郭雅潔 桑芝芳

（蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

北京時(shí)間2012年10月9日17時(shí)45分，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)家戴維·瓦恩蘭（David Wineland）分享了2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).獲獎(jiǎng)理由是他們“提出了突破性的實(shí)驗(yàn)方法，使測(cè)量和操控單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能”.他們的突破性研究，讓原本神秘的量子世界不再“與世隔絕”.

1 兩位科學(xué)家的生平介紹

塞爾日·阿羅什（圖1）于1944年9月11日出生在摩洛哥卡薩布蘭卡，現(xiàn)在居住于巴黎，有兩個(gè)孩子.阿羅什的母親出生于俄國(guó)，是一位教師，父親是律師.

塞爾日·阿羅什是法國(guó)物理學(xué)家、法蘭西學(xué)院院士，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士，目前在法蘭西學(xué)院和法國(guó)巴黎高等師范學(xué)院任教授.他的博士論文導(dǎo)師是1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主克洛德·科昂 唐努德日.

圖1

塞爾日·阿羅什的工作屬于物理學(xué)三大領(lǐng)域中的“原子分子與光物理”部分（另兩個(gè)是粒子物理和凝聚態(tài)物理）.他的主要研究領(lǐng)域是量子光學(xué)和量子信息學(xué)，對(duì)量子光學(xué)中的量子電動(dòng)力學(xué)研究做出過(guò)重要貢獻(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)量子力學(xué)領(lǐng)域享有盛名.他在腔電動(dòng)力學(xué)方面的主要成就包括：（1）在一個(gè)腔體中觀察到單原子自發(fā)輻射有所增強(qiáng)；（2）利用微波腔實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)原子的囚禁；（3）單個(gè)光子的量子非破壞測(cè)量；（4）直接測(cè)定了腔體中的場(chǎng)量子化；（5）直接監(jiān)控介觀量子退相干現(xiàn)象；（6）實(shí)現(xiàn)了光子存儲(chǔ)；（7）完成了量子信息過(guò)程的許多步驟比如產(chǎn)生原子原子、原子光子的糾纏態(tài)；（8）實(shí)現(xiàn)了將光子和原子作為“量子比特”的量子邏輯門(mén)操作.［1］

圖2

戴維·瓦恩蘭（圖2）是美國(guó)物理學(xué)家，1944年2月24日出生于美國(guó)密爾沃基.1961年，瓦恩蘭從加州沙加緬度的恩忻娜高中畢業(yè).他申請(qǐng)獲準(zhǔn)到加州大學(xué)柏克萊分校讀書(shū).1965年，得到學(xué)士學(xué)位.之后，他以?xún)?yōu)異成績(jī)轉(zhuǎn)入哈佛大學(xué)，在獲得1989年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)物理大師諾曼·拉姆齊誨人不倦的指導(dǎo)下攻讀博士學(xué)位.1970年，獲得博士學(xué)位，博士論文為《原子重氫激微波》（The Atomic Deuterium Maser）.之后，他加入1989年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主漢斯·德默爾特的研究團(tuán)隊(duì)，在華盛頓大學(xué)做博士后.1975年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所聘請(qǐng)他為物理研究員.在那里，他成為離子儲(chǔ)存團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)人.［2］瓦恩蘭是美國(guó)物理學(xué)會(huì)，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的會(huì)士，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院的院士.曾獲得阿瑟·肖洛獎(jiǎng)（激光科學(xué)）、美國(guó)國(guó)家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)拢ㄎ锢韺W(xué)）、赫伯特·沃爾特獎(jiǎng)、本杰明·富蘭克林獎(jiǎng)?wù)拢ㄎ锢韺W(xué)）等.他的主要工作包括離子阱的激光冷卻，以及利用囚禁的離子進(jìn)行量子計(jì)算等，因此被認(rèn)為是離子阱量子計(jì)算的實(shí)驗(yàn)奠基者.他的工作主要成就包括：（1）用激光來(lái)冷卻陷俘于保羅阱里的離子，并且應(yīng)用這技術(shù)制成比原子鐘更準(zhǔn)確的光學(xué)鐘；（2）用陷俘離子的概念來(lái)實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)的量子門(mén)，對(duì)于量子運(yùn)算做出重大貢獻(xiàn)；（3）直接非摧毀性地觀察單獨(dú)量子粒子的量子行為，這使得物理學(xué)者能夠做實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)像薛定諤貓一類(lèi)的思想實(shí)驗(yàn).［1］

2 諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介

與人們熟知的世界截然不同，自然界還存在著另類(lèi)世界，被稱(chēng)為量子世界.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(lèi)對(duì)量子的觀測(cè)更是難上加難.而通過(guò)巧妙的實(shí)驗(yàn)方法，阿羅什和瓦恩蘭的研究小組成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)量子系統(tǒng)的測(cè)量和控制，顛覆了之前人們認(rèn)為的其無(wú)法被直接觀測(cè)的看法［3］.塞爾日·阿羅什和戴維·瓦恩蘭各自獨(dú)立發(fā)明和發(fā)展了測(cè)量及操控單個(gè)粒子的方法，并能在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保有粒子的量子力學(xué)特質(zhì)，而這種方式在此之前被認(rèn)為是不可企及的.兩位科學(xué)家的工作領(lǐng)域均屬于量子光學(xué)，事實(shí)上，他們所采用的方法還有很多共通之處：戴維·瓦恩蘭使用光子來(lái)控制和測(cè)量被囚禁的帶電離子，塞爾日·阿羅什則采用了相反的途徑，他控制并測(cè)量了被囚禁的光子，具體需要原子穿越陷阱來(lái)實(shí)現(xiàn).阿羅什的工作是打造出一個(gè)微波腔，借助單個(gè)原子在微波腔中會(huì)輻射或吸收單個(gè)光子的特性，實(shí)現(xiàn)了操縱單個(gè)光子.而瓦恩蘭則制造出了一個(gè)離子阱，先用光來(lái)俘獲離子，然后用激光冷卻離子，進(jìn)而對(duì)離子進(jìn)行測(cè)量和控制.［3］

在量子光學(xué)中Jaynes－Cummings模型描述的是一個(gè)兩能級(jí)原子與一個(gè)單模量子化光場(chǎng)相互作用的耦合系統(tǒng).該模型是人們研究光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用規(guī)律的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn).在這個(gè)模型中，光是量子化的，可描述單獨(dú)的光子與單獨(dú)的原子相互作用.［4］然而，如何實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單干凈的量子系統(tǒng)來(lái)符合Jaynes－Cummings模型一直是個(gè)難題.20世紀(jì)80年代，阿羅什帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)用里德堡原子束通過(guò)高反射率的微波腔，實(shí)現(xiàn)了微波頻率的光子與里德堡原子不間斷的相互作用，從而解決了這個(gè)問(wèn)題.

里德堡原子指的是最外層電子處于非常高能級(jí)的原子，半徑也達(dá)到基態(tài)原子的1000倍以上.在阿羅什的實(shí)驗(yàn)中，用的是最外層電子處于n＝50的能級(jí)的銣原子，而光子的頻率為51Hz，對(duì)應(yīng)的是銣原子n＝50到n＝51能級(jí)的躍遷頻率.通過(guò)控制微波腔的腔長(zhǎng)（2.7cm），可以有效抑制n＝51銣原子在51Hz頻率上的自發(fā)輻射，從而使腔內(nèi)的銣原子不斷地重復(fù)著先受激輻射出一個(gè)51Hz的光子，經(jīng)過(guò)腔內(nèi)表面反射后再被下一個(gè)銣原子吸收這個(gè)過(guò)程，直到130ms后光子脫離這個(gè)微腔為止.［3］

阿羅什的Cavity－QED（腔量子電動(dòng)學(xué)）系統(tǒng)一個(gè)重要的應(yīng)用就是“弱測(cè)量”：微調(diào)微波腔長(zhǎng)，使里面囚禁的光子的頻率與稍稍遠(yuǎn)離原子的共振頻率，原子便不會(huì)吸收和輻射光子.但是通過(guò)腔的原子基態(tài)的能級(jí)會(huì)因?yàn)楣庾拥拇嬖诙a(chǎn)生微小的頻率移動(dòng)，該移動(dòng)與光子的數(shù)量成正比.從而通過(guò)測(cè)量原子基態(tài)能級(jí)的頻率移動(dòng)會(huì)準(zhǔn)確得到腔內(nèi)的光子數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的非破壞性測(cè)量.［2］

在測(cè)量某一體系中的可被觀測(cè)到的量子時(shí)，人們需要把它耦合到某一場(chǎng)上，而這樣的場(chǎng)往往會(huì)給所要測(cè)量的系統(tǒng)帶來(lái)量子噪聲，限制著人們對(duì)微弱信號(hào)的測(cè)量，量子非破壞性測(cè)（Quantum－Nondemolition，簡(jiǎn)稱(chēng) QND）則提供了一種克服量子噪聲的新穎的方法，原則上它能以任意精度探測(cè)到極其微弱的信號(hào)［5］.阿羅什團(tuán)隊(duì)曾利用非破壞性測(cè)量方法，使用了“色散原子探針”（DAP－QND），這是一種能夠持續(xù)探測(cè)到極少數(shù)目光子的非共振原子場(chǎng)，它實(shí)際上是一束穿過(guò)腔中的兩能級(jí)原子，而這一場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)中光子數(shù)目沒(méi)有任何的反作用.［6］

瓦恩蘭團(tuán)隊(duì)的工作是利用Paul阱囚禁少量離子，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的量子計(jì)算.Paul阱用四根彼此平行的柱子產(chǎn)生的四極交變電場(chǎng)來(lái)囚禁離子.由量子力學(xué)可得知，勢(shì)阱內(nèi)的囚禁的離子除了具有電子的能級(jí)之外，還有具有振動(dòng)能級(jí).用激光控制離子電子能級(jí)間的躍遷，會(huì)導(dǎo)致離子在阱內(nèi)振動(dòng)間的躍遷.這樣可以使得離子躍遷到振動(dòng)能級(jí)的基態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的冷卻.一串相同的離子可以同時(shí)囚禁在四根柱子的中心，并連成一線，同時(shí)靜電排斥力讓他們彼此有關(guān)聯(lián).這就是一個(gè)較為理想的實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算的系統(tǒng).

該離子阱量子計(jì)算方案最早由兩位奧地利理論物理學(xué)家I.Cirac和P.Zoller在1995年提出，很快在1995年年底，瓦恩蘭的團(tuán)隊(duì)就在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了它.瓦恩蘭的實(shí)驗(yàn)開(kāi)創(chuàng)了離子阱量子計(jì)算技術(shù)，該技術(shù)能夠通過(guò)增加囚禁的離子的數(shù)量來(lái)增加量子比特的數(shù)量，因此很長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)被視為最有希望的量子計(jì)算方案.

在Cirac和Zoller提出方案的基礎(chǔ)上，瓦恩蘭團(tuán)隊(duì)證實(shí)了由一對(duì)量子比特（quantum bits，qubits）組成的“受控非門(mén)”（Controlled－NOT，CN）這一量子邏輯門(mén)，這一操作與簡(jiǎn)單的但比特操作結(jié)合時(shí)即可形成量子計(jì)算機(jī)的通用的量子邏輯門(mén).這兩個(gè)量子比特包括一個(gè)受禁原子的兩個(gè)內(nèi)在態(tài)（inner state）和兩個(gè)外在態(tài)（external state），而這一原子則被激光冷卻到零點(diǎn)能量.雖然這個(gè)極小的系統(tǒng)僅由兩個(gè)量子比特組成，但它為大規(guī)模的量子計(jì)算機(jī)提供了必要的基本操作.量子計(jì)算機(jī)在實(shí)驗(yàn)中的實(shí)現(xiàn)需要充當(dāng)量子比特作用的孤立的量子系統(tǒng)，如果量子比特沒(méi)有能夠與外界的影響做夠分離，那么退相干作用可能會(huì)破壞量子干涉.

量子計(jì)算機(jī)的最顯著的特征是其儲(chǔ)存和數(shù)字的疊加的能力，最引人注目的例子是由Shor提出的量子計(jì)算機(jī)高效分解較大數(shù)字的運(yùn)算程序.由于普通的計(jì)算機(jī)不能分解較大的數(shù)字，在這一點(diǎn)上，量子計(jì)算機(jī)則為數(shù)據(jù)加密體系的安全性提供了巨大的保障，這必將引來(lái)極大的關(guān)注.［7］

諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)認(rèn)為，這兩位獲獎(jiǎng)?wù)呤状螌⒘孔庸鈱W(xué)領(lǐng)域的研究由基礎(chǔ)理論向應(yīng)用層面發(fā)展，讓新一代的超級(jí)量子計(jì)算機(jī)的誕生有了初步的可能，這或?qū)?dǎo)致極其先進(jìn)的通信和計(jì)算模式.換句話說(shuō)，這是向著研制具有驚人運(yùn)算速度的量子計(jì)算機(jī)邁出了第一個(gè)腳步.科學(xué)界認(rèn)為，下一代計(jì)算機(jī)室建立在量子層面的，它將比傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)容量更大，數(shù)據(jù)處理速度更快.或許，就在本世紀(jì)，量子計(jì)算機(jī)會(huì)徹底改變我們每個(gè)人的日常生活——正如經(jīng)典計(jì)算機(jī)在上個(gè)世紀(jì)曾徹底顛覆每個(gè)人的生活方式一樣.

評(píng)委會(huì)還表示，兩位科學(xué)家對(duì)極端精準(zhǔn)的光子鐘領(lǐng)域也有重大的貢獻(xiàn).光子鐘是目前世界上最精準(zhǔn)的鐘，比銫原子鐘要精準(zhǔn)好幾百倍.此前，世界最精確的時(shí)鐘曾經(jīng)就是瓦恩蘭就職的科羅拉多州國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所制造的量子邏輯鐘，它的誤差約為每37億年1秒.

阿羅什與瓦恩蘭展示了如何在不破壞單個(gè)粒子的情況下對(duì)其進(jìn)行直接觀察的方法，但他們做到的卻不只是在量子世界控制住粒子，其帶給人們生活的改變，將遠(yuǎn)超今天我們所能夠看得到的.

1 http：／／zh.wikipedia.org／wiki／.

2 http：／／baike.baidu.com／cms／s／wulixuejiang／index.html.

3 http：／／news.sciencenet.cn／htmlnews／2012／10／270224.shtm.

4 M.Brune，F(xiàn).Schmidt－Kaler，A.Maali，J.Dreyer，E.Hagley，J.M.Raimond，and S.Haroche.Quantum Rabi Oscillation：A Direct Test of Field Quantization in a Cavity.Phys.Rev.Lett.76，11（1996）.

5 Zheng Shi－Biao.Quantum Nondemolition Measurement of Photon－number Distribution For a Weak Cavity Field With Resonant Atoms.Chin.Phys.12（01）.

6 M.Brune，S.Haroche，and J.M.Raimond.Manipulation of Photons in a Cavity By Dispersive Atom－field Coupling：Quantum－nondemolition Measurements and Generation of“Schrodinger cat”States.Phys.Rev.A 45，5193（1992）.

7 C.Monroe，D.M.Meekhof，B.E.King，W.M.Itano，and D.J.Wineland.Demonstration of a Fundamental Quantum Logic Gate.Phys.Rev.Lett.75，4714（1995）.