探索量子世界的里程碑

2012年诺贝尔物理学奖获得者，法国科学家赛尔日·阿罗什

在2012年10月9日，全世界肯定有很多物理学家在内心忐忑而又故作镇定地等待一个来自瑞典的电话。在这一天，本年度的诺贝尔物理学奖将揭晓。与诺贝尔文学奖得主早早地被博彩公司与媒体猜中不同，最终接到来自瑞典皇家科学院电话的两位物理学家在得奖之前没有被任何预测诺贝尔奖的机构看好——来自法兰西学院的法国科学家赛尔日·阿罗什（Serge Haroche）和来自美国国家标准与技术研究所与科罗拉多大学的美国科学家大卫·维因兰德将分享2012年的诺贝尔物理学奖奖金。

对于大众来说，2012年物理学最重大的发现应该算是欧洲核子中心（CERN）运行的大型重子对撞机（LHC）发现了粒子物理学家们寻找了几十年的“希格斯玻色子”，因此，英国科学家皮特·希格斯（Peter Higgs）获得本年的诺贝尔物理学奖似乎是“众望所归”。但希格斯教授未获今年诺贝尔奖的原因也容易理解：每年诺贝尔奖的提名在当年的2月份就完全结束，而彼时尚未确定发现希格斯玻色子；其次，每一届诺贝尔物理学奖的获奖人数不会超过3人，如果授予有关希格斯玻色子的工作，那么获奖名单实在是难以确定——在实验方面，数以千计的实验人员在大型重子对撞机前工作数年，理应是发现希格斯玻色子的最大功臣；在理论方面，最早提出关于标准粒子模型理论的是比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）和罗伯特·布罗特（Robert Brout），在随后半年里又有6位科学家相继发表了相关的论文，而皮特·希格斯则第一个预言在这个理论当中存在着一个尚未发现的基本粒子，这些科学家都对希格斯玻色子的发现做出了重要贡献。除了布罗特教授已经去世，要从其余的科学家中选出做了最重要贡献的3位，实在不是一件容易的事情。

2012年的诺贝尔物理学奖最终落在了量子光学领域。两位实验物理学家——阿罗什与维因兰德通过“开创性的实验方法使得测量与操纵单一的量子系统成为可能”，因而赢得诺贝尔物理学奖。这两位科学家以两种相对应的方式，通过实验研究光与物质相互作用的量子过程，体现了人类在微观领域操控能力的最高水平，同时，这些技术潜在的应用前景也为人类社会的未来开创了各种可能。

量子力学的开创者之一，埃尔文·薛定谔在1952年曾经说：“我们从来不用单个的电子、原子或是分子做实验，我们只在思维实验中这样做，这总是会导致荒谬的结果。”这种结果，就是物理学家们至今也无法理解的微观量子现象，比如量子“叠加态”，一个微观粒子可以同时处于两种状态，而当它被“观测”，或者与周围的环境发生接触时，叠加态则会消失，而变成某种单一的经典状态。观察到一个微观粒子在未被打扰的情况下同时具有两种状态，或是同时出现在两个地方，这正是薛定谔说的“荒谬”的结果。而在60年之后，两位物理学家就是通过高超的实验手段，以不同的方式探测和控制光子与负离子的量子态，揭示了量子力学最奇特的一面，并以此获得了物理学的最高荣誉。

维因兰德教授多年来一直研究建造量子计算机，而对于单个微观粒子状态的测量和控制则是建造量子计算机的第一步。现代计算机传递数据的基本单位是一个比特，其数值只能是0或者1，而科学家们努力构建的量子计算机，正是利用了量子的叠加态，可以同时具有0和1两种状态，这称为“量子比特”。因此，一个量子比特可以同时具有00、01、10和11四个数值。量子计算机将可以同时进行多个运算，因此其速度与普通计算机相比将会大幅度提高。

美国科学家大卫·维因兰德

在1994年，贝尔实验室的科学家皮特·秀尔（Peter Shor）在理论上证明了量子计算机可以进行指数级的运算，轻易分解大数的质因子；1997年，同样来自贝尔实验室的科学家洛夫·格罗夫（Lov Grover）证明了量子计算机可以迅速检索互联网上未分类的信息，这使得量子计算机成为研究的热门领域。要实现一个最简单的量子计算系统，必须要满足两个条件：首先，这个量子系统必须与周围的环境隔绝来保证不受外部环境的影响，维持量子态；其次，这个量子系统必须可以和外部的世界通信。维因兰德领导的研究小组第一个通过实验实现了利用两个量子比特进行计算，为了实现这两点，在极低的温度下，维因兰德通过激光脉冲作用于被周围电磁场困住的处于叠加态的粒子来读取它的状态，同时又可以不破坏这种叠加态。这种实验即使在十几年前也会被认为是只有在科幻小说中才能实现，现在则成为现实。这不仅是维因兰德研究组高超实验手段的体现，同时也依赖近年来通过电磁场捕获粒子技术、激光冷却原子技术和光学相干理论研究的进步。

维因兰德通过激光脉冲作用于量子叠加态的技术不仅是实现量子计算机的第一步，同时也可以帮助建造出世界上最精确的原子钟——通过一个处于量子态的离子充当原子钟，而通过另外一个处于量子态的离子或是可见光的激光脉冲来读取时间，这种新型的原子钟会比通常使用的通过微波激光读取时间的铯原子钟精确上百倍——这种最精确的原子钟即使是从宇宙大爆炸的时刻就开始计时，一直到140亿年之后的今天，也只会有四五秒钟的误差。建造出这种人类历史上最精确的时钟，有着非常重大的实际意义：人类可以更精确地测量各种宇宙常数，同时，也可以进一步验证广义相对论的各种预测。根据广义相对论，在引力场强度更高的地方或是在速度更快的状态下，时间的流逝将会变慢，这种微观效应很难在实际生活中观察到。而通过世界上最精确的原子钟，一个人即使是高度变化30米，或是以10米/秒的速度进行运动，时间对于他流逝的速度变化都可以测量出来——这将是验证广义相对论对于时空特性的描述的绝佳工具。

虽然都是在量子光学领域研究光与物质的相互作用，相对于维因兰德通过光子来测量和操纵离子的量子态，阿罗什则采取了相反的方式——通过原子来测量处于量子态的光子。阿罗什构建了一个光学腔来限制单个光子的活动，在接近绝对零度的温度下，阿罗什布置了两个距离只有几厘米的闪亮的超导体镜子，单个的光子在进入这个光学腔之后，将会被限制在这个光学腔中长达0.1秒，之后才会逃离或是被吸收。在这段时间内，被困住的光子将以光速旅行4万公里，这个长度足以环绕地球一周。

为了研究光子的量子态，阿罗什利用一种叫作里德伯原子的特殊原子进行探测。面包圈形状的里德伯原子体积比一般原子大上千倍，它对于电磁场的变化又极其敏感。在光子逃离光学腔或是被吸收之前，里德伯原子以一个特定的速度一个接一个地进入这个光学腔，与光子发生相互作用，形成一种纠缠态。因此，当这些原子离开光学腔时，它们的量子态发生了改变，因此，通过测量这些原子状态的变化，人们就可以了解光学腔内光子的状态，计算其中光子的数目，并且了解它从量子态到经典状态的转变过程。

阿罗什在接受采访时曾经说过，他花了很大的力气来建立这些实验仪器，但是他也说不清他的研究成果究竟会有什么实际应用。他说：“如果你像我们一样研究单个的粒子，那么你将可以以一种奇妙的方式来揭示量子力学，并且你也可以研究所有的量子过程。”也许，好奇心才是驱动他一生进行这项研究的动力，而研究工作本身就是对他最好的报答。

美国物理学会主席罗伯特·拜尔（Robert Byer）评价说：“阿罗什和维因兰德都通过优美的实验手段使这个世纪成为量子世纪。”可能在本世纪中，人类将对量子力学的本质有更深的理解，量子计算机也将成为现实，并且像电子计算机一样给人类的生活带来巨大的转变。而这两块诺贝尔物理学奖奖牌，就像是纪念人类探索量子世界的里程碑。