“觸摸”量子的大師

1、“觸摸量子的大師量子力學(xué)的成功和困惑用宏觀物理學(xué)的方法研究原子的性質(zhì)及其互相作用時，只能通過測量微觀量的平均值，大平均過程掩蓋了原子程度上的重要效應(yīng)。操控單個微觀粒子，研究單個粒子的行為和性質(zhì)以及少數(shù)粒子的互相作用，一直是就是物理學(xué)家夢寐以求的事。隨著實驗技術(shù)的開展，控制單個微觀粒子的愿望成為可能。特別是1960年激光的創(chuàng)造和在這以后激光技術(shù)的開展，可以隨我們所需改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實驗技術(shù)和實驗方法有了極大的開展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運動速度減到非常小，直至幾乎停頓。還實現(xiàn)了利用特殊的電磁場來陷

2、俘單個原子或離子。物理實驗技術(shù)的進(jìn)展使研究單個或少數(shù)幾個粒子的性質(zhì)、深化研究光子和物質(zhì)粒子的互相作用有了可能。這不僅翻開了高科技應(yīng)用的廣闊前景，還為證實和開展量子物理學(xué)的根本原理提供了實驗根底。量子力學(xué)已有100多年歷史，量子力學(xué)理論獲得了輝煌的成功。現(xiàn)代的高科技產(chǎn)品，如計算機芯片、激光、醫(yī)用磁共振等等無不是在量子力學(xué)理論根底上開展起來的。量子力學(xué)被認(rèn)為是最準(zhǔn)確、最成功的物理理論，可是人們對量子力學(xué)的根本原理始終存在著疑問，那些創(chuàng)立量子力學(xué)的物理大師們自己都不滿意量子力學(xué)的根本假設(shè)。在這些大師之間以及他們的后繼者中，關(guān)于量子力學(xué)的理論根底是否完善的問題爭論不休，新的解釋層出不窮，至今還沒有得出

3、令人滿意的結(jié)論。量子力學(xué)描寫微觀世界的規(guī)律，但人類的直接經(jīng)歷都是關(guān)于宏觀世界的。我們的測量儀器以及人類感官本身都是宏觀物體，儀器測量到的和我們直接感知的都是大量原子組成的宏觀物體。在經(jīng)典物理學(xué)中，觀察不影響被觀察對象的運動狀態(tài)，例如，我們可以觀察一個行星的運動，追隨它的運動軌跡，行星的狀態(tài)變化與觀察者無關(guān)，不受我們觀察的影響?？墒?，對微觀世界的觀察就完全不是這樣，當(dāng)我們研究一個量子體系時，經(jīng)過測量后的量子體系原來的狀態(tài)總是被破壞了。例如，光子進(jìn)入光電探測器后，光子就被吸收；電子被探測器件接收后，該電子原來的狀態(tài)就改變了。宏觀儀器對量子系統(tǒng)測量的結(jié)果，都必須轉(zhuǎn)換為經(jīng)典物理學(xué)的語言。要直接觀察并且

4、非破壞性non-demolition地測量量子體系的量子性質(zhì)是難以做到的事情，所以，量子力學(xué)所預(yù)言的量子世界的奇特性質(zhì)一直令物理學(xué)家和公眾感到神秘難解。2022年諾貝爾物理獎獲得者和他們的同事們的工作，打破了經(jīng)典物理學(xué)實驗和人類直接經(jīng)歷的限制，他們直接觀察到了個別粒子的量子行為。瓦因蘭德小組做的是在電場中陷俘離子，用光子對它做非破壞性的操控。阿羅什小組是在空腔中陷俘單個光子，用原子進(jìn)展非破壞性的測量。他們異曲同工，都對單個量子粒子進(jìn)展實驗測量，研究量子力學(xué)的根本原理。這些研究不僅對量子理論的根本原理的進(jìn)一步說明有重要意義，并且有廣闊的應(yīng)用前景。阿羅什：把光子囚禁起來阿羅什說，他們的成功主要得益

5、于卡斯特勒-布羅塞爾實驗室特有的學(xué)術(shù)環(huán)境和物質(zhì)條件。他們組成了極其出色的研究小組，并且將共同積累的知識和技能傳授給一代又一代的學(xué)生。阿羅什還說，他給研究生和本科生的講課也有助于研究工作，在準(zhǔn)備新課的過程中他注意到了光和物質(zhì)互相作用的不同方面。阿羅什認(rèn)為，國際交流學(xué)者參加研究不僅帶來專門的知識和技能，也帶來不同的科學(xué)文化以補充他們自身的缺乏。他覺得幸運的是，在長期的微觀世界探究中，他和他的同事們可以自由地選擇他們的研究方向，而不必勉強地提出可能的應(yīng)用前景作為根據(jù)。阿羅什小組的主要成就是開展了非破壞性的方法檢測單個光子。用通常的方法檢測光子，都是吸收光子并把它轉(zhuǎn)換為電流光電探測器或轉(zhuǎn)化為化學(xué)能量照

6、相底片動物的眼睛是將光子轉(zhuǎn)化為神經(jīng)的電脈沖的?？傊?，光子被測量到后立即消失。近半個世紀(jì)以來，雖然人類開展出了量子非破壞性測量，但這些測量只能用于大量光子的情況。而阿羅什和同事們做到了反復(fù)測量記錄同一個光子。阿羅什小組的另一項創(chuàng)造性奉獻(xiàn)是利用利用里德伯原子作為探測器，實現(xiàn)非破壞性測量單個光子。所謂里德伯原子，是激發(fā)到很高的能量軌道上的原子，這種原子的體積比正常原子大許多。他們用銣原子序數(shù)37原子，把它的價電子激發(fā)到第50層的圓形軌道上主量子數(shù)n=50。這種情況下，外層電子從n=50 的軌道躍遷到相鄰的軌道n=49和n=51，發(fā)射或吸收微波光子頻率分別為54.3GHz千兆赫茲和51.1GHz。正常

7、的原子半徑在0.1納米以下，銣原子中電子占據(jù)的最外層軌道為n=5；當(dāng)它的最外面的電子跑到n=50的圓形軌道上時，原子的半徑到達(dá)互相作用。 瓦因蘭德：讓離子停下來瓦因蘭德和阿羅什同年，都生于1944年。1965年，瓦因蘭德畢業(yè)于美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校；1970年在哈佛大學(xué)獲博士學(xué)位，博士論文題目是“氘原子微波激射器，導(dǎo)師是拉姆齊Norman Ramsey。以后他到華盛頓大學(xué)，在德默爾特Hans Dehmelt的實驗室做博士后研究。德默爾特是1989年諾貝爾物理獎獲得者。1975年，瓦因蘭德和德默爾特共同發(fā)表了討論激光冷卻離子的論文，這是有關(guān)激光致冷的創(chuàng)始性論文，被學(xué)術(shù)界同仁廣泛引用，其中包

8、括獲1977年諾貝爾物理學(xué)獎的朱棣文、菲利普斯和柯亨-塔諾季等。1975年，瓦因蘭德到隸屬于美國商業(yè)部的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所工作。在那里，他創(chuàng)立了儲存離子研究小組。在過去多年的工作中，他做出了多項世界第一的研究成果，終于獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。他是15年來美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所第四位獲諾貝爾物理獎的研究人員之一，研究激光致冷的菲利普斯也是其中之一。制造量子計算機的建議方法有多種，許多科學(xué)家正在對不同的方案進(jìn)展實驗研究。瓦因蘭德小組從事的陷俘離子的方法是最成功的方法之一。他們利用特殊排列的幾個電極組合產(chǎn)生特定的電場，形成陷阱，將汞的一價離子限制在三個電極組成的空間中。三個電極包括兩端各有一個

9、相對的電極和一個環(huán)形電極，離子由激光束控制。在常溫下，原子運動的平均速度為每秒數(shù)百米，以這種速度運動的離子會立即逃逸出陷阱。要將離子陷俘在電場陷阱中，離子的運動速度必須非常小。只有在極低的溫度下，離子或原子的運動速度才能變得很小?？梢岳眉す馐闺x子冷卻，使離子的速度減小到幾乎停頓的狀態(tài)。將特定頻率的激光束對著原子或離子射來的方向照射時，原子在迎面射來的光子的一次次沖擊下，速度就慢了下來。當(dāng)然，原子或離子吸收了光子又要再把它發(fā)射出去，發(fā)射光子時原子也要受到反沖。但原子或離子發(fā)射光子的方向是隨機的，各種方向都有，結(jié)果反沖效應(yīng)平均為零，只有迎面射來的光子被吸收后起到了減速的作用。但僅僅用這種方法還不

10、能使原子速度降低到近乎停頓，還要加上其他方法。速度已經(jīng)很小的離子在陷阱中受電場的作用，還在以一定的頻率振動，這種振動的能量和離子內(nèi)部的能量狀態(tài)耦合起來，形成復(fù)雜的能級。在適當(dāng)頻率的激光束照射下，離子吸收光子后又重新放出光子，落回原來內(nèi)部能量最低的狀態(tài)，同時帶動離子振動能量的變化。在適當(dāng)控制的條件下，重復(fù)這樣的過程，就可以使離子振動能量逐步減少，直到振動能量到達(dá)最低的量子狀態(tài)，離子近于完全停頓。這時，離子就可以隨意操控了。瓦因蘭德小組利用利用陷俘離子做成一個量子可控非門Controlled NOT。當(dāng)然可控非門只是最簡單的量子計算機的元件，一臺能工作的計算機需要多得多的元件，離制成實用的量子計算

11、機還非常遙遠(yuǎn)。然而前景是光明的，包括瓦因蘭德在內(nèi)的許多科學(xué)家正積極研究，攻克難關(guān)，希望在本世紀(jì)內(nèi)將量子計算機研制成功。瓦因蘭德和同事們還利用陷俘的離子制造出了當(dāng)今世界上最準(zhǔn)確的原子鐘。他的研究工作也可以檢驗量子力學(xué)根本原理，如進(jìn)展“薛定諤貓的實驗。不為盛名所惑阿羅什和瓦因蘭德有許多一樣的地方。他們都在世界第一流的實驗室中工作；巧的是，他們每人各有兩位獲諾貝爾物理學(xué)獎的老師；他們都有合作30年以上的同事組成的穩(wěn)定的研究小組，還有許多優(yōu)秀的學(xué)生和合作者，其中包括外國的訪問學(xué)者。在他們的諾貝爾獎報告中，他們的老師、同事以及和他們的工作有親密關(guān)系的、前人的研究都一一提到。兩人都還提到有100多位學(xué)生、

12、博士后和訪問學(xué)者也做出了奉獻(xiàn)，強調(diào)成績是大家努力的結(jié)果。瓦因蘭德和阿羅什也有一點很大的不同。阿羅什的研究目的側(cè)重于探究自然界的奧秘，沒有非常明確的應(yīng)用目的，雖然他知道自己的研究成果肯定有長遠(yuǎn)的應(yīng)用前景。他所屬的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室也沒有要求其研究一開始就必須有明確的應(yīng)用目的。不過，即使在法國高等師范學(xué)校，這種待遇也只有像阿羅什這樣的資深科學(xué)家才能得到。而瓦因蘭德所在的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所本身就具有明確的實用目的：促進(jìn)美國的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)競爭才能，創(chuàng)始新的測量科學(xué)，推進(jìn)美國的技術(shù)程度。該研究所的研究都是目的長遠(yuǎn)，技術(shù)含量高，能在世界上領(lǐng)先的工程。這些工程實際上都是結(jié)合遠(yuǎn)期應(yīng)用的根底性研究。瓦

13、因蘭德和阿羅什還有一個共同點，就是除了做研究以外，都在大學(xué)教課。阿羅什認(rèn)為備課的過程促使他從多方面考慮根本原理，也有助于研究工作。而從學(xué)生的角度來看，能聽到優(yōu)秀的科學(xué)家講課，和他們直接交流，不僅能學(xué)到當(dāng)今前沿的科學(xué)知識，還可以學(xué)習(xí)到優(yōu)秀科學(xué)家的治學(xué)精神和思想方法。榮摘諾獎桂冠是否改變了科學(xué)家本人的生活呢？據(jù)英國播送公司BBC在線版消息稱，阿羅什本人僅僅提早了20分鐘被組委會告知自己獲獎的消息?！拔液苄疫\，阿羅什說，但他指的并不是自己得獎這回事，“接到來電時我正在一條街上，旁邊就有個長椅，所以我第一時間就坐了下來。他形容那一刻的心情，“當(dāng)我看到是瑞典的來電區(qū)號，我意識到這是真實的，那種感覺，你知道，真是勢不可擋。不過據(jù)諾獎官網(wǎng)的推特稱，阿羅什接到獲獎確實切消息后，打了個 給自己的孩子，然后開了瓶香檳慶賀。再然后，他又回實驗室工