郭文祥 劉伍明②

①本科生，清華大學(xué)物理系，北京100084；②研究員，中國(guó)科學(xué)院物理研究所，北京100190＊量子調(diào)控國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃（2011CB921500）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA04072800）

操縱和測(cè)量單個(gè)量子態(tài)
——2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介＊

郭文祥①劉伍明②

①本科生，清華大學(xué)物理系，北京100084；②研究員，中國(guó)科學(xué)院物理研究所，北京100190
＊量子調(diào)控國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃（2011CB921500）；中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA04072800）

非破壞性測(cè)量 量子光學(xué) 量子操控

同為68歲的法國(guó)科學(xué)家塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）與美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德（David J.Wineland）分享了2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們的突破性研究，讓原本神秘的量子世界不再“與世隔絕”。在量子世界中，粒子行為不遵從經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，人類對(duì)量子的觀測(cè)更是難上加難。通過巧妙的實(shí)驗(yàn)方法，阿羅什和維因蘭德的研究小組成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)量子態(tài)的測(cè)量和控制，顛覆了之前人們認(rèn)為的其無法被直接觀測(cè)的看法。

2012年10月9日下午，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉。瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)將獎(jiǎng)項(xiàng)授予量子光學(xué)領(lǐng)域的兩位科學(xué)家——法國(guó)物理學(xué)家塞爾日·阿羅什與美國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德，以獎(jiǎng)勵(lì)他們“提出了突破性的實(shí)驗(yàn)方法，使測(cè)量和操控單個(gè)量子態(tài)成為可能”。圖1為科學(xué)家操控單個(gè)量子的漫畫。

組成世界的基本成分——原子（物質(zhì)）和光子（光）的運(yùn)動(dòng)由量子力學(xué)來描述。這些粒子大多并不孤立，而是與環(huán)境進(jìn)行強(qiáng)烈的相互作用。然而粒子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)則與孤立粒子不同，常?？梢杂媒?jīng)典物理學(xué)來描述。量子力學(xué)領(lǐng)域一開始的時(shí)候，物理學(xué)家只能使用思想實(shí)驗(yàn)去簡(jiǎn)化情況，并預(yù)測(cè)單個(gè)量子粒子的行為。

圖1 科學(xué)家操控單個(gè)量子的漫畫

20 世紀(jì)八九十年代，物理學(xué)家發(fā)明了各種方法用以冷卻勢(shì)阱中的單個(gè)離子并用激光控制它們的狀態(tài)。一種方法中，使用和環(huán)境只有微弱相互作用的光子可以原位操縱和觀察單個(gè)離子；另一種實(shí)驗(yàn)方法中，光子被囚禁在諧振腔中操縱，通過巧妙設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)可以在不破壞狀態(tài)的情況下觀測(cè)到與原子相互作用的腔中光子。這些技術(shù)使科學(xué)家們驗(yàn)證量子力學(xué)的基本原理和微觀與宏觀世界之間的轉(zhuǎn)變不再只依靠思想實(shí)驗(yàn)。

通過非破壞性直接觀測(cè)單個(gè)量子系統(tǒng)，阿羅什和維因蘭德拉開了量子物理學(xué)新時(shí)代的大幕。通過巧妙的實(shí)驗(yàn)方法，他們成功地測(cè)量并操縱了非常脆弱的量子態(tài)，他們的工作為制造新型超高速量子計(jì)算機(jī)邁出了堅(jiān)實(shí)的第一步。這種方法也可以用來制造極精準(zhǔn)時(shí)鐘，用于未來的新的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，這將比現(xiàn)有的銫原子鐘精確百倍。

兩位獲獎(jiǎng)?wù)呔铝τ诹孔庸鈱W(xué)領(lǐng)域物質(zhì)粒子及光子基本相互作用的研究工作。這個(gè)領(lǐng)域從20世紀(jì)80年代中期開始有飛躍性的發(fā)展。圖2為如何控制獨(dú)立量子系統(tǒng)的科學(xué)背景圖解。左圖顯示了諧振阱中的一個(gè)離子（鈹離子），它的量子態(tài)（包括固有屬性和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）受到激光脈沖的控制；右圖是一個(gè)高品質(zhì)微波諧振腔中的一個(gè)（或幾個(gè)）光子，讓處于高能激發(fā)態(tài)的銣原子通過空腔，與光子發(fā)生相互作用，就可以測(cè)量和控制這些光子的場(chǎng)狀態(tài)。

圖2 如何控制獨(dú)立量子系統(tǒng)的科學(xué)背景圖解

1 控制勢(shì)阱中的單個(gè)離子

這個(gè)研究領(lǐng)域開始于20世紀(jì)70年代開發(fā)的用于捕獲帶電粒子的技術(shù)。保羅（Paul）和德默爾特（Dehmelt）因“發(fā)展離子阱技術(shù)”獲得1989年諾貝爾物理獎(jiǎng)。離子阱是結(jié)合靜電場(chǎng)和振蕩電場(chǎng)在超高真空中建立的。有的離子阱只有一個(gè)離子被捕獲，也有線性離子阱是幾個(gè)離子分布在一列上。被捕獲的離子會(huì)進(jìn)行振蕩，而且低溫時(shí)振蕩是量子化的。因此，離子有兩種量子能級(jí)：描述離子阱中運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)模式（也叫外部態(tài)）和描述離子內(nèi)部量子態(tài)的電子能級(jí)。這些能級(jí)可以通過光吸收或發(fā)射耦合，并產(chǎn)生一個(gè)雙光子過程，叫拉曼躍遷。因此離子可以通過激光激發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)烈光散射的光學(xué)轉(zhuǎn)換而觀測(cè)。這種現(xiàn)象可以被眼睛或用CCD相機(jī)直接觀測(cè)。此外，離子的內(nèi)部狀態(tài)可以通過觀察量子躍遷而確定［1－2］。如圖3通過觀察鈹離子發(fā)出的熒光的顏色，可以判斷離子所處的量子態(tài)。

圖3 3個(gè)阱中鈹離子發(fā)出的熒光圖

控制離子量子態(tài)的重要一步是用邊帶冷卻技術(shù)把離子冷卻到勢(shì)阱的最低能量［3－4］。圖4顯示了兩種不同電子能級(jí)囚禁離子的幾個(gè)振動(dòng)態(tài)。這項(xiàng)技術(shù)由激發(fā)離子，提高內(nèi)能和減少振動(dòng)能這三個(gè)步驟組成。這是用頻率為ω0—ων的窄帶激光處理，其中ων代表阱中兩種振動(dòng)模式的頻率差，ω0是原子頻率，也就是說激光頻率是兩種電子能級(jí)的離子之間的頻率差。激發(fā)離子優(yōu)先向振動(dòng)量子數(shù)相同的態(tài)衰變。這減少了離子能量，并讓離子逐漸冷卻到振動(dòng)量子數(shù)ν＝0的狀態(tài)。這項(xiàng)由維因蘭德及其同事開發(fā)的技術(shù)允許控制離子內(nèi)部和外部?jī)煞N自由度［5］。

圖4 邊帶冷卻原理

另一個(gè)突破是發(fā)展把電子量子疊加態(tài)轉(zhuǎn)化成阱中振動(dòng)量子疊加態(tài)的技術(shù)［6］，這項(xiàng)技術(shù)的靈感來自于Cirac和Zoller在1995年的理論提議［7］。這種量子疊加態(tài)可以傳遞到另一個(gè)與第一個(gè)離子相同振動(dòng)態(tài)的離子，這由Blatt及其合作者于2003年在奧地利因斯布魯克大學(xué)實(shí)現(xiàn)了［8］。這項(xiàng)技術(shù)被維因蘭德和合作者廣泛應(yīng)用于退相干測(cè)量和光學(xué)時(shí)鐘，并且它還是基于囚禁離子的量子邏輯門的基礎(chǔ)。

2 在勢(shì)阱中控制單個(gè)光子

塞爾日·阿羅什和他的研究小組采取了不同的方法揭示神秘的量子世界。在巴黎的實(shí)驗(yàn)室里，微波光子在相距2.7 cm的鏡片之間反彈。鏡片用超導(dǎo)材料制作，被冷卻到0.8 K，剛剛超過絕對(duì)零度。單個(gè)的光子在它們之間的空腔反彈大概130 ms，直到它丟失或被吸收。這意味著光子能夠穿越40 000 km的長(zhǎng)度，相當(dāng)于環(huán)繞地球一周。

腔中的場(chǎng)用Rydberg態(tài)銣原子來探測(cè)（圖5）。這種原子非常大，半徑約125 nm，并與腔中場(chǎng)進(jìn)行強(qiáng)烈的耦合。從能級(jí)n＝50（｜↓＞）到n＝51（｜↑＞）的躍遷幾乎與腔中微波場(chǎng)有相同頻率（51 GHz）。腔R1和腔R2用來制造和分析｜↓＞態(tài)和｜↑＞態(tài)之間的受控量子疊加，選擇性離子化檢測(cè)器（D）檢測(cè)原子狀態(tài)，相干源產(chǎn)生的光子通過波導(dǎo)與腔耦合。原子依次地一個(gè)個(gè)用控制的速度送入空腔中，因此它們與腔的相互作用時(shí)間也是被控制好的。在阿羅什小組所做的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)中，原子和場(chǎng)僅有稍微不同的頻率。腔中穿過的原子并不吸收光子，但它的能級(jí)因?yàn)閯?dòng)態(tài)斯塔克效應(yīng)而變化。這種相位偏移的符號(hào)，取決于原子是｜↓＞態(tài)還是｜↑＞態(tài)導(dǎo)致的原子和場(chǎng)的糾纏［9］。

圖5 用Rydberg原子研究微波場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)裝置

1990年，阿羅什和同事提出了非破壞性測(cè)量腔中光子數(shù)目的方法［10］。最近，他們用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此方法［11－12］。單個(gè)光子被捕獲在空腔中，并通過光子與原子的相互作用來觀察。Rydberg原子穿越空腔并離開，留下光子，但之間的相互作用使原子的量子相位發(fā)生改變，就像一陣波。當(dāng)Rydberg原子離開空腔時(shí)，相位改變能通過測(cè)量得到，從而暗示空腔中光子的存在或逃逸。借助這個(gè)方法，阿羅什和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)后期方案一步一步實(shí)現(xiàn)單個(gè)量子狀態(tài)的測(cè)量［11］。

2001年，阿羅什小組還在他們的微波腔中實(shí)現(xiàn)了通過交換虛擬的單個(gè)光子實(shí)現(xiàn)兩個(gè)Rydberg原子之間的糾纏實(shí)驗(yàn)研究［12］。這一實(shí)驗(yàn)是基于當(dāng)時(shí)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)者鄭仕標(biāo)和郭光燦的理論工作的基礎(chǔ)上完成的［13］。由于實(shí)驗(yàn)過程不交換真實(shí)的光子，從而有效降低了腔場(chǎng)消耗相干的影響，原子的糾纏特性得以被有效觀測(cè)到。

3 量子力學(xué)悖論

量子力學(xué)描繪了一個(gè)肉眼無法觀測(cè)的微觀世界，這個(gè)世界中事件總與我們的期望和在宏觀經(jīng)典物理中的經(jīng)驗(yàn)相反。量子物理的一個(gè)中心問題是量子世界與經(jīng)典世界的轉(zhuǎn)化。量子世界本身具有不確定性或者說是隨機(jī)性。一個(gè)例子是疊加態(tài)，一個(gè)量子可以有多重形態(tài)。我們通常不會(huì)認(rèn)為一塊大理石同時(shí)在“這里”也在“那里”，除非它是一塊量子大理石。當(dāng)我們想找出它到底在哪里時(shí)，疊加態(tài)的大理石只能確切地告訴我們大理石在這里或那里的概率。

為什么我們從沒有察覺到現(xiàn)實(shí)中有這些奇怪的現(xiàn)象呢？為什么我們從沒有在日常生活中觀察到疊加態(tài)大理石呢？奧地利物理學(xué)家及諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主（1933年）薛定諤爭(zhēng)辯道。正如其他量子理論的先驅(qū)，他試圖理解和闡釋這些現(xiàn)象。1952年，他寫下：“我們從來沒有用一個(gè)電子、原子或者其他分子做過實(shí)驗(yàn)。在思想實(shí)驗(yàn)中，我們的假設(shè)，這總是導(dǎo)致可笑的后果……”［15］

為了說明將我們的宏觀世界間思想實(shí)驗(yàn)移動(dòng)到微觀量子世界可能產(chǎn)生的荒謬的結(jié)果，薛定諤描述了一個(gè)關(guān)于貓的思想實(shí)驗(yàn)：薛定諤的貓被放在一個(gè)與周圍環(huán)境完全隔離的箱子內(nèi)（圖6）。這個(gè)箱子內(nèi)有一瓶致命的氰化物，還有一些處于激發(fā)態(tài)的放射性原子衰變。放射性衰變遵循量子力學(xué)定律，因而它處于發(fā)射和未發(fā)射的疊加狀態(tài)。因此，貓?zhí)幱诨钪退懒说寞B加狀態(tài)?，F(xiàn)在，如果你窺視箱子內(nèi)部，你正在冒著殺死這只貓的風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)榱孔盈B加態(tài)對(duì)環(huán)境作用非常敏感以至于絲毫觀察貓的意圖會(huì)讓貓“塌縮”到出現(xiàn)死或者活兩種狀態(tài)中的一種。在薛定諤看來，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了一個(gè)荒謬的結(jié)論。據(jù)說后來他為讓量子力學(xué)如此混亂而道歉。

2012年的兩位物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者能夠映射到當(dāng)外界環(huán)境參與時(shí)量子貓的狀態(tài)［16］。他們分別設(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)說明觀測(cè)這一行為實(shí)際上如何導(dǎo)致量子狀態(tài)的崩潰并失去其疊加特性的。阿羅什和維因蘭德并沒有用貓，而是將勢(shì)阱中的離子放入薛定諤假設(shè)的疊加態(tài)中。這些量子物體盡管宏觀上沒有貓那樣的形狀，但相對(duì)于量子尺度仍然足夠大。在阿羅什的空腔中，不同相位的微波光子被同時(shí)放置在像貓一樣的疊加態(tài)中，像同時(shí)有很多順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的秒表?？涨恢械奈⒉▓?chǎng)用Rydberg原子探測(cè)［17－18］。結(jié)果出現(xiàn)了另一個(gè)難以理解的被稱為糾纏態(tài)的量子效應(yīng)。糾纏同樣也被薛定諤描述過，可以發(fā)生在兩個(gè)或多個(gè)量子之間，他們彼此沒有直接接觸，卻可以讀取或影響對(duì)方的屬性。微波場(chǎng)中量子的糾纏態(tài)和Rydberg原子的運(yùn)動(dòng)讓阿羅什映射活著和死亡的貓一樣的狀態(tài)，進(jìn)而一步一步，經(jīng)歷了從量子疊加態(tài)到被完全定義的經(jīng)典物理態(tài)的過渡［19］。

圖6 薛定諤的貓漫畫圖

4 量子計(jì)算機(jī)和超精準(zhǔn)時(shí)鐘

在1995年Cirac和Zoller發(fā)表的一篇?jiǎng)?chuàng)意十足的理論文章中，他們提議用囚禁離子構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)。量子比特用阱中離子的超精細(xì)能級(jí)編碼，與環(huán)境作用非常微弱，因此可以長(zhǎng)時(shí)間存在。兩個(gè)或兩個(gè)以上離子可以通過質(zhì)心運(yùn)動(dòng)耦合。維因蘭德和他的小組是世界上第一個(gè)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和自旋耦合兩量子比特實(shí)驗(yàn)操作的?，F(xiàn)在最先進(jìn)的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)是基于囚禁離子，而且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)到了14量子比特［20］。然而量子計(jì)算機(jī)依然存在許多問題，比如相對(duì)立的兩個(gè)問題：量子需要絕對(duì)隔離外界環(huán)境，以保持量子特性；而它們又需要和外界交換它們的運(yùn)算結(jié)果。盡管如此，21世紀(jì)量子計(jì)算機(jī)有可能完成。如果這樣，如同20世紀(jì)計(jì)算機(jī)信息時(shí)代，量子計(jì)算機(jī)將帶來計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一場(chǎng)全新的革命。

維因蘭德實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要應(yīng)用是光學(xué)時(shí)鐘（圖7）。維因蘭德和他的團(tuán)隊(duì)運(yùn)用勢(shì)阱中的離子制作了一個(gè)時(shí)鐘，它比作為現(xiàn)在時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的銫原子鐘精確了100倍。因?yàn)榫S因蘭德的離子鐘使用可見光或紫外光，比銫原子鐘使用的微波波段的頻率高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。一個(gè)光鐘僅包含一兩個(gè)囚禁的離子。如果包含兩個(gè)離子，則一個(gè)用來做鐘，另一個(gè)用來在不破壞它狀態(tài)的情況下進(jìn)行讀取，或者錯(cuò)過一個(gè)刻度。光鐘的誤差率低于10－17，這意味著如果從大約140億年前的大爆炸開始計(jì)時(shí)，光鐘到現(xiàn)今的偏差僅為5 s。

圖7 光鐘漫畫圖

利用如此精確的時(shí)鐘，可以觀察到一些原來難以觀察到的極其微妙的自然現(xiàn)象，例如時(shí)間的緩緩流逝，重力的微小變化，時(shí)空的交織。根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論，時(shí)間受到運(yùn)動(dòng)和引力的雙重影響。速度越快，引力越強(qiáng)，時(shí)間流逝越慢。雖然我們平常不能察覺到這種現(xiàn)象，但它確實(shí)存在于我們的日常生活中。運(yùn)用GPS導(dǎo)航時(shí)，我們依賴衛(wèi)星發(fā)送的時(shí)間信號(hào)，但這些時(shí)間信號(hào)卻因?yàn)閹装俟锿庖ψ內(nèi)醵枰ㄆ谛?zhǔn)。運(yùn)用光鐘，我們可以測(cè)量速度變化小于10 m／s，或者高度差為30 cm處引力改變所引起的時(shí)間流逝的變化［21］。

（2012年11月14日收到）

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Measuring and Manipulating Individual Quantum Systems：A Brief Introduction to the Nobel Prize in Physics 2012

GUO Wen-xiang①，LIU Wu-ming②
①Undergraduate，DepartmentofPhysics，TsinghuaUniversity，Beijing100083，China；②Professor，InstituteofPhysics，Chinese AcademyofScience，Beijing100190，China

The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly to Serge Haroche and David J.Wineland"for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems".Haroche and Wineland opened the door to a new era of experimentation with quantum physics by demonstrating the direct observation of individual quantum systems without destroying them.For single particles of light or matter，the laws of classical physics cease to apply and quantum physics takes over.Thus many seemingly bizarre phenomena predicted by quantum mechanics could not be directly observed.They independently invented and developed ground-breaking methods for measuring and manipulating individual particles while preserving their quantum-mechanical nature，in ways that were previously thought unattainable.

nondestructive measurement，quantum optics，quantum manip ulation

10.3969／j.issn.0253-9608.2012.06.004

（編輯：溫文）