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本文发表于《科学画报》二零一二年第十一期 (上海科学技术出版社出版)。 因字数所限, 发表稿的内容略有删节。

囚禁的量子,开放的应用

- 2012 年诺贝尔物理学奖获奖成果简介 -

- 卢昌海 -

本文是应《科学画报》约稿而写的科普短文, 本站版本在若干学术术语、 人名及获奖原因后面加注了英文, 并包含了一些注释。

2012 年 10 月 9 日, 一位 68 岁的法国老人与妻子在街头散步, 当他们路过一条街边的长椅时, 电话忽然响起, 老人被告知获得了诺贝尔物理学奖。 同样被 “搅扰” 的还有大西洋彼岸的一位也是 68 岁的美国老人, 电话响起时他还在睡梦中, 但无论什么梦也没有电话里的消息更美: 他也获得了诺贝尔物理学奖。

这两位天各一方, 但恰巧同岁的老人分别是法国物理学家阿罗什 (Serge Haroche) 和美国物理学家维因兰德 (David Wineland), 之所以获奖, 是因为他们实现了 “使得对单个量子体系的测量与操控成为可能的突破性实验方法” ("for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems")。 他们将共同分享崇高的荣誉, 以及虽因金融危机而缩水, 但数量依然可观的 800 万瑞典克朗 (约合 110 万美元) 的奖金[注一]

在本文中, 我们将对这两位物理学家的工作及其意义作一个简单介绍。

一. 小有小的麻烦

美国物理学家费曼曾以一个有趣的问题作为《费曼物理学讲义》(The Feynman Lectures on Physics) 的开篇, 那就是: 假如因为某种灾变, 在所有科学知识中只有一句话能传之于后代, 什么话能用最少的文字包含最多的信息? 费曼认为, 那应该是所谓的 “原子假设”, 即所有物质都是由原子组成的[注二]。 不过, 这句话包含的信息虽多, 要想破译却并不容易。 事实上, 早在两千多年前的古希腊就有先贤猜测过物质是由原子组成的 (“原子” 一词的英文 atom 就来自希腊文 ἄτομος, 含义为 “不可分割的”), 但直到 18 世纪才开始有了现代意义下的原子理论, 而原子的真正奥秘, 则直到 20 世纪才开始揭晓。

为什么呢? 因为原子实在太小了, 既看不见, 也摸不着。

如今我们知道, 原子并非是 “不可分割的”, 它由更基本的粒子所组成, 并且与那些粒子一样, 遵守一种被称为量子力学 (quantum mechanics) 的奇妙规律。 这种规律与我们习以为常的宏观世界的规律完全不同, 在发现之初曾带给物理学家们极大的震动。 直到很多年后, 当那种规律逐渐褪去新鲜的外衣, 甚至已变成物理系学生的常识时, 想在最直接的意义上体验它们仍是极为困难的事情。

为什么呢? 依然是因为原子实在太小了, 既看不见, 也摸不着。

维因兰德和阿罗什完成了 近乎 “不可能任务” 的壮举
维因兰德和阿罗什完成了
近乎 “不可能任务” 的壮举

由于这一原因, 物理学家们对原子——或者更一般的, 对量子体系——的很多观测都不是针对单个原子 (或量子体系) 的。 比如他们观测的原子光谱乃是由很多原子共同发射的。 而在有条件观测单个原子 (或量子体系) 的实验中, 由于观测对象太小, 往往观测一结束, 观测对象本身也就 “人间蒸发” 或 “香消玉殒” 了, 比如用云室或气泡室 (这两者的发明者分别获得了 1927 年和 1960 年的诺贝尔物理学奖) 观测粒子, 或用照相设备观测光子就都是如此。

那么, 有没有什么办法, 能够观测甚至操控单个量子体系, 同时还让它继续存在 (从而还可以继续观测或操控) 呢? 维因兰德和阿罗什——在他们各自同事的鼎力合作下——所解决的正是这个问题。 他们凭借高超的实验技巧, 将单个量子体系囚禁起来, 然后用细微而巧妙的 “探针” 去观测甚至操控它, 从而完成了近乎 “不可能任务” (mission impossible) 的壮举, 为上述问题提供了肯定答案。

下面我们就对他们的方法做一个简单介绍。

二. 囚禁的量子

维因兰德采用的方法是将单个的离子 (离子是失去或得到若干电子——从而带电——的原子), 比如铍离子 Be+ (它是失去一个电子的铍原子), 利用其带电的特征, 囚禁在用电磁场组成的 “牢笼” 中, 然后以光子作 “探针” 去探测和操控它。 这话说起来简单, 实现起来却极不容易, 单是那 “牢笼”——它的 “学名” 叫做离子阱 (ion trap)——本身就已是一个诺贝尔奖级别的成就 (它的实现者获得了 1989 年的诺贝尔物理学奖)[注三]。 为了确保被囚禁的是单个 (或少数几个) 离子, 还需要辅以超高真空 (以便排除其它粒子的干扰) 和超低温 (以便排除热运动的干扰) 等技术。 其中后者采用的乃是维因兰德与同事亲自参与研发的绝活: 边带冷却技术 (sideband cooling)[注四]。 当这些极不简单的配置完成之后, 维因兰德又通过激光脉冲 (光子), 将被囚禁离子的内部状态 (即电子能态) 叠加起来。 这种状态叠加是量子力学有别于经典物理的奇妙特征, 科普读物中常见的诸如 “粒子既在这里, 又在那里”、 “猫既是死的, 又是活的” 等等吸引眼球的表述都源自于此。 但维因兰德能做到的还不止这些, 通过对激光脉冲的巧妙选择, 他还可以对状态叠加的方式进行操控, 比如将离子内部状态的叠加转变为外部状态 (即离子在 “牢笼” 内的振动状态) 的叠加, 甚至将一个离子的状态叠加转变为另一个离子的状态叠加。

与维因兰德的方法几乎恰好相反, 阿罗什的囚禁物是被维因兰德当作 “探针” 的光子, 而 “探针” 则类似于维因兰德的囚禁物, 是一种被称为里德堡原子 (Rydberg atom) 的特殊原子, 它的电子处于很高的能态上, 从而使整个原子 “发胖” 到惊人的程度。 比如阿罗什所用的铷原子 (Rb) 就 “发胖” 到了普通铷原子的 500 倍左右[注五]。 在阿罗什的方法中, 囚禁光子所用的是以超导材料铌 (Nb) 制作的一对相距 2.7 厘米的球面镜, 这对球面镜的工艺极为高超, 构成了一个反射性质近乎完美的空腔 (cavity)。 光子在其中可以被反射十几亿次而不被吸收 (在这过程中走过的总距离可以绕地球一圈)。 在这些同样极不简单的配置完成之后, 阿罗什又通过特殊空腔中的电磁波, 使作为 “探针” 的里德堡原子处于两个电子能态的叠加之中, 并使之以可控制的速度穿越囚禁了光子的空腔。 在这里, 阿罗什做了另一个巧妙安排, 使被囚禁光子的能量与里德堡原子所能吸收的能量稍稍错开, 从而保证光子不会被里德堡原子所吸收 (别忘了, 这一整套方法的使命之一就是保障量子体系继续存在)。 而更巧妙的是, 尽管光子不会被吸收, 它与里德堡原子的相互作用仍能对后者产生影响, 改变后者那两个叠加能态间的相位。 这样, 阿罗什就可以通过研究穿越后的里德堡原子那两个叠加能态间的相位, 而获得有关被囚禁光子的某些信息 (比如光子的数目)。

上述两种方法的实现无疑都需要极高超的技术。 不过, 此类 “工艺性” 的工作要想获得诺贝尔奖, 通常还需满足一个额外条件, 那就是具有应用价值。 此次获奖的工作很好地符合了这一条件, 因为其所实现的 “使得对单个量子体系的测量与操控成为可能的突破性实验方法” 在理论与实用上都有着重要应用。

三. 开放的应用

在理论上, 对一个量子体系进行观测或操控, 同时还让它继续存在, 使得人们设计出了一些巧妙的实验, 来观测量子体系状态演变的过程 (以往的实验由于是 “一锤子买卖”, 对被观测体系具有 “毁灭性”, 从而无法做到这一点), 甚至观测使一些物理学家深感困惑的量子体系的状态因为与外部环境的相互作用而往经典状态过渡的过程, 其中包括对大名鼎鼎的 “薛定谔的猫” (Schrödinger's cat) 的生死过程的观测[注六]。 那样的实验已经有人做了。 比如阿罗什本人的研究组就于 2008 年做了那样的实验, 甚至将观测到的量子状态往经典状态过渡的过程制成了 “影片”。

在实用上, 此次获奖工作最引人注目的应用是在量子计算机领域。 这是近年来被讨论得很多的领域, 在乐观者看来, 量子计算机若成为现实, 对社会的变革将不亚于如今的计算机在过去几十年所带来的变革。 不过, 量子计算机的理论虽然美丽, 面临的技术困难却极为巨大, 其中一个很大的困难就是作为核心元件的量子体系必须能单个地、 不受破坏地被测量与操控, 而且各个量子体系的状态还必须能相互传递 (就像经典计算机必须能在各元件间传递信息一样)。 这个困难在过去几乎是难以克服的, 此次的获奖工作却为之带来了曙光, 比如维因兰德所实现的对状态叠加的操控, 以及状态叠加在不同离子间的相互转变, 就正是克服上述困难所需要的技术。 这一点维因兰德本人也看得很清楚——事实上, 他的研究组早已展开了这方面的探索, 甚至在一定程度上构造出了量子计算机的雏形, 实现了最简单的逻辑运算。 一些其它实验组也正在积极努力之中。 当然, 这一切距离真正有实用价值的量子计算机还相差很远。

此次获奖工作的另一项很有价值的应用是建造超高精度的新型时钟。 这一应用虽不像量子计算机那样富有未来色彩, 所取得的进展却要扎实得多。 维因兰德所供职的美国国家标准技术研究所正是这方面的 “领头羊”。 在这一应用中, 用维因兰德所实现的方法囚禁起来的工作频率 (即作为计时基础的两个能级之间的量子跃迁的频率) 在光学波段的离子取代了传统原子钟所采用的工作频率在微波波段的铯原子 (Cs)。 目前, 这种新型时钟已经达到了比传统铯原子钟高两个数量级的精度。 在那样的精度下, 哪怕从宇宙大爆炸之初开始计时, 迄今的累计误差也只有区区几秒 (有关包括这种新型时钟在内的时钟技术的发展, 请参阅拙作 从日晷到原子钟)。

这些或已成为现实, 或仍处于开放的想象空间里的应用, 使此次的获奖工作有可能对未来科学与技术的发展产生深远影响。

注释

  1. 在过去若干年里, 每个奖项的奖金为 1,000 万瑞典克朗。
  2. 这里我们稍稍偷了点懒, 费曼想要传给后代的话还包括了原子处于永恒的运动之中, 以及它们太过靠近时彼此排斥, 稍稍远离时彼此吸引这几点。
  3. 确切地说, 最常用的离子阱有两种, 一种叫做彭宁阱 (Penning trap), 另一种叫做保罗阱 (Paul trap), 他们的实现者分享了 1989 年的诺贝尔物理学奖。 维因兰德所使用的是保罗阱。
  4. 边带冷却技术简单地说, 是用能量为 ωiv (其中 ωi 为离子的内部能级差, ωv 为离子在 “牢笼” 内的振动能级差) 的光子, 将处于振动能级 n>0 的离子激发到内部能级更高, 但振动能级只有 n-1 的状态上 (因为那样的光子只能将离子激发到那样的状态), 然后让离子自行跃回原先的内部能级。 由于离子在跃回过程中会优先维持振动能级不变, 因此过程终了时离子的内部能级不变, 振动能级却降为了 n-1。 重复这一过程 (在必要时针对所需要的内部能级差调整光子能量), 可以使振动能级最终降为基态 n=0, 从而达到冷却的目的。
  5. 阿罗什所用的 “发胖” 后的铷原子的线度约为 125 纳米 (nm), 而普通铷原子的线度约为 0.25 纳米。
  6. 当然, 这是夸张的说法, 事实上那猫被 “掉包” 成了一个量子体系, 从而偏离了薛定谔拿猫 “开涮” 的本意——即通过引进作为宏观客体的猫, 而彰显量子测量过程的佯谬性。 不过包括诺贝尔委员会 (Nobel Committee) 提供的获奖工作介绍在内的大量资料和报道都已迫不及待地引入了 “薛定谔的猫” 一词。 作为科普, 我们姑且 “从众”, 但在这里略做说明, 以图确切。

附录: 获奖者小档案

维因兰德 (左)      阿罗什 (右)

维因兰德 (左)      阿罗什 (右)

  • 维因兰德 (David Wineland): 美国物理学家, 1944 年 2 月 24 日出生于美国威斯康辛州的密尔沃基 (Milwaukee), 1970 年获哈佛大学 (Harvard University) 物理学博士学位, 目前在美国科罗拉多州的国家标准技术研究所 (National Institute of Standards and Technology) 任职。 维因兰德的主要研究方向为量子光学 (quantum optics) 及其应用。
  • 阿罗什 (Serge Haroche): 法国物理学家, 1944 年 9 月 11 日出生于当时受法国控制的摩洛哥城市卡萨布兰卡 (Casablanca), 1971 年获巴黎第六大学 (Université Pierre et Marie Curie) 的物理学博士学位, 目前在法国巴黎 (Paris) 的法兰西公学院 (Collège de France) 任教。 阿罗什的主要研究方向为量子光学及其应用。

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网友讨论选录

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2012-10-12)

    若无意外, 这将是我最后一次撰写有关诺贝尔奖的约稿。 此类约稿在时间上太急迫 (此次尤甚, 9 日颁奖, 11 日就要交稿), 对我的生活和工作有很大干扰, 而且稍有意外就会给约稿杂志带来困难 (比如去年因家事推却, 虽提前较长时间打招呼, 杂志方面在寻找替代作品时仍遇到一定困难)。 另外我也不太喜欢写急稿, 而更愿意用较长的时间收集资料和进行构思, 考虑周详后再动笔写作。

  • 网友: 书虫   (发表于 2012-10-12)

    卢老师的科普网站办得很有特色, 能与刚刚发生的科学事件联系紧密, 我非常喜欢这样的科普网站。

  • 网友: shanqin   (发表于 2012-10-13)

    以后可以根据预测, 锁定几个最可能得奖的物理学家, 预先做好心理准备和材料粗略准备, 谁获奖了就继续挖掘此人以及其成果的信息, 杂志一约稿就可以立即投入写作, 就显得从容了。 不知道这次得奖的两位此前有被哪个机构预测为可能的得主之一?

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2012-10-13)

    好像没听说有什么机构猜到过这两人。 事先较多人猜测的是跟 Higgs 有关的人会获奖, 不过我倒并不看好这一猜测, 因为 Higgs 实验结果中那 “很可能” 三个字始终没被去掉。 但也绝猜不到这两人头上。

    Higgs 同学的身体不知如何, 需要挺住……

  • 网友: 一直想思考   (发表于 2012-10-16)

    Nobel 获奖前是先需要提名的, 提名肯定有 start date and deadline, 貌似是前年 9 月到今年 1 月左右。 而 Higgs-boson 的发现日期不能让它和它相关人员的工作在这个日期内被提名。

    Weinberg 等人获奖有类似的情况, 实验看到一些 signal 就颁了。

  • 网友: 卢昌海   (发表于 2012-10-17)

    确实, 此次有关 Higgs 的实验发现的措辞之谨慎为前所未有, 以往的实验恐怕远远不到此次的置信度就宣称为 “发现” 了。 之所以如此, 我估计有一定的原因是以往等待一个实验结果的只有一个理论 (即只有标准模型, 比如 W 和 Z 的发现), 一发现就可宣布。 而对于 Higgs, 一方面标准模型对其质量的限定不强, 另一方面很多其它模型也有所预言, 因此确定身份要比以往困难。

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