神秘的量子世界不再“与世隔绝”——2012年诺贝尔物理学奖简介

郭雅洁 桑芝芳

（苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006）

北京时间2012年10月9日17时45分，同为68岁的法国科学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）与美国科学家戴维·瓦恩兰（David Wineland）分享了2012年诺贝尔物理学奖.获奖理由是他们“提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子系统成为可能”.他们的突破性研究，让原本神秘的量子世界不再“与世隔绝”.

1 两位科学家的生平介绍

塞尔日·阿罗什（图1）于1944年9月11日出生在摩洛哥卡萨布兰卡，现在居住于巴黎，有两个孩子.阿罗什的母亲出生于俄国，是一位教师，父亲是律师.

塞尔日·阿罗什是法国物理学家、法兰西学院院士，美国国家科学院外籍院士，目前在法兰西学院和法国巴黎高等师范学院任教授.他的博士论文导师是1997年诺贝尔物理学奖得主克洛德·科昂 唐努德日.

图1

塞尔日·阿罗什的工作属于物理学三大领域中的“原子分子与光物理”部分（另两个是粒子物理和凝聚态物理）.他的主要研究领域是量子光学和量子信息学，对量子光学中的量子电动力学研究做出过重要贡献，在实验量子力学领域享有盛名.他在腔电动力学方面的主要成就包括：（1）在一个腔体中观察到单原子自发辐射有所增强；（2）利用微波腔实现了对单个原子的囚禁；（3）单个光子的量子非破坏测量；（4）直接测定了腔体中的场量子化；（5）直接监控介观量子退相干现象；（6）实现了光子存储；（7）完成了量子信息过程的许多步骤比如产生原子原子、原子光子的纠缠态；（8）实现了将光子和原子作为“量子比特”的量子逻辑门操作.［1］

图2

戴维·瓦恩兰（图2）是美国物理学家，1944年2月24日出生于美国密尔沃基.1961年，瓦恩兰从加州沙加缅度的恩忻娜高中毕业.他申请获准到加州大学柏克莱分校读书.1965年，得到学士学位.之后，他以优异成绩转入哈佛大学，在获得1989年诺贝尔物理学奖物理大师诺曼·拉姆齐诲人不倦的指导下攻读博士学位.1970年，获得博士学位，博士论文为《原子重氢激微波》（The Atomic Deuterium Maser）.之后，他加入1989年诺贝尔物理学奖得主汉斯·德默尔特的研究团队，在华盛顿大学做博士后.1975年，美国国家标准技术研究所聘请他为物理研究员.在那里，他成为离子储存团队的领导人.［2］瓦恩兰是美国物理学会，美国光学学会的会士，美国国家科学院的院士.曾获得阿瑟·肖洛奖（激光科学）、美国国家科学奖章（物理学）、赫伯特·沃尔特奖、本杰明·富兰克林奖章（物理学）等.他的主要工作包括离子阱的激光冷却，以及利用囚禁的离子进行量子计算等，因此被认为是离子阱量子计算的实验奠基者.他的工作主要成就包括：（1）用激光来冷却陷俘于保罗阱里的离子，并且应用这技术制成比原子钟更准确的光学钟；（2）用陷俘离子的概念来实现量子计算机的量子门，对于量子运算做出重大贡献；（3）直接非摧毁性地观察单独量子粒子的量子行为，这使得物理学者能够做实验检验像薛定谔猫一类的思想实验.［1］

2 诺贝尔物理学奖简介

与人们熟知的世界截然不同，自然界还存在着另类世界，被称为量子世界.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.而通过巧妙的实验方法，阿罗什和瓦恩兰的研究小组成功地实现对单个量子系统的测量和控制，颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测的看法［3］.塞尔日·阿罗什和戴维·瓦恩兰各自独立发明和发展了测量及操控单个粒子的方法，并能在实验过程中保有粒子的量子力学特质，而这种方式在此之前被认为是不可企及的.两位科学家的工作领域均属于量子光学，事实上，他们所采用的方法还有很多共通之处：戴维·瓦恩兰使用光子来控制和测量被囚禁的带电离子，塞尔日·阿罗什则采用了相反的途径，他控制并测量了被囚禁的光子，具体需要原子穿越陷阱来实现.阿罗什的工作是打造出一个微波腔，借助单个原子在微波腔中会辐射或吸收单个光子的特性，实现了操纵单个光子.而瓦恩兰则制造出了一个离子阱，先用光来俘获离子，然后用激光冷却离子，进而对离子进行测量和控制.［3］

在量子光学中Jaynes－Cummings模型描述的是一个两能级原子与一个单模量子化光场相互作用的耦合系统.该模型是人们研究光场与物质相互作用规律的基础和出发点.在这个模型中，光是量子化的，可描述单独的光子与单独的原子相互作用.［4］然而，如何实现一个简单干净的量子系统来符合Jaynes－Cummings模型一直是个难题.20世纪80年代，阿罗什带领他的团队用里德堡原子束通过高反射率的微波腔，实现了微波频率的光子与里德堡原子不间断的相互作用，从而解决了这个问题.

里德堡原子指的是最外层电子处于非常高能级的原子，半径也达到基态原子的1000倍以上.在阿罗什的实验中，用的是最外层电子处于n＝50的能级的铷原子，而光子的频率为51Hz，对应的是铷原子n＝50到n＝51能级的跃迁频率.通过控制微波腔的腔长（2.7cm），可以有效抑制n＝51铷原子在51Hz频率上的自发辐射，从而使腔内的铷原子不断地重复着先受激辐射出一个51Hz的光子，经过腔内表面反射后再被下一个铷原子吸收这个过程，直到130ms后光子脱离这个微腔为止.［3］

阿罗什的Cavity－QED（腔量子电动学）系统一个重要的应用就是“弱测量”：微调微波腔长，使里面囚禁的光子的频率与稍稍远离原子的共振频率，原子便不会吸收和辐射光子.但是通过腔的原子基态的能级会因为光子的存在而产生微小的频率移动，该移动与光子的数量成正比.从而通过测量原子基态能级的频率移动会准确得到腔内的光子数，实现对光子的非破坏性测量.［2］

在测量某一体系中的可被观测到的量子时，人们需要把它耦合到某一场上，而这样的场往往会给所要测量的系统带来量子噪声，限制着人们对微弱信号的测量，量子非破坏性测（Quantum－Nondemolition，简称 QND）则提供了一种克服量子噪声的新颖的方法，原则上它能以任意精度探测到极其微弱的信号［5］.阿罗什团队曾利用非破坏性测量方法，使用了“色散原子探针”（DAP－QND），这是一种能够持续探测到极少数目光子的非共振原子场，它实际上是一束穿过腔中的两能级原子，而这一场对系统中光子数目没有任何的反作用.［6］

瓦恩兰团队的工作是利用Paul阱囚禁少量离子，实现了简单的量子计算.Paul阱用四根彼此平行的柱子产生的四极交变电场来囚禁离子.由量子力学可得知，势阱内的囚禁的离子除了具有电子的能级之外，还有具有振动能级.用激光控制离子电子能级间的跃迁，会导致离子在阱内振动间的跃迁.这样可以使得离子跃迁到振动能级的基态，实现对离子的冷却.一串相同的离子可以同时囚禁在四根柱子的中心，并连成一线，同时静电排斥力让他们彼此有关联.这就是一个较为理想的实现量子计算的系统.

该离子阱量子计算方案最早由两位奥地利理论物理学家I.Cirac和P.Zoller在1995年提出，很快在1995年年底，瓦恩兰的团队就在实验上实现了它.瓦恩兰的实验开创了离子阱量子计算技术，该技术能够通过增加囚禁的离子的数量来增加量子比特的数量，因此很长时间以来被视为最有希望的量子计算方案.

在Cirac和Zoller提出方案的基础上，瓦恩兰团队证实了由一对量子比特（quantum bits，qubits）组成的“受控非门”（Controlled－NOT，CN）这一量子逻辑门，这一操作与简单的但比特操作结合时即可形成量子计算机的通用的量子逻辑门.这两个量子比特包括一个受禁原子的两个内在态（inner state）和两个外在态（external state），而这一原子则被激光冷却到零点能量.虽然这个极小的系统仅由两个量子比特组成，但它为大规模的量子计算机提供了必要的基本操作.量子计算机在实验中的实现需要充当量子比特作用的孤立的量子系统，如果量子比特没有能够与外界的影响做够分离，那么退相干作用可能会破坏量子干涉.

量子计算机的最显著的特征是其储存和数字的叠加的能力，最引人注目的例子是由Shor提出的量子计算机高效分解较大数字的运算程序.由于普通的计算机不能分解较大的数字，在这一点上，量子计算机则为数据加密体系的安全性提供了巨大的保障，这必将引来极大的关注.［7］

诺贝尔物理学奖评审委员会认为，这两位获奖者首次将量子光学领域的研究由基础理论向应用层面发展，让新一代的超级量子计算机的诞生有了初步的可能，这或将导致极其先进的通信和计算模式.换句话说，这是向着研制具有惊人运算速度的量子计算机迈出了第一个脚步.科学界认为，下一代计算机室建立在量子层面的，它将比传统的计算机数据容量更大，数据处理速度更快.或许，就在本世纪，量子计算机会彻底改变我们每个人的日常生活——正如经典计算机在上个世纪曾彻底颠覆每个人的生活方式一样.

评委会还表示，两位科学家对极端精准的光子钟领域也有重大的贡献.光子钟是目前世界上最精准的钟，比铯原子钟要精准好几百倍.此前，世界最精确的时钟曾经就是瓦恩兰就职的科罗拉多州国家标准与技术研究所制造的量子逻辑钟，它的误差约为每37亿年1秒.

阿罗什与瓦恩兰展示了如何在不破坏单个粒子的情况下对其进行直接观察的方法，但他们做到的却不只是在量子世界控制住粒子，其带给人们生活的改变，将远超今天我们所能够看得到的.

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）.