徹底改變我們每個人的日常生活——正如經典計算機在上個世紀曾徹底顛覆每個人的生活方式一樣.

評委會還表示，兩位科學家對極端精準的光子鐘領域也有重大的貢獻.光子鐘是目前世界上最精準的鐘，比銫原子鐘要精準好幾百倍.此前，世界最精確的時鐘曾經就是瓦恩蘭就職的科羅拉多州國家標準與技術研究所制造的量子邏輯鐘，它的誤差約為每37億年1秒.

阿羅什與瓦恩蘭展示了如何在不破壞單個粒子的情況下對其進行直接觀察的方法，但他們做到的卻不只是在量子世界控制住粒子，其帶給人們生活的改變，將遠超今天我們所能夠看得到的.

1 http：／／zh.wikipedia.org／wiki／.

2 http：／／baike.baidu.com／cms／s／wulixuejiang／index.html.

3 http：／／news.sciencenet.cn／htmlnews／2012／10／270224.shtm.

4 M.Brune，F.Schmidt－Kaler，A.Maali，J.Dreyer，E.Hagley，J.M.Raimond，and S.Haroche.Quantum Rabi Oscillation：A Direct Test of Field Quantization in a Cavity.Phys.Rev.Lett.76，11（1996）.

5 Zheng Shi－Biao.Quantum Nondemolition Measurement of Photon－number Distribution For a Weak Cavity Field With Resonant Atoms.Chin.Phys.12（01）.

6 M.Brune，S.Haroche，and J.M.Raimond.Manipulation of Photons in a Cavity By Dispersive Atom－field Coupling：Quantum－nondemolition Measurements and Generation of“Schrodinger cat”States.Phys.Rev.A 45，5193（1992）.

7 C.Monroe，D.M.Meekhof，B.E.King，W.M.Itano，and D.J.Wineland.Demonstration of a Fundamental Quantum Logic Gate.Phys.Rev.Lett.75，4714（1995）.