操纵和测量单个量子态——2012年诺贝尔物理学奖简介＊

郭文祥 刘伍明②

①本科生，清华大学物理系，北京100084；②研究员，中国科学院物理研究所，北京100190＊量子调控国家重大科学研究计划（2011CB921500）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA04072800）

操纵和测量单个量子态
——2012年诺贝尔物理学奖简介＊

郭文祥①刘伍明②

①本科生，清华大学物理系，北京100084；②研究员，中国科学院物理研究所，北京100190
＊量子调控国家重大科学研究计划（2011CB921500）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA04072800）

非破坏性测量 量子光学 量子操控

同为68岁的法国科学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）与美国科学家大卫·维因兰德（David J.Wineland）分享了2012年诺贝尔物理学奖。他们的突破性研究，让原本神秘的量子世界不再“与世隔绝”。在量子世界中，粒子行为不遵从经典物理学规律，人类对量子的观测更是难上加难。通过巧妙的实验方法，阿罗什和维因兰德的研究小组成功地实现对单个量子态的测量和控制，颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测的看法。

2012年10月9日下午，诺贝尔物理学奖揭晓。瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会将奖项授予量子光学领域的两位科学家——法国物理学家塞尔日·阿罗什与美国物理学家大卫·维因兰德，以奖励他们“提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子态成为可能”。图1为科学家操控单个量子的漫画。

组成世界的基本成分——原子（物质）和光子（光）的运动由量子力学来描述。这些粒子大多并不孤立，而是与环境进行强烈的相互作用。然而粒子系统的运动则与孤立粒子不同，常常可以用经典物理学来描述。量子力学领域一开始的时候，物理学家只能使用思想实验去简化情况，并预测单个量子粒子的行为。

图1 科学家操控单个量子的漫画

20 世纪八九十年代，物理学家发明了各种方法用以冷却势阱中的单个离子并用激光控制它们的状态。一种方法中，使用和环境只有微弱相互作用的光子可以原位操纵和观察单个离子；另一种实验方法中，光子被囚禁在谐振腔中操纵，通过巧妙设计的实验可以在不破坏状态的情况下观测到与原子相互作用的腔中光子。这些技术使科学家们验证量子力学的基本原理和微观与宏观世界之间的转变不再只依靠思想实验。

通过非破坏性直接观测单个量子系统，阿罗什和维因兰德拉开了量子物理学新时代的大幕。通过巧妙的实验方法，他们成功地测量并操纵了非常脆弱的量子态，他们的工作为制造新型超高速量子计算机迈出了坚实的第一步。这种方法也可以用来制造极精准时钟，用于未来的新的时间标准，这将比现有的铯原子钟精确百倍。

两位获奖者均致力于量子光学领域物质粒子及光子基本相互作用的研究工作。这个领域从20世纪80年代中期开始有飞跃性的发展。图2为如何控制独立量子系统的科学背景图解。左图显示了谐振阱中的一个离子（铍离子），它的量子态（包括固有属性和运动状态）受到激光脉冲的控制；右图是一个高品质微波谐振腔中的一个（或几个）光子，让处于高能激发态的铷原子通过空腔，与光子发生相互作用，就可以测量和控制这些光子的场状态。

图2 如何控制独立量子系统的科学背景图解

1 控制势阱中的单个离子

这个研究领域开始于20世纪70年代开发的用于捕获带电粒子的技术。保罗（Paul）和德默尔特（Dehmelt）因“发展离子阱技术”获得1989年诺贝尔物理奖。离子阱是结合静电场和振荡电场在超高真空中建立的。有的离子阱只有一个离子被捕获，也有线性离子阱是几个离子分布在一列上。被捕获的离子会进行振荡，而且低温时振荡是量子化的。因此，离子有两种量子能级：描述离子阱中运动的振动模式（也叫外部态）和描述离子内部量子态的电子能级。这些能级可以通过光吸收或发射耦合，并产生一个双光子过程，叫拉曼跃迁。因此离子可以通过激光激发产生强烈光散射的光学转换而观测。这种现象可以被眼睛或用CCD相机直接观测。此外，离子的内部状态可以通过观察量子跃迁而确定［1－2］。如图3通过观察铍离子发出的荧光的颜色，可以判断离子所处的量子态。

图3 3个阱中铍离子发出的荧光图

控制离子量子态的重要一步是用边带冷却技术把离子冷却到势阱的最低能量［3－4］。图4显示了两种不同电子能级囚禁离子的几个振动态。这项技术由激发离子，提高内能和减少振动能这三个步骤组成。这是用频率为ω0—ων的窄带激光处理，其中ων代表阱中两种振动模式的频率差，ω0是原子频率，也就是说激光频率是两种电子能级的离子之间的频率差。激发离子优先向振动量子数相同的态衰变。这减少了离子能量，并让离子逐渐冷却到振动量子数ν＝0的状态。这项由维因兰德及其同事开发的技术允许控制离子内部和外部两种自由度［5］。

图4 边带冷却原理

另一个突破是发展把电子量子叠加态转化成阱中振动量子叠加态的技术［6］，这项技术的灵感来自于Cirac和Zoller在1995年的理论提议［7］。这种量子叠加态可以传递到另一个与第一个离子相同振动态的离子，这由Blatt及其合作者于2003年在奥地利因斯布鲁克大学实现了［8］。这项技术被维因兰德和合作者广泛应用于退相干测量和光学时钟，并且它还是基于囚禁离子的量子逻辑门的基础。

2 在势阱中控制单个光子

塞尔日·阿罗什和他的研究小组采取了不同的方法揭示神秘的量子世界。在巴黎的实验室里，微波光子在相距2.7 cm的镜片之间反弹。镜片用超导材料制作，被冷却到0.8 K，刚刚超过绝对零度。单个的光子在它们之间的空腔反弹大概130 ms，直到它丢失或被吸收。这意味着光子能够穿越40 000 km的长度，相当于环绕地球一周。

腔中的场用Rydberg态铷原子来探测（图5）。这种原子非常大，半径约125 nm，并与腔中场进行强烈的耦合。从能级n＝50（｜↓＞）到n＝51（｜↑＞）的跃迁几乎与腔中微波场有相同频率（51 GHz）。腔R1和腔R2用来制造和分析｜↓＞态和｜↑＞态之间的受控量子叠加，选择性离子化检测器（D）检测原子状态，相干源产生的光子通过波导与腔耦合。原子依次地一个个用控制的速度送入空腔中，因此它们与腔的相互作用时间也是被控制好的。在阿罗什小组所做的大多数实验中，原子和场仅有稍微不同的频率。腔中穿过的原子并不吸收光子，但它的能级因为动态斯塔克效应而变化。这种相位偏移的符号，取决于原子是｜↓＞态还是｜↑＞态导致的原子和场的纠缠［9］。

图5 用Rydberg原子研究微波场的实验装置

1990年，阿罗什和同事提出了非破坏性测量腔中光子数目的方法［10］。最近，他们用实验验证了此方法［11－12］。单个光子被捕获在空腔中，并通过光子与原子的相互作用来观察。Rydberg原子穿越空腔并离开，留下光子，但之间的相互作用使原子的量子相位发生改变，就像一阵波。当Rydberg原子离开空腔时，相位改变能通过测量得到，从而暗示空腔中光子的存在或逃逸。借助这个方法，阿罗什和他的团队设计后期方案一步一步实现单个量子状态的测量［11］。

2001年，阿罗什小组还在他们的微波腔中实现了通过交换虚拟的单个光子实现两个Rydberg原子之间的纠缠实验研究［12］。这一实验是基于当时中国科学技术大学学者郑仕标和郭光灿的理论工作的基础上完成的［13］。由于实验过程不交换真实的光子，从而有效降低了腔场消耗相干的影响，原子的纠缠特性得以被有效观测到。

3 量子力学悖论

量子力学描绘了一个肉眼无法观测的微观世界，这个世界中事件总与我们的期望和在宏观经典物理中的经验相反。量子物理的一个中心问题是量子世界与经典世界的转化。量子世界本身具有不确定性或者说是随机性。一个例子是叠加态，一个量子可以有多重形态。我们通常不会认为一块大理石同时在“这里”也在“那里”，除非它是一块量子大理石。当我们想找出它到底在哪里时，叠加态的大理石只能确切地告诉我们大理石在这里或那里的概率。

为什么我们从没有察觉到现实中有这些奇怪的现象呢？为什么我们从没有在日常生活中观察到叠加态大理石呢？奥地利物理学家及诺贝尔物理学奖得主（1933年）薛定谔争辩道。正如其他量子理论的先驱，他试图理解和阐释这些现象。1952年，他写下：“我们从来没有用一个电子、原子或者其他分子做过实验。在思想实验中，我们的假设，这总是导致可笑的后果……”［15］

为了说明将我们的宏观世界间思想实验移动到微观量子世界可能产生的荒谬的结果，薛定谔描述了一个关于猫的思想实验：薛定谔的猫被放在一个与周围环境完全隔离的箱子内（图6）。这个箱子内有一瓶致命的氰化物，还有一些处于激发态的放射性原子衰变。放射性衰变遵循量子力学定律，因而它处于发射和未发射的叠加状态。因此，猫处于活着和死了的叠加状态。现在，如果你窥视箱子内部，你正在冒着杀死这只猫的风险，因为量子叠加态对环境作用非常敏感以至于丝毫观察猫的意图会让猫“塌缩”到出现死或者活两种状态中的一种。在薛定谔看来，这个思想实验导致了一个荒谬的结论。据说后来他为让量子力学如此混乱而道歉。

2012年的两位物理学奖获得者能够映射到当外界环境参与时量子猫的状态［16］。他们分别设计了创新实验，详细说明观测这一行为实际上如何导致量子状态的崩溃并失去其叠加特性的。阿罗什和维因兰德并没有用猫，而是将势阱中的离子放入薛定谔假设的叠加态中。这些量子物体尽管宏观上没有猫那样的形状，但相对于量子尺度仍然足够大。在阿罗什的空腔中，不同相位的微波光子被同时放置在像猫一样的叠加态中，像同时有很多顺时针或逆时针旋转的秒表。空腔中的微波场用Rydberg原子探测［17－18］。结果出现了另一个难以理解的被称为纠缠态的量子效应。纠缠同样也被薛定谔描述过，可以发生在两个或多个量子之间，他们彼此没有直接接触，却可以读取或影响对方的属性。微波场中量子的纠缠态和Rydberg原子的运动让阿罗什映射活着和死亡的猫一样的状态，进而一步一步，经历了从量子叠加态到被完全定义的经典物理态的过渡［19］。

图6 薛定谔的猫漫画图

4 量子计算机和超精准时钟

在1995年Cirac和Zoller发表的一篇创意十足的理论文章中，他们提议用囚禁离子构建量子计算机。量子比特用阱中离子的超精细能级编码，与环境作用非常微弱，因此可以长时间存在。两个或两个以上离子可以通过质心运动耦合。维因兰德和他的小组是世界上第一个实现运动和自旋耦合两量子比特实验操作的。现在最先进的量子计算机技术是基于囚禁离子，而且已经实现到了14量子比特［20］。然而量子计算机依然存在许多问题，比如相对立的两个问题：量子需要绝对隔离外界环境，以保持量子特性；而它们又需要和外界交换它们的运算结果。尽管如此，21世纪量子计算机有可能完成。如果这样，如同20世纪计算机信息时代，量子计算机将带来计算机领域一场全新的革命。

维因兰德实验的一个重要应用是光学时钟（图7）。维因兰德和他的团队运用势阱中的离子制作了一个时钟，它比作为现在时间标准的铯原子钟精确了100倍。因为维因兰德的离子钟使用可见光或紫外光，比铯原子钟使用的微波波段的频率高几个数量级。一个光钟仅包含一两个囚禁的离子。如果包含两个离子，则一个用来做钟，另一个用来在不破坏它状态的情况下进行读取，或者错过一个刻度。光钟的误差率低于10－17，这意味着如果从大约140亿年前的大爆炸开始计时，光钟到现今的偏差仅为5 s。

图7 光钟漫画图

利用如此精确的时钟，可以观察到一些原来难以观察到的极其微妙的自然现象，例如时间的缓缓流逝，重力的微小变化，时空的交织。根据爱因斯坦相对论，时间受到运动和引力的双重影响。速度越快，引力越强，时间流逝越慢。虽然我们平常不能察觉到这种现象，但它确实存在于我们的日常生活中。运用GPS导航时，我们依赖卫星发送的时间信号，但这些时间信号却因为几百公里外引力变弱而需要定期校准。运用光钟，我们可以测量速度变化小于10 m／s，或者高度差为30 cm处引力改变所引起的时间流逝的变化［21］。

（2012年11月14日收到）

［1］NAGOURNEY W，SANDBERG J，DEHMELT H.Shelved optical electron amplifier：observation of quantum jumps［J］.Physical Review Letters，1986，56：2797-2799.

［2］BERGQUIST J C，HULET R G，ITANO W M.et al.Observation of quantum jumps in a single atom ［J］.Physical Review Letters，1986，57：1699-1702.

［3］DIEDRICH F，BERGQVIST J C，ITANO W M.et al.Laser cooling to the zero-point energy of motion［J］.Physical Review Letters，1989，62：403-406.

［4］MONROE C，MEEKHOF D M，KING B E，et al.Resolvedsideband Raman cooling of a bound atom to the 3D zero-point energy［J］.Physical Review Letters，1995a，75：4011-4014.

［5］MEEKHOF D M，MONROE C，KING B E，et al.Generation of nonclassical motional states of a trappedatom ［J］.Physical Review Letters，1996，76：1796-1799.

［6］MONROE C，MEEKHOF D M，KING B E，et al.Demonstration of a fundamental quantum logic gate［J］.Physical Review Letters，1995b，75：4714-4717.

［7］CIRAC J I，ZOLLER P.Quantum computations with cold trapped ions［J］.Physical Review Letters，1995，74：4091-4094.

［8］SCHMIDT-KALER F，HäFFNER H，RIEBE M，et al.Realization of the Cirac-Zoller controlled-NOT quantum gate［J］.Nature，2003，422：408-411.

［9］BRUNE M，HAGLEY E，DREYER J，et al.Observing the progressive decoherence of the“meter”in a quantum measurement［J］.Physical Review Letters，1996b，77：4887-4890.

［10］BRUNE M，HAROCHE S，LEFEVRE V，et al.Quantum nondemolition measurement of small photon numbers by Rydberg-atom phase-sensitive detection［J］.Physical Review Letters，1990，65：976-979.

［11］GUERLIN C，BERNU J，DELEGLISE S，et al.Progressive field-state collapse and quantum non-demolition photon counting［J］.Nature，2007，448：889-893.

［12］OSNAGHI S，BERTET P，AUFFEVES A，et al.Coherent control of an atomic collision in a cavity［J］.Physical Review Letters，2001，87：037902.

［13］ZHENG S B，GUO G C.Efficient scheme for two-atom entanglement and quantum information processing in cavity QED［J］.Physical Review Letters，2000，85：2392-2395.

［14］NOGUES G，RAUSCHENBEUTEL A，OSNAGHI S，et al.Seeing a single photon without destroying it ［J］.Nature，1999，400：239-242.

［15］SCHRÖDINGER E.Die gegenwärtige Situation in der Quantenmechanik （The present situation in Quantum Mechanics）［J］.Naturwissenschaften，1935，23：807，823，844.

［16］HAROCHE S.Entanglement，decoherence and the quantum／classical boundary［J］.Physics Today，1998，51（7）：36-42.

［17］DAVIDOVICH L，BRUNE M，RAIMOND J M，et al.Mesoscopic quantum coherences in cavity QED：preparation and decoherence monitoring schemes ［J］.Physical Review A，1996，53：1295-1309.

［18］MYATT C J，KING B E，TURCHETTE Q A，et al.Decoherence of quantum superpositions through coupling to engineered reservoirs［J］.Nature，2000，403：269-273.

［19］DELEGLISE S，DOTSENKO I，SAYRIN C，et al.Recon-struction of non-classical cavity field states with snapshots of their decoherence［J］.Nature，2008，455：510-514.

［20］BLATT R，WINELAND D.Entangled states of trapped atomic ions［J］.Nature，2008，453：1008-1015.

［21］CHOU C W，HUME D B，ROSENBAND T，et al.Optical clocks and relativity［J］.Science，2010b，329：1630-1633

Measuring and Manipulating Individual Quantum Systems：A Brief Introduction to the Nobel Prize in Physics 2012

GUO Wen-xiang①，LIU Wu-ming②
①Undergraduate，DepartmentofPhysics，TsinghuaUniversity，Beijing100083，China；②Professor，InstituteofPhysics，Chinese AcademyofScience，Beijing100190，China

The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly to Serge Haroche and David J.Wineland"for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems".Haroche and Wineland opened the door to a new era of experimentation with quantum physics by demonstrating the direct observation of individual quantum systems without destroying them.For single particles of light or matter，the laws of classical physics cease to apply and quantum physics takes over.Thus many seemingly bizarre phenomena predicted by quantum mechanics could not be directly observed.They independently invented and developed ground-breaking methods for measuring and manipulating individual particles while preserving their quantum-mechanical nature，in ways that were previously thought unattainable.

nondestructive measurement，quantum optics，quantum manip ulation

10.3969／j.issn.0253-9608.2012.06.004

（编辑：温文）