量子物理學的新曙光

　　兩位諾貝爾物理學獎獲得者，首次讓量子物理領域的研究向應用層面發展，讓新一代的超級量子計算機的誕生，有了初步的可能
　　2012年諾貝爾物理學獎結果正式揭曉。10月9日，瑞典皇家科學院宣布，將2012年諾貝爾物理學獎分別授予法國物理學家塞爾日·阿羅什和美國物理學家戴維·瓦恩蘭，以表彰他們在量子物理學方面的卓越研究。
　　這兩位物理學家用突破性的實驗方法，使單個粒子動態系統可被測量和操作。他們獨立發明并優化了測量與操作單個粒子的實驗方法，而實驗中還能保持單個粒子的量子物理性質，這一物理學研究的突破在之前是不可想象的。
　　通過巧妙的實驗方法，阿羅什和瓦恩蘭的研究團隊都成功地測量和控制了非常脆弱的量子態，這些新的實驗方法使他們能夠檢測、控制和計算粒子。
　　單個粒子極難俘獲
　　在基本粒子所處微觀層面上，單個粒子一方面難以與周圍環境分離，另一方面是一旦與周圍環境相互作用，隨即失去量子特性；另外，如果兩個粒子相互作用，即使兩者分離，互動作用會繼續存在。瑞典皇家科學院也認為，單個粒子很難從周圍環境中隔離觀測，一旦它們與外界發生交互，通常會失去神秘的量子性質，從而無法觀測到量子物理學中很多奇特現象。
　　相當長一段時期內，量子物理學理論所預言的諸多神奇現象，難以在實驗室環境下直接“實地”觀測和驗證，只存在于研究人員的“思維實驗”中。
　　評委會認定，兩位諾貝爾獲獎者“開啟量子物理學實驗新時代的大門，顯示不必損毀量子粒子個體，就可以直接觀測它們”。
　　兩位獲獎者的實驗方法有很多相似之處，瓦恩蘭困住帶電原子或離子，通過光或光子來控制和測量它們；而阿羅什卻讓原子通過一個陷阱，從而控制和測量被困光子和光的粒子。
　　微觀與宏觀世界有何不同
　　物理世界分成宏觀和微觀兩個層面，宏觀是人眼能見到，能夠操縱的現實世界，而微觀層面則由極小無比的量子構成，在微觀世界中的量子，有著宏觀世界無法想象的特性。
　　對此，物理學界有一個很著名的說法：“薛定諤的貓”，是關于量子理論的一個理想實驗的體論。其中，貓相當于微觀世界里的量子，可以同時存在于兩個不同的狀態中，如“死”與“活”，只有進入宏觀世界時，這種狀態才會被打破。
　　在量子世界中，量子可以同時處于A地和B地，但在宏觀世界中，一個人無法同時存在于左邊的屋子和右邊的屋子里。
　　目前，獲獎的物理學家就在挑戰這種極限，試圖在微觀和宏觀之間掛鉤，物理學家們的想法是，把微觀的系統盡可能做大，先控制一個離子的疊加狀態，然后控制幾個，再幾十個，希望有朝一日，能夠足夠大到進入宏觀層面。
　　如何在微觀世界“捕粒子”
　　法國與美國的這兩位科學家一同得獎，是因為他們有一個共同性，即能夠操縱微觀世界里的單個量子。戴維·瓦恩蘭所做的工作，是用激光冷卻帶電的離子，令其處于溫度極低的狀態，能量也降到最低，這樣，原先能量和狀態極其不穩定的離子就被“囚禁”了，然后就可以用激光操縱這些單個離子的內部狀態。
　　戴維·瓦恩蘭做的系統稱為“離子井”，就好像把離子陷在井里一樣，目前他在這項研究取得的成果，處于世界最高水平。
　　而獲獎的法國科學家塞爾日·阿羅什則采用了另一種方式，即微波為主，激光為輔的方式來操縱單個原子的量子狀態，其系統被稱為“微波槍”。
　　阿羅什與瓦恩蘭的研究成果能夠檢測、控制和計算粒子。以前，粒子被測量和操作只有理論上能夠辦到。畢竟單個粒子很難從周圍環境中隔離觀測，一旦它們與外界發生交互，通常會失去神秘的量子性質，使得量子物理學中很多奇特現象無法觀測到。
　　兩位獲獎者通過實驗，能夠直接觀察單個粒子卻不對其產生破壞，開辟了量子物理學實驗領域的新時代。
　　量子光學研究向應用發展
　　量子光學領域自上世紀80年代之后開始迅速發展。塞爾日·阿羅什和戴維·瓦恩蘭兩位獲獎者在這一領域均研究多年，兩位獲獎者首次讓這個領域的研究向應用層面發展，讓新一代的超級量子計算機的誕生有了初步的可能。
　　科學界認為，下一代計算機將是建立在量子層面的，它將比傳統的計算機數據容量更大，數據處理速度更快。未來的量子計算機，將徹底改變我們的日常生活，實現對當今的經典計算機“史無前例的超越”。
　　這些研究也在極端精準的光子鐘領域有著重大貢獻。光子鐘是世界上最精準的鐘，比目前的最精準的銫原子鐘還要精確好幾百倍。這種精密測量技術將對未來的“時間”概念提出新的標準。
　　這些研究成果還將在航空航天、GPS導航和軍事國防等領域產生深遠影響。現今，我國的量子光學在某些方面處于世界領先水平，如實現了量子層面較遠距離的“瞬間轉移”，但采用的技術總體上還較為簡單，不過有些大學已經開始引入“離子井”這樣復雜高尖端的系統。（摘編自《新京報》）
　　檔案：
　　塞爾日·阿羅什是法國人，現居巴黎，1944年9月11日出生于摩洛哥，1971年他從法國第六大學獲得博士學位，現為法蘭西學院教授兼量子物理學會主席，同時他也是法國、歐洲和美國物理學會會員。阿羅什的獲獎，使法國獲得諾貝爾獎的科學家達到了55人。阿羅什主要研究領域是量子光學和量子信息科學。
　　戴維·瓦恩蘭是美國物理學家，1944年出生于美國密爾沃基。1970年，他從哈佛大學獲得博士學位。現供職于美國國家標準與技術研究院和科羅拉多大學波爾得分校。瓦恩蘭現為美國國家標準與技術研究院離子儲存組組長。
　　鏈接：
　　粒子是指能夠以自由狀態存在的最小物質組分。最早被發現的粒子是電子和質子，1932年又發現中子，確認原子由電子、質子和中子組成，比起原子，是更為基本的物質組分，于是稱之為基本粒子。后來被發現的粒子種類越來越多，累計已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢；此外這些粒子中有些粒子迄今的實驗尚未發現其有內部結構，有些粒子實驗顯示具有明顯的內部結構。看來這些粒子并不屬于同一層次，因此基本粒子一詞已成為歷史，如今統稱之為粒