量子世界的探秘者

阿罗什和维因兰德瑞典斯德哥尔摩时间10月9日11时45分是原定2012年诺贝尔物理学奖揭晓的时刻,然而世界各地的网友兴致勃勃地登录诺贝尔奖官方网站试图在第一时间知晓结果时,却发现介绍物理学奖的头条文章无法打开。事后有人分析,网站的故障可能是因为流量过大,这也反映了人们对今年物理学奖的关注。在奖项揭晓之前,呼声最高的是由于疑似希格斯玻色子的发现而受到全世界关注的英国物理学家彼得•希格斯——尽管这一重大发现公布时,诺贝尔物理学奖的提名早已截止,但许多人还是期待他能“破格”在今年荣获这一奖项。

此时的法国巴黎也正值中午时分,法国物理学家赛日尔•阿罗什(Serge Haroche)正和妻子走在返回家中的路上。突然,手机声铃响起,他拿出手机,看到屏幕上的显示的来电号码以“+46”开头,顿时感到又惊又喜——他知道这是一个来自瑞典的电话,他也知道当天是诺贝尔物理学奖揭晓的日子。

“这令我难以置信!”他在接受诺贝尔奖官网的记者采访时表示:“我的第一反应是震惊,当然也感到很高兴。随后我(在电话中)知道了(获奖)这件事,并沉浸其中,而紧接着是来自世界各地的电话……”

法兰西公学院的教授阿罗什是今年的物理学奖获得者之一。现年68岁的他出生在摩洛哥的一个犹太家庭,父亲是一名律师;母亲出生在俄国,当时是一名教师;他的祖父母曾担任法国文化协会的负责人。1956年,摩洛哥独立,阿罗什一家从摩洛哥搬到法国,更好的教育环境激发了他对科学的热情。在读高中时,他对于数学兴趣浓厚,尤其对大自然服从数学法则感到十分惊讶。1963年,他进入法国最著名的大学之一——巴黎高等师范学校学习,最让他兴奋的事情便是能立即进入实验室工作。阿罗什从1967年起在巴黎高等师范学校和巴黎第六大学开始攻读物理学博士学位,他所在的卡斯特勒布鲁塞尔实验室是世界上量子物理学研究的中心之一,当时实验室中的研究人员就包括为实验室命名的法国量子光学学派奠基人吉恩•布鲁塞尔和1966年诺贝尔奖物理学获得者阿尔弗雷德•卡斯特勒,他的博士论文导师则是1997年诺贝尔奖获得者克洛德•科昂-唐努德日。他于1971年获得了博士学位,在进入法国国家科学研究中心从事了几年研究工作后,他回到了巴黎第六大学并成为物理学教授。为他获得诺贝尔奖奠定基础的研究工作便开始于那个时期。

从“薛定谔的猫”到量子计算机

原子等微观粒子不遵从经典物理学定律的特性长期困扰着许多物理学家。人们发现对于一个量子系统的观测无法得到准确的结果,只能给出粒子处于某一状态的概率,这引发了物理学界的分歧。上世界20年代,以玻尔、海森堡为首的哥本哈根学派认为这种不确定性是量子世界的特性,他们对于量子力学的物理解释也得到了大多数物理学家的认同。

然而爱因斯坦不同意这种观点,他认为不确定性源于人们对它的认识不够完备,并用“上帝不会掷骰子”来表达他的立场。同样不认同哥本哈根学派观点的还有物理学家薛定谔,他于1935年提出了经典的理想实验“薛定谔的猫”——他假设将一只猫放在一个不透明的盒子中,盒内有一个装有毒气的容器,还有一个有50%可能衰变的放射性原子核;一旦原子核发生衰变,它会释放出一个粒子,触发容器开关,容器释放出的毒气会将猫杀死。根据量子力学的解释,在人们打开盒子观察前,原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,因而猫将处于“既死又活”的叠加态,而这显然不符合人们的常识。

量子力学长期存在争议的一个重要原因就是难以观测——在过去,一旦将粒子和它们所在的微观环境分离,它们便会失去神秘的量子特性,而这恰恰是物理学家们真正感兴趣的。阿罗什的工作便是解决这一问题:“很长时间以来人们的实验都是基于大量原子的集合,而此时它们的量子特性可以说是被隐藏了,这是由于统计学上的效果。而当你研究单个粒子,就像我们所做的,你就能通过戏剧性的方式揭示量子效果,并了解这些量子过程。”

他将一些光子捕捉在一个两侧置有高反光镜的“陷阱”中,让它们在两个镜子间跳动,光子在这个装置中能保持长达十分之一秒而不衰减,这给了阿罗什足够的时间来观察它们的量子特性。他将一个极为活跃的“里德博原子”送入“陷阱”中,它在捕获光子后能将它们的量子信息呈现出来,就如同X光描绘出人体的内部构造一样。

他的这一构想提出于上世纪八十年代,然而当时的设备条件无法达到这一实验的要求。他所在的卡斯特勒布鲁塞尔实验室花了很长时间来打造并改进能够捕捉光子的设备,他也先后到斯坦福大学、麻省理工学院、哈佛大学、耶鲁大学等美国顶尖名校访问学习。

随着实验条件的不断改进,阿罗什的团队得以观测处于量子叠加状态下的光子——此时光子会在同一时刻向两个相反的方向运动,他们基于薛定谔的假设将这个状态称为“猫态”。他通过侦测原子记录下光子呈现猫态的时间,并研究出了让这一时间延长的技术。

成功操控猫态粒子意味着量子计算机将成为可能。与普通的计算机不同,量子计算机最小的单位为“量子位”——如同薛定谔的猫呈现“既死又活”的叠加态一样,一个量子位能同时呈现0和1的叠加态,这将极大地提升计算机的运算能力,密码破译等复杂运算的工作效率将实现飞跃。

不过,在谈到自己的成果的应用前景时,阿罗什却表现得相当谨慎:“我希望能有一些应用,但我不知道会是什么。”

超准量子钟将带来更准确的导航系统

与阿罗什分享今年诺贝尔物理学奖以及约120万美元奖金的是任职于美国科罗拉多大学博尔德分校和美国国家标准技术研究所的物理学家大卫•维因兰德(David Wineland)。由于物理学奖结果揭晓时正值美国美国深夜,当电话从斯德哥尔摩打到家中时,维因兰德的妻子接到了电话,随后将他叫醒。

“这是一个很大的惊喜,我想我一时半会睡不着了,哈哈,”维因兰德在获奖后对诺贝尔奖官网的记者开起了玩笑。

和阿罗什同岁的维因兰德出生于美国密尔沃基。1965年,他从加州大学伯克利分校毕业后进入哈佛大学攻读博士学位,师从1989年诺贝尔物理学奖获得者之一诺曼•拉姆齐,并于1970年凭借题为《原子氘激微波》的论文获得博士学位。随后,他又加入了另一位日后的诺贝尔奖获得者——汉斯•德莫尔特的团队,在华盛顿大学进行博士后研究。

让维因兰德荣获诺贝尔奖的成果同样是成功操控单个量子系统,不过他所采用的方法与阿罗什却恰好相反,或者说是对称——他捕捉和观测的是离子(带电的原子),借助的则是激光。谈到这一巧合,与维因兰德相互认识超过二十年的阿罗什表示,尽管分别在大西洋两岸从事研究,两人所在的团队却有许多相似的地方,甚至在有些年份两人还“背靠背”发表论文。

为观测粒子的量子特性,维因兰德同样设置了“陷阱”,并将一些铍离子捕捉到陷阱中,而他观测离子的方法是使用激光对它们进行冷却,使它们不再频繁运动、易于观测。在这样的条件下,他得以捕捉到离子由叠加态塌缩成为本征态的时刻,即量子力学和经典物理学的边界。这种特殊的激光的使用也使得控制离子的运动状态变得不再困难。

维因兰德的成果对于量子计算机同样贡献巨大,并且从1995年起,维因兰德的团队开始用离子作为量子位进行运算,目前它们设计的量子处理器已经能进行一些基本的运算,但他认为量子计算机距离真正成熟还有很长的路要走。“我不会推荐任何人去买量子计算机公司的股票,”在获奖后召开的新闻发布会上,维因兰德表示:“不过我对这项技术将随着时间推移不断进步表示乐观,量子计算机的确会带来独特的计算能力。也许在下一个十年,我们将能够跨越这个门槛,(用量子计算机去)解决经典计算机难以应付的问题。”

相比还有些遥不可及的量子计算机,量子钟的应用已经因为维因兰德的工作取得了巨大的突破,它不仅能使钟表的准确性得到很大的提高,还有助于大幅提升GPS导航的准确性。由于同一种原子会以固定的频率释放电磁波,而且这一频率极为稳定,科学家们便利用这一特性来制作超精准的原子钟。当前使用较为普遍的铯原子钟能将误差控制在百万年至千万年不超过1秒的水平。不过在维因兰德看来,由于铯原子释放的微波的震动频率不如可见光,原子钟的准确程度仍有很大的提升空间——事实上,制作更精准的钟和更准确的导航设备是维因兰德从事让他获奖的研究的重要动机。维因兰德称,他的团队基于铝离子和铯离子设计的量子钟是世界上最精准的时钟,自宇宙大爆炸以来137亿年的时间内误差不超过5秒。

(本文刊登于《电脑报》2012年41期。)

By 抬头365 on 2012/10/11 · Posted in 前沿•趋势

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