諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)2005,2012

1、2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：精密頻率測(cè)量技術(shù)(2012-10-15 21:33:55) 轉(zhuǎn)載標(biāo)簽： 教育分類： 科學(xué)技術(shù) 頻率一直是電磁波最重要的參數(shù)之一，電磁波在根據(jù)頻率由小到大分為了無(wú)線電波，微波，紅外線，可見光，紫外線，X射線和射線。每一個(gè)頻段的電磁波的研究都對(duì)人類科技發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，電磁波的頻率所對(duì)應(yīng)的時(shí)間也成為了人類計(jì)量的最新標(biāo)準(zhǔn)。人類對(duì)電磁波頻率的精密測(cè)量源自20世紀(jì)50年代的微波頻率測(cè)量，那個(gè)時(shí)候隨著原子能級(jí)結(jié)構(gòu)的深入研究，以及不久后微波激射器（Maser）的出現(xiàn)，人們能夠獲得頻率分布很窄的微波輻射。美國(guó)物理學(xué)家拉姆齊（N. F. Ramsey）在1950年提出分離了振蕩場(chǎng)

2、方法，解決了原子鐘設(shè)計(jì)里的關(guān)鍵問題，創(chuàng)制了銫原子鐘。1960年他又提出并建造了氫微波激射器，也就是氫原子鐘，使計(jì)時(shí)的不確定度下降到10-12。拉姆齊因此獲得了1989年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 20世紀(jì)60年代激光器橫空出世，人類又可以獲得頻率分布很窄的可見光輻射（單色光），隨后美國(guó)的霍爾（John L. Hall）和德國(guó)的漢施（T. W. Hansch）各自發(fā)明了“光梳”技術(shù)，從而可以精確測(cè)量激光頻率。二人也因此獲得2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 兩次諾貝爾獎(jiǎng)，三位偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，電磁波頻率精密測(cè)量成了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)一個(gè)重要的組成部分。它決定著人類能夠測(cè)量的時(shí)間與空間精度，決定著人類科技的發(fā)展水平。 一

3、、拉姆齊與微波頻率精確測(cè)量 拉姆齊的導(dǎo)師拉比（I. I. Rabi，1944年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）用量子力學(xué)的含時(shí)薛定諤方程計(jì)算二能級(jí)與光場(chǎng)相互作用，得到了二能級(jí)原子躍遷的動(dòng)力學(xué)過程，在頻譜上顯示為拉比振蕩。取拉比頻率與相互作用時(shí)間乘積為，拉比振蕩譜線的峰值便和光場(chǎng)頻率精密對(duì)應(yīng)。 原子與微波諧振腔相互作用時(shí)，諧振腔的尺度和形狀受微波的頻率、場(chǎng)分布均勻性的要求限制，而且原子的速度又無(wú)法任意控制，這就決定了不可能通過提高微波與原子的作用時(shí)間降低譜線寬度。于是拉姆齊受到麥克爾遜干涉儀的啟發(fā)，發(fā)明了了分離振蕩場(chǎng)的方法，就是讓原子與微波腔作用兩次，作用的時(shí)間都是t，兩次時(shí)間間隔為T，然后探測(cè)躍遷信號(hào)。原子經(jīng)

4、過與微波腔兩次作用，拉比振蕩信號(hào)相互干涉，產(chǎn)生拍頻信號(hào)，即拉姆齊譜線。當(dāng)T>>t時(shí)，譜線中心峰值寬度由T確定，T越大，峰值寬度越窄，測(cè)得的頻率精度也就越高。拉姆齊的分離振蕩場(chǎng)測(cè)量方法無(wú)疑是人類測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要里程碑，這項(xiàng)技術(shù)直接導(dǎo)致了原子鐘的誕生，給定了人類新的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)：一秒鐘為銫Cs原子精細(xì)能級(jí)躍遷頻率的倒數(shù)。銫原子微波頻率標(biāo)準(zhǔn)成為了未來(lái)可見光波段頻率測(cè)量技術(shù)的基準(zhǔn)。 二、光學(xué)頻率梳技術(shù)與可見光頻率測(cè)量可見光頻率測(cè)量方法最早是從銫Cs 原子精細(xì)能級(jí)躍遷頻率開始（微波），經(jīng)過一系列保持相位鎖定的微波諧波振蕩器和特殊激光器，將被測(cè)光學(xué)頻率與Cs 原子微波頻率標(biāo)準(zhǔn)連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)

5、光學(xué)頻率的絕對(duì)測(cè)量。然而這種測(cè)量方法由于激光器太多，激光間的相互轉(zhuǎn)化積累誤差太大，實(shí)用性極低，測(cè)量精度非常差。 隨著基于鎖模飛秒脈沖激光的光頻梳技術(shù)的出現(xiàn)，光學(xué)頻率的直接測(cè)量成為了現(xiàn)實(shí)。光學(xué)頻率梳技術(shù)即在時(shí)域內(nèi)鎖模飛秒脈沖激光器輸出的一系列等間隔的超短脈沖，脈沖寬度為幾到幾十飛秒，重復(fù)頻率為幾百M(fèi)Hz到幾GHz。在頻率域內(nèi)其光譜是由一系列規(guī)則等間隔光譜線組成的光梳，每個(gè)梳齒之間的間隔精確的等于飛秒激光器的重復(fù)頻率。光梳技術(shù)實(shí)現(xiàn)了銫原子的微波頻標(biāo)與光學(xué)頻率的直接連接。一臺(tái)鎖模飛秒脈沖激光器就實(shí)現(xiàn)了從近紅外到可見光區(qū)域的所有光學(xué)頻率的直接絕對(duì)測(cè)量。 用銫Cs原子的微波頻率與臨近的光梳齒的頻率拍頻，

6、從而求得光梳齒的頻率基準(zhǔn)，利用該基準(zhǔn)加上若干個(gè)光梳齒間頻率間隔，求出與待測(cè)光頻率相鄰的光梳齒的頻率，再用兩者拍頻信號(hào)結(jié)果反向求出待測(cè)光頻率，從而測(cè)得和Cs原子的微波頻率幾乎同樣精度的激光頻率?；魻柡蜐h施二人因?yàn)樵谶@個(gè)領(lǐng)域的開創(chuàng)性貢獻(xiàn)二獲得了2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？梢钥隙ǖ氖牵祟悓?duì)電磁波頻率精確測(cè)量的路還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有走完，更高頻率（紫外線、X射線等等）電磁波的精確頻率將在人類認(rèn)識(shí)微觀世界中發(fā)揮不可替代的作用，人類的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)也將一次次不斷被刷新，一次次建立更為“高，精，尖”的科技領(lǐng)域。2012諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)：首次窺見單個(gè)活粒子(2012-10-15 21:26:55) 轉(zhuǎn)載標(biāo)簽： 雜談分類： 科

7、學(xué)技術(shù) 2012年10月9日下午5時(shí)45分，在瑞典首都斯德哥爾摩的瑞典皇家科學(xué)院，2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)?wù)呙麊谓視?。獲獎(jiǎng)?wù)邽榉▏?guó)科學(xué)家沙吉哈羅什（Serge Haroche）與美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)維蘭德（David J. Wineland），獲獎(jiǎng)理由是“突破性的試驗(yàn)方法使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能”。我們所看到的宏觀世界，來(lái)自于億萬(wàn)個(gè)粒子的相互作用，但深入到微觀世界，粒子所呈現(xiàn)的卻更多是量子特性。而遺憾的是，我們一直以來(lái)只能從理論上預(yù)測(cè)粒子的量子行為，從它們的外在表現(xiàn)來(lái)驗(yàn)證理論的正確性，從來(lái)沒有真實(shí)的看到單個(gè)粒子的狀態(tài)。著名的“薛定諤的貓”理論，就是說的在密閉盒子中的貓，由于量子狀態(tài)的

8、不確定性，人們永遠(yuǎn)不知道它是死是活。能夠把單個(gè)粒子從外部世界分離出來(lái)，就是在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出這樣一只貓，就可以去人為改變它的狀態(tài)。在邁向這一目標(biāo)的道路上，已經(jīng)有許多科學(xué)家獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，比如激光冷卻原子原理提出者漢尼希（T.Hanesch），中性原子磁阱囚禁的開拓者普里查德（D.Prichard），實(shí)現(xiàn)激光冷卻原子的朱棣文。而在今年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)的兩人則最終實(shí)現(xiàn)了單個(gè)粒子操縱和測(cè)量。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)在頒獎(jiǎng)公告中說，哈羅什和維蘭德開啟了一個(gè)量子物理新時(shí)代的大門，科學(xué)家由此可以在不對(duì)單個(gè)量子產(chǎn)生破壞的情況下對(duì)其進(jìn)行測(cè)量和操作。他們兩人創(chuàng)造的操作脆弱量子系統(tǒng)的天才實(shí)驗(yàn)方法，為將來(lái)創(chuàng)造超快的量子計(jì)算機(jī)邁出

9、了第一步。他們的方法還讓制造超級(jí)精密的時(shí)鐘成為可能，其精確程度將比現(xiàn)在的銫原子鐘高出上百倍。從理論到現(xiàn)實(shí)身處大西洋兩岸的這兩位科學(xué)家，雖然他們針對(duì)的是不同的對(duì)象、使用的是不同的方法，但他們實(shí)現(xiàn)的是同一個(gè)夢(mèng)想。中科院高能所研究員孫昌璞告訴財(cái)新記者，他們當(dāng)時(shí)的目的是想了解單個(gè)粒子的狀態(tài)，因?yàn)槲覀兒暧^看到的是大量粒子組成的，統(tǒng)計(jì)平均后，單個(gè)粒子的特性沒有了，如果能做到，靠現(xiàn)有的商用設(shè)備是做不到的，必須尋找新的方法，制造新的設(shè)備。其中，哈羅什帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)利用微米量級(jí)的高反射光學(xué)微腔實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子輻射光子的操作，維蘭德的團(tuán)隊(duì)利用可結(jié)合激光冷卻技術(shù)，在離子阱中實(shí)現(xiàn)的單個(gè)離子的囚禁。孫昌璞說，他們實(shí)現(xiàn)了兩種

10、不同類型的單個(gè)量子的測(cè)量和操控。其中維蘭德的邊帶冷卻技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，不僅可以利用到冷卻離子，還可以實(shí)現(xiàn)中型原子、納米振子的冷卻。“冷卻的目的讓粒子接近基態(tài)，要研究單個(gè)粒子的量子狀態(tài)，需要看到能級(jí)分立結(jié)構(gòu)的存在，接近基態(tài)的時(shí)候，才能體現(xiàn)量子的狀態(tài)。從這個(gè)角度上看，維蘭德更值得得獎(jiǎng)?！鄙轿鞔髮W(xué)量子光學(xué)與光量子器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張?zhí)觳沤淌诟嬖V財(cái)新記者，雖然許多人都在努力實(shí)現(xiàn)單個(gè)粒子的囚禁，哈羅什和維蘭德他們最先做，也做的最成功，而且到現(xiàn)在還在做，他們?cè)谶@一過程中發(fā)展的測(cè)量、操控技術(shù)，幫助了后來(lái)的很多人。諾貝爾獎(jiǎng)是選擇最有代表性的來(lái)頒獎(jiǎng)。他說，現(xiàn)在大家都在參照他們的方法，研究物質(zhì)和場(chǎng)相互作用的規(guī)

11、律的話，要在單個(gè)粒子研究，過去很多模型都是基于理想的，微觀世界的量子現(xiàn)象，他們就是開拓性的把原子、粒子從外部環(huán)境中分離出來(lái)，把以前停留著理論上的抽象的東西真正實(shí)現(xiàn)。目前，離子阱已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)和技術(shù)研究的各個(gè)領(lǐng)域。尤其是近幾十年來(lái),人們以離子阱為工具,把激光冷卻技術(shù)應(yīng)用于離子阱,為制造新材料、觀察新現(xiàn)象、獲得新的知識(shí),提供了廣泛的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。量子計(jì)算機(jī)前景和實(shí)現(xiàn)精密的測(cè)量、制造更精確的原子鐘相比，諾貝爾獎(jiǎng)看好這兩位科學(xué)家的原因，是他們開啟了量子計(jì)算機(jī)時(shí)代的大門。目前，在理論上將比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)快成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)，是各國(guó)科學(xué)家竭力攻克的高峰，但這不僅涉及技術(shù)問題，也涉及許多基礎(chǔ)物理問題。量子

12、計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)最大的區(qū)別，就是它的每個(gè)數(shù)據(jù)用不同的粒子的量子狀態(tài)表示，而且根據(jù)量子力學(xué)的原理，粒子的量子狀態(tài)并不確定，而是不同量子狀態(tài)的疊加。對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)來(lái)說，電位的高低決定了數(shù)據(jù)是0還是1，而對(duì)于量子計(jì)算機(jī)來(lái)說，不同量子狀態(tài)的疊加決定了這個(gè)數(shù)據(jù)是0和1的疊加。所以量子計(jì)算沒有一個(gè)確定的輸出，也沒有一個(gè)確切的結(jié)果。但是由于這種疊加狀態(tài)，量子計(jì)算機(jī)可以同時(shí)進(jìn)行很多條路徑的計(jì)算，然后給出一個(gè)大致的結(jié)果，而速度上比經(jīng)典計(jì)算機(jī)快的多。量子計(jì)算機(jī)需要克服的最大障礙，是讓宏觀世界的我們?nèi)绻ゲ僮魑⒂^世界的粒子。從理論上說，只有尺度到了10的負(fù)10次方米以下，粒子才能明顯出現(xiàn)量子特性。當(dāng)然最理想的，是能夠操作單個(gè)原子。目前可以作為量子進(jìn)行研究的對(duì)象，包括原子和光腔相互作用、冷阱束縛離子、電子或核自旋共振、量子點(diǎn)操縱、超導(dǎo)量子干涉等。描述量子狀態(tài)的方式，可以是粒子自旋的方向，能級(jí)的高低?，F(xiàn)在從理論上量子計(jì)算機(jī)有幾十種體系，從實(shí)驗(yàn)上也有十幾種實(shí)現(xiàn)方法。量子計(jì)算機(jī)還有幾大障礙難以跨越，一是如何讓粒子長(zhǎng)時(shí)間保持量子狀態(tài)，即保持相干性。二是如何讓盡量多的粒子實(shí)現(xiàn)共同計(jì)算，即實(shí)現(xiàn)量子糾纏。正是近年來(lái)在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，讓諾貝爾獎(jiǎng)這次對(duì)于哈羅什和維蘭德上