捕捉薛定諤之貓與未來量子技術(shù)

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)報告“捕捉薛定諤之貓”與未來量子技術(shù)漫談2012年諾貝爾物理獎"forground-breakingexperimentalmethodsthatenablemeasuringandmanipulationofindividualquantumsystems"TheNobelPrizeinPhysics2012SergeHarocheDavidJ.Wineland測量與操控單個量子系統(tǒng)的工作，或多或少與量子物理學(xué)發(fā)展史上一只可憐的“貓”的思想性實(shí)驗(yàn)有關(guān)，這只貓著名的“薛定諤之貓”!今天我的報告就從這只貓開始！法國巴黎高師ENS美國國家標(biāo)準(zhǔn)局NIST報告內(nèi)容：薛定諤之貓：思想性實(shí)驗(yàn)的物理內(nèi)涵薛定諤貓態(tài)：科學(xué)之爭量子到經(jīng)典之路:退相干歷史

經(jīng)典到量子：科學(xué)尋貓之旅2012nobel物理獎“捉貓”游戲與量子技術(shù)、未來展望科學(xué)“捉貓”運(yùn)動在中國科學(xué)Nobel獎引起的反思：中國離您有多遠(yuǎn)？上個世紀(jì)80年代，我國一位偉人提出了影響中國社會發(fā)展的著名貓論：不管白貓黑貓，抓住老鼠的是好貓!無獨(dú)有偶，上個世紀(jì)30年代，奧地利一位偉人薛定諤也有一個導(dǎo)致世界科學(xué)思想革命的“貓論”:不論死貓活貓，同時既死-又活的貓是薛定諤的貓!薛定諤之貓思想性實(shí)驗(yàn)背景：上世紀(jì)初，為了描述與解釋微觀現(xiàn)象，如原子結(jié)構(gòu)、觀察到的原子分立光譜線等當(dāng)時（也是迄今大學(xué)教科書最普遍教的）內(nèi)容：量子理論發(fā)展Schrodinger量子力學(xué)（波動力學(xué)）Heisenberg量子力學(xué)（矩陣力學(xué)、測不準(zhǔn)原理）Copenhagen學(xué)派的解釋難理解的幾點(diǎn):量子描述是概率的，只知道系統(tǒng)可能的狀態(tài)，不能同時確定它們態(tài)疊加原理：y=ay1+by2+......測量導(dǎo)致y立即塌縮y1

或y2,或......量子理論的成功（描述微觀世界）人們承認(rèn)其規(guī)則有效，但對Copenhagen學(xué)派的解釋(不確定性+測量),當(dāng)時許多物理學(xué)家，包括薛定諤、愛因斯坦都提出了質(zhì)疑。放射性原子盒子蓋格計數(shù)器+控制裝置氰化物瓶子盒中原子:放射衰變量子過程,|態(tài)>

(|衰變>+|未衰變>)/√2薛定諤貓薛定諤與愛因斯坦通信質(zhì)疑Copenhagen解釋時提出的思想性實(shí)驗(yàn)：箱中貓蓋格計數(shù)管+控制裝置

|貓態(tài)>

(|死貓>|衰變>+|活貓>|未衰變>)/√2一只“貓”引起的科學(xué)“公案”箱子打開前：量子理論“貓”處在“死-活”同時疊加態(tài)箱子打開后:測量解釋貓態(tài)塌縮決定“死”還是“活”違背了宏觀世界日常所知的常識--我們知道：日常生活中，貓的死或活是不依賴于我們?nèi)祟愂欠窨矗y量）了她！薛定諤思想實(shí)驗(yàn)其本意質(zhì)疑Copenhagen學(xué)派量子力學(xué)解釋：不確定論與測量導(dǎo)致波函數(shù)塌縮（就確定論而言，他是站在愛因斯坦一邊的）。隱含一個問題：微觀世界(量子狀態(tài))

宏觀世界(經(jīng)典確定狀態(tài))：怎樣“放大”過來的？Amplifier？蓋格計數(shù)器+控制原子放射過程薛定諤貓AmplificationCopenhagen學(xué)派核心人物之一Bohr回應(yīng)薛定諤貓實(shí)驗(yàn)：蓋格計數(shù)過程就是一個測量過程，它在箱子打開前就足以決定貓的生死！量子理論日常生活任意推廣導(dǎo)致許多類似薛定諤貓悖論：量子干涉量子隧穿哦，愛麗絲，你是適合我的那個人但鮑勃，我們是在量子世界，你怎能肯定？關(guān)于量子測量調(diào)侃：丈夫回家一開門，妻子變成別人甚至愛因斯坦對Bohr的質(zhì)疑也有同樣問題:Bohr先生，我相信上帝是不會擲骰子的！你真的認(rèn)為

你不去看月亮，月亮就不存在那里么？愛因斯坦一生堅信量子理論不確定性是理論本身的缺陷—隱變量上帝擲骰子嗎？確定論者：愛因斯坦、薛定諤...Copenhagen：玻爾、海森堡...華山論劍物理學(xué)‘思想解放’大辯論：產(chǎn)生新的思想甚至哲學(xué)層面量子理論越來越完善，Copenhagen學(xué)派愈來愈占上風(fēng)工具主義者(Instrumentalists):Mermin、Dirac、FeynmanShutupandcalculate!今天大多量子物理學(xué)家都應(yīng)該是工具主義者，

或者說都被Copenhagen學(xué)派“洗了腦”：上帝創(chuàng)造世界之初（微觀世界），是想擲骰子的。但這樣的世界太不確定，無奈上帝就伸手干預(yù)

世界就變得確定了這個玩笑不是說真相信上帝存在，我的意思：1.Copenhagen學(xué)派的量子理論規(guī)則描述微觀世界有效2.Copenhagen學(xué)派“測量”—“上帝之手”探索其真正含義？3.微觀世界宏觀世界過程？QuantumrealmClassicalrealm？Copenhagen：測量波函數(shù)塌縮Everett：Many-worldsInterpretationGhirardi-Rimini-Weber（GRW）：隨機(jī)自發(fā)定域理論Gell-Mann，Zurek，Zeh，Griffiths：退相干（已漸被接受）退相干過程：環(huán)境、相互作用薛定諤貓宏觀世界的貓量子通向經(jīng)典之道路例子量子粒子物質(zhì)波eikxeikx+iDkx粒子間相互作用碰撞相位改變經(jīng)典世界：統(tǒng)計平均lD德布羅意波長l=h/plD

=√2ph2/mkBTlD=√2ph2/mkBT經(jīng)典體系環(huán)境、粒子間相互作用退相關(guān)性確定量子-經(jīng)典邊界尺度：溫度T作為

經(jīng)典世界粒子作用度量進(jìn)入室溫T=300C氫原子H：

lD~1/(10000000000)m=10-4mm質(zhì)量m，溫度

T越近量子世界50-75kg男女：lD~10-25

m=

10-19mm

你不用擔(dān)心：回家開門，你的妻子變成別人或消失這需要接近mm量級的德布羅意波長QuantumrealmClassicalrealm？從經(jīng)典世界進(jìn)入量子世界：尋找薛定諤之貓2012年Nobel物理獎+早期其他人工作：沿著經(jīng)典軌跡探索跨越經(jīng)典-量子邊界的技術(shù)進(jìn)入量子世界，搜索薛定諤之貓物理學(xué)中退相干歷史的“考古”怎樣跨越：發(fā)展技術(shù)捕獲粒子，隔離環(huán)境，降低溫度ControlingandmeasuringquantumstatesofionsbyphotonControlingandmeasuringquantumstatesof(microwave)photonbyatoms捕獲“薛定諤之貓”光子貓態(tài)、離子貓態(tài)2012年Nobel物理獎S.HarocheD.Wineland“捕獲”光子貓態(tài)日常見到的光手電光太陽光各方散開各種頻率不是單一模式（相干光）為了捕捉光子

需要有好的“陷阱”激光技術(shù)的誕生光子阱光學(xué)諧振腔光波長與腔長共振：光子壽命依賴品質(zhì)因子Q鏡子激光腔技術(shù)努力提高Q因子增加光子壽命結(jié)合原子物理CavityQEDHaroche故事從這里開始atom提高Q增強(qiáng)原子自發(fā)輻射Purcell

(1946)Casimir(1948)Casimir效應(yīng):CavityQEDeffectwithoutatomsKleppner

(1981)幽禁原子自發(fā)輻射理論預(yù)言：CavityQED正式研究開始1983Haroche帶領(lǐng)他的小組用鈉Rydbergatom穿越微波腔首次證實(shí)Purcell效應(yīng)P.Goy,,M.Gross

andS.Haroche

Phys.Rev.Lett.50,1903(1983)發(fā)展腔技術(shù)進(jìn)一步改善腔Q提高光子壽命光子-原子強(qiáng)耦合區(qū)(光子-原子耦合強(qiáng)于光子從腔逃逸速度允許原子有足夠時間遇到光子貓)原子集體quantumRabioscillationsY.Kaluzny,P.Goy,M.Gross,J.M.Raimond,andS.HarochePhys.Rev.Lett.51,1175(1983)其他小組相似工作H.Walther(1985)德國Max-Planck小組實(shí)現(xiàn)微Maser微波光子的非經(jīng)典態(tài)與一道提名過諾貝爾獎，兩人都去世，未能獲獎J.Kimble(2000)Caltechgroup開拓可見光波段CavityQED繼續(xù)開拓兩方面進(jìn)展：腔技術(shù)：超導(dǎo)材料鏡子（冷到0.8K)Q=4x1010

光子壽命達(dá)130ms（光子腔內(nèi)旅行40,000km)。原子探測技術(shù)：Rb原子里德堡態(tài)超級偶極矩保證單個光子有足夠大的機(jī)會被原子捕捉Haroche小組終于用CQED技術(shù)捕捉到光子貓態(tài)！2012年功成名就：1983-2012,近30年堅持！“捕獲”離子貓態(tài)物質(zhì)粒子（核子、原子）的“貓態(tài)”最早由Rabi建議原子束磁共振（1930）、構(gòu)造原子“Clock”（1945）1944Nobel物理獎6.834GHzFF’5S1/25P1/25P3/2F”12量子理論：原子中電子有不同能級Rabi理論：電磁場驅(qū)動原子不同能級躍遷Rabi振蕩原子量子態(tài)薛定諤貓態(tài)：|y>

=a|1,>+b

eiwt

|2,

>

原子躍遷頻率w=2p(E2-E1)/h確定Rabi建議用于原子鐘！美國國家標(biāo)準(zhǔn)局（NIST):Rabi學(xué)派的原子鐘之旅1949年實(shí)現(xiàn)氨分子鐘1949年Rabi學(xué)生Ramsey分離振蕩場方法改進(jìn)1952-1967銫原子鐘精度進(jìn)一步改進(jìn)當(dāng)時瓶頸與困難：原子熱運(yùn)動多普勒效應(yīng)：ww+ku依賴原子系統(tǒng)溫度T原子貓態(tài)環(huán)境退相干原子鐘振蕩不穩(wěn)定解決困難冷卻原子新的發(fā)展：上世紀(jì)70年代初，提出激光冷卻原子理論磁光阱技術(shù)20年努力90年代發(fā)展出磁光阱技術(shù)冷卻原子mK1997nobel物理獎1991年新的瓶頸與困惑：1.磁光阱冷卻溫度超輻射限制

2.原子在超冷區(qū)理論描述新的里程碑：1991年意大利“費(fèi)米暑期學(xué)?！?討論解決以上問題理論發(fā)展：激光操控超冷原子非線性原子光學(xué)：我的幸運(yùn)四年發(fā)展原子蒸發(fā)冷卻技術(shù)冷卻原子進(jìn)入超冷區(qū)（nK）實(shí)現(xiàn)超冷原子集體進(jìn)入

玻色-愛因斯坦凝聚宏觀量子態(tài)“集體原子貓態(tài)”2001年Nobel物理獎量子物理打開了一片新天地但是：對高精密原子鐘的發(fā)展，這種“集體原子貓”還是有被稱為集體量子激發(fā)的起伏不適合原子鐘隔離單個的“貓”對高精密原子鐘是需要的兩種技術(shù)被發(fā)展：1.隔離單原子

光晶格技術(shù)2.隔離單離子Wineland技術(shù)DavidWineland背景：屬Rabi學(xué)派

，延續(xù)Ramsey發(fā)展原子鐘技術(shù)（NIST要求）中性原子缺點(diǎn)：熱碰撞他選擇了隔離單離子道路

Wineland技術(shù)核心：1.離子阱技術(shù)：電荷，電極控制Paul&Dehmelt：1989Nobel2.離子激光冷卻技術(shù)1975Wineland&Dehmelt

發(fā)明激光冷卻離子庫倫排斥力結(jié)晶隔離3.單離子光鐘技術(shù)隔離2個不同離子(鋁、鋇),鋁離子用來作為鐘離子(貓),鋇離子作為測量工具。Wineland巧妙地將鐘的貓態(tài)轉(zhuǎn)換給測量離子,而不影響貓37年持之以恒追求一個目標(biāo)，終成正果！捕捉“薛定諤貓”的游戲與量子技術(shù)薛定諤之貓可能引起的信息學(xué)革命經(jīng)典信息二進(jìn)制編碼：比特（0，1）

量子理論本征量子態(tài)：（|0>，|1>,…）可以用來構(gòu)成“量子比特”用魔術(shù)師劉謙的話：見證奇跡的時候到了量子理論態(tài)疊加原理：a|0>+b|1>(貓態(tài)）發(fā)展操控量子比特(原子,量子,量子點(diǎn),光子）技術(shù)量子比特信息容量>>經(jīng)典比特信息科學(xué)的革命浪潮量子信息時代的到來！量子存儲量子通信量子計算機(jī)薛定諤之貓與全球定位系統(tǒng)(GPS)原子之貓原子鐘技術(shù)衛(wèi)星信號時間同步精密原子鐘GPS核心技術(shù)之一薛定諤之貓與國家安全技術(shù)

1cm

原子干涉儀、陀螺儀量子加密技術(shù)量子網(wǎng)絡(luò)量子密鑰激光冷卻原子(mK)|y>|左>+|右>

薛定諤貓態(tài)工作原理

原子干涉儀、陀螺儀應(yīng)用慣性制導(dǎo)GPS-free艦載導(dǎo)航地下設(shè)施重力勘探重力、磁力原子探礦尋貓之途路漫漫：未來展望路漫漫其修遠(yuǎn)兮,吾將上下而求索大尺度的薛定諤貓態(tài)宏觀量子世界？目前人類最大的“薛定諤貓”:

原子玻色-愛因斯坦凝聚體

1~10幾個mm

病毒與細(xì)菌、超導(dǎo)體正在發(fā)展的技術(shù)Optomechanics量子光機(jī)械建立：微觀--Nano—宏觀聯(lián)系生命中的“薛定諤貓態(tài)”？磁共振技術(shù)人類大腦量子控制人類記憶的量子存儲與讀?。骸白x心”是可能的？人類認(rèn)知與量子技術(shù)飛翔的信鴿、南歸的大雁也在“追尋”量子的軌跡？最近有報道研究：候鳥的大腦有類似磁力計的地磁場導(dǎo)航系統(tǒng)引起量子物理與原子物理學(xué)家的興趣：量子仿真學(xué)宇宙的量子之光：大統(tǒng)一理論？

尋找“弦”，量子引力變化暗物質(zhì)，暗能量生命最后一撇：靈魂回歸時的“量子之光”發(fā)展大統(tǒng)一理論類宗教理論：有科學(xué)基礎(chǔ)StuartHameroffArizona大學(xué)RogerPenrose英國牛津大學(xué)物質(zhì)意識物質(zhì)-精神同等、互補(bǔ)信息能量化QuantumBrain量子光學(xué)與量子調(diào)控在中國中科院上光所中科院武漢物數(shù)所中國科大山西大學(xué)華東師大北京大學(xué)清華大學(xué)。。。國家科學(xué)技術(shù)學(xué)部—量子調(diào)控重大科學(xué)研究計劃國家自然科學(xué)基金委—單量子態(tài)重大研究計劃量子調(diào)控量子調(diào)控量子調(diào)控量量子調(diào)控量子調(diào)控量量子研究在華東師大國家科學(xué)技術(shù)學(xué)部—量子調(diào)控重大科學(xué)研究計劃國家自然科學(xué)基金委—重點(diǎn)項目2次首席科學(xué)家項目光-原子量子研究所量子光學(xué)原子光學(xué)量子調(diào)控

共40余人，教授5人、副教授4人、講師5人；理論+實(shí)驗(yàn)。主要學(xué)術(shù)骨