走 进 单 量 子 世 界 2012 年 度 诺 贝 尔 物 理 学 奖 评 介 因 张 天 才 因 发 明 和 实 现 突 破 性 的 实 验 技 术 和 方 法 袁 使 人 们 测 量 和 操 控 单 个 量 子 系 统 成 为 可 能 袁 2012 年 度 诺 贝 尔 物 理 学 奖 颁 发 给 巴 黎 高 等 师 范 学 院 的 阿 罗 什 和 美 国 国 家 标 准 技 术 研 究 所 的 瓦 恩 兰 遥 为 了 理 解 他 们 工 作 的 科 学 意 义 袁 本 文 就 量 子 世 界 发 生 的 现 象 以 及 对 这 些 现 象 的 描 述 进 行 阐 释 遥 在 2012 年 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 公 布 之 前 袁 网 上 早 就 盛 传 有 几 个 可 能 获 奖 的 领 域 袁 比 如 希 格 斯 玻 色 子 或 者 量 子 信 息 中 的 主 角 遥 获 奖 者 一 经 公 布 袁 很 多 人 感 到 有 点 意 外 遥 巴 黎 高 等 师 范 学 院 的 阿 罗 什 渊 S. Haroche 冤 和 美 国 国 家 标 准 技 术 研 究 所 的 瓦 恩 兰 渊 D. J. Wineland 冤 袁 他 们 没 有 在 人 们 预 测 的 热 门 人 物 范 围 内 遥 有 人 还 在 网 上 为 没 有 获 奖 的 热 门 候 选 者 抱 不 平 袁 说 某 人 的 论 文 影 响 因 子 多 么 厉 害 袁 某 人 论 文 引 用 率 有 多 高 遥 很 多 人 特 别 关 注 这 些 量 化 指 标 袁 并 以 此 做 出 对 某 项 研 究 或 者 某 人 工 作 的 科 学 价 值 的 判 断 遥 如 果 按 照 这 些 指 标 遴 选 诺 贝 尔 奖 袁 应 该 不 需 要 瑞 典 皇 家 科 学 院 干 这 件 事 情 袁 每 年 请 一 个 认 真 负 责 的 图 书 馆 情 报 员 把 指 标 统 计 出 来 就 行 了 遥 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 都 是 从 事 实 验 量 子 光 学 的 袁 对 他 们 获 奖 的 评 价 很 短 院 野 在 实 验 方 法 上 的 基 础 性 突 破 袁 使 得 单 量 子 系 统 的 测 量 和 操 控 成 为 可 能 遥 冶 这 是 继 2005 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 颁 发 给 量 子 光 学 领 域 的 科 学 家 之 后 袁 该 领 域 再 次 获 此 殊 荣 遥 这 些 科 学 家 通 过 他 们 的 实 验 和 理 论 袁 向 人 们 呈 现 了 一 个 越 来 越 令 人 感 到 真 实 的 量 子 世 界 遥 野 体 验 冶 量 子 对 于 没 有 学 习 过 量 子 物 理 基 本 理 论 的 人 渊 大 学 物 理 系 学 生 通 常 在 三 年 级 下 学 期 开 始 学 习 袁 被 认 为 是 物 理 系 最 难 的 课 程 之 一 冤 袁 要 理 解 此 项 获 奖 工 作 的 意 义 袁 还 是 很 困 难 的 遥 本 文 从 一 些 常 识 说 起 袁 希 望 将 20 世 纪 早 期 一 批 优 秀 物 理 学 家 建 立 的 量 子 力 学 袁 与 我 们 日 常 张 天 才 院 教 授 袁 量 子 光 学 与 光 量 子 器 件 国 家 重 点 实 验 室 袁 山 西 大 学 光 电 研 究 所 袁 太 原 030006 遥 tcahang@sxu.edu.cn Zhang Tiancai: Professor, State Key Laboratory of Quantum Optics and Quantum Optics Devices, Institute of Opto-Electronics, Shanxi University, Taiyuan 030006. 生 活 中 的 一 些 体 验 拉 近 一 点 袁 消 除 大 部 分 人 觉 得 量 子 世 界 远 离 我 们 生 活 的 错 觉 袁 也 可 以 理 解 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 两 位 教 授 的 获 奖 工 作 遥 我 们 在 玩 手 机 尧 上 网 冲 浪 尧 打 越 洋 电 话 袁 或 者 用 激 光 影 碟 看 大 片 时 袁 一 般 不 会 想 到 这 是 受 益 于 量 子 物 理 的 成 果 遥 没 有 量 子 物 理 学 的 理 论 和 实 验 技 术 的 发 展 袁 就 没 有 这 些 司 空 见 惯 的 东 西 遥 当 我 们 感 叹 神 舟 飞 船 发 射 时 的 壮 观 场 景 时 袁 未 必 能 体 会 到 另 外 一 个 事 实 院 相 比 之 下 袁 驾 驭 一 个 微 小 的 原 子 可 能 更 具 挑 战 浴 显 微 镜 的 发 明 让 生 物 学 发 生 了 很 大 变 化 袁 但 是 像 细 菌 和 病 毒 之 类 的 对 象 离 物 理 学 家 面 对 的 原 子 分 子 内 部 发 生 的 事 情 还 是 太 远 袁 它 们 之 间 还 差 一 万 倍 遥 就 算 我 们 能 造 出 一 个 超 级 显 微 镜 把 原 子 放 大 到 乒 乓 球 那 么 大 袁 也 无 法 亲 眼 看 见 袁 因 为 用 于 观 察 原 子 的 光 子 的 尺 度 渊 光 波 长 冤 比 原 子 的 尺 度 大 一 万 倍, 就 像 无 法 用 一 个 普 通 镊 子 夹 住 一 个 病 毒 遥 看 不 见 的 微 观 世 界 似 乎 总 是 遥 不 可 及 遥 用 碳 素 墨 水 在 纸 上 写 一 个 野 碳 冶 字 袁 里 面 大 约 包 含 5 伊 10 19 个 碳 原 子 袁 也 就 是 目 前 世 界 上 70 亿 人 每 个 人 可 以 分 得 差 不 多 70 亿 个 遥 每 个 碳 原 子 的 半 径 大 约 是 0.69 伊 10-10 米 袁 质 量 1.99 伊 10-26 千 克 遥 这 些 事 实 让 人 将 信 将 疑 遥 因 为 我 们 都 没 有 亲 眼 见 过 单 个 孤 立 的 原 子 遥 有 不 少 间 接 的 证 据 证 实 在 尺 度 为 纳 米 和 亚 纳 米 的 范 围 袁 确 实 存 在 一 个 与 众 不 同 的 世 界 遥 比 如 院 1827 年 英 国 植 物 学 家 布 朗 渊 R. Brown 冤 用 显 微 镜 观 察 液 体 表 面 的 花 粉 时 袁 无 意 中 发 现 那 些 花 粉 在 作 无 规 运 动 袁 好 像 这 些 尺 度 为 几 十 微 米 的 花 粉 是 野 活 冶 的 一 样 遥 有 人 干 脆 把 这 些 花 粉 在 高 温 下 烫 死 以 后 再 作 观 察 袁 发 现 它 们 还 是 在 动 遥 1905 年 爱 因 斯 坦 根 据 扩 散 方 程 建 立 了 布 朗 运 动 的 统 计 理 论 袁 法 国 物 理 学 家 佩 兰 渊 J. B. Perrin 冤 的 实 验 进 一 步 证 实 了 这 一 点 遥 布 朗 运 动 间 接 证 实 了 分 子 的 无 规 www.kexuemag.com 3
则 热 运 动 遥 另 一 件 事 情 是 卢 瑟 福 渊 E. Rutherford 冤 1911 年 完 成 的 琢 粒 子 的 散 射 实 验 遥 加 上 许 多 化 学 家 的 努 力 袁 19 世 纪 末 袁 已 经 很 少 有 人 怀 疑 原 子 的 存 在 遥 许 多 实 验 都 间 接 尧 却 强 烈 地 证 明 了 原 子 的 存 在 遥 但 是 仍 然 有 些 卓 越 的 实 证 派 人 士 不 相 信 原 子 存 在 袁 他 们 觉 得 原 子 不 过 是 希 腊 哲 学 家 们 头 脑 中 的 一 个 概 念 袁 可 以 用 来 解 释 一 些 现 象 袁 但 未 必 真 的 存 在 袁 就 像 野 燃 素 冶 或 者 野 以 太 冶 一 样 遥 量 子 力 学 的 创 立 者 之 一 薛 定 谔 渊 E. Schr 觟 dinger 冤 也 说 过 院 野 我 们 从 来 没 有 做 过 单 个 原 子 或 者 粒 子 的 实 验 袁 尽 管 我 们 在 理 论 实 验 中 有 时 假 设 能 够 这 么 做 袁 可 结 果 总 是 荒 谬 的 遥 冶 单 个 原 子 和 单 个 光 子 的 示 意 图 它 们 与 真 实 的 原 子 和 光 子 有 多 大 区 别 钥 假 如 我 们 真 的 变 成 孙 悟 空 袁 钻 进 一 个 原 子 内 部 袁 野 骑 冶 到 一 个 电 子 身 上 袁 看 到 的 真 是 如 左 图 所 示 的 原 子 模 型 吗 钥 希 望 亲 眼 野 看 见 冶 一 个 原 子 才 能 接 受 原 子 的 存 在 袁 不 纯 粹 是 为 了 较 真 遥 完 成 这 个 检 验 任 务 似 乎 成 了 科 学 家 追 求 的 梦 想 浴 但 是 实 现 这 个 梦 想 的 难 度 超 乎 想 象 遥 300 多 年 前 袁 当 苹 果 掉 到 牛 顿 头 上 时 袁 牛 顿 就 在 想 一 个 问 题 院 苹 果 会 掉 下 来 袁 但 月 亮 为 什 么 没 有 呢 钥 他 最 后 找 到 了 牛 顿 定 律 袁 把 地 上 发 生 的 事 和 天 上 天 体 的 运 行 变 化 都 给 解 释 清 楚 了 遥 就 是 说 牛 顿 定 律 可 以 很 好 地 适 用 于 比 我 们 周 遭 环 境 尺 度 渊 比 如 1 米 冤 袁 扩 大 100 亿 倍 渊 10 10 倍 冤 的 范 围 袁 差 不 多 就 是 太 阳 系 的 尺 度 袁 甚 至 更 大 的 银 河 系 和 宇 宙 遥 那 么 袁 牛 顿 定 律 似 乎 理 所 当 然 也 应 该 适 用 于 缩 小 到 我 们 周 遭 环 境 尺 度 百 亿 分 之 一 渊 10-10 冤 的 世 界 袁 也 就 是 一 个 原 子 的 内 部 遥 事 实 证 明 不 可 以 浴 为 什 么 不 可 以 呢 钥 1920 年 代 人 们 建 立 了 量 子 力 学 袁 微 观 世 界 发 生 的 事 情 需 要 用 量 子 力 学 来 解 释 遥 这 个 量 子 力 学 让 很 多 希 望 牛 顿 定 律 到 处 都 管 用 的 人 很 失 望 袁 这 个 理 论 跟 经 典 牛 顿 力 学 理 论 之 间 似 乎 找 不 到 一 点 共 性 遥 这 门 很 多 人 觉 得 难 于 理 解 的 理 论 被 证 明 很 成 功 袁 但 是 玻 尔 渊 N. Bohr 冤 说 院 野 没 有 什 么 量 子 世 界 袁 只 有 一 种 抽 象 的 量 子 物 理 的 描 述 遥 如 果 认 为 物 理 学 家 的 任 务 是 发 现 自 然 是 什 么 袁 那 就 错 了 遥 物 理 学 关 心 的 是 我 们 关 于 自 然 能 说 什 么 遥 冶 这 种 说 法 让 一 些 人 感 觉 很 不 舒 服 袁 好 像 人 类 在 自 然 面 前 退 缩 了 遥 微 观 世 界 发 生 的 事 情 到 底 跟 寻 常 世 界 中 发 生 的 事 情 有 什 么 区 别 袁 为 什 么 一 定 要 建 立 量 子 力 学 袁 用 那 些 高 深 的 野 算 符 冶 和 野 量 子 态 冶 来 解 释 微 观 现 象 钥 一 个 很 大 的 东 西 和 一 个 很 小 的 东 西 有 什 么 本 质 区 别 吗 钥 是 的 袁 我 们 在 认 识 一 个 野 小 东 西 冶 和 一 个 野 大 东 西 冶 时 袁 确 实 有 所 不 同 遥 野 小 东 西 冶 与 野 大 东 西 冶 的 区 别 拿 一 个 野 光 子 冶 和 一 条 野 狗 冶 来 说 明 人 们 在 认 识 一 个 微 观 的 东 西 和 一 个 宏 观 的 东 西 时 袁 必 须 考 虑 到 的 根 本 区 别 遥 这 里 加 引 号 的 意 思 是 现 在 必 须 像 哲 学 家 一 样 把 它 们 都 看 成 某 种 客 观 存 在 袁 是 外 在 野 事 物 冶 袁 或 者 野 东 西 冶 遥 认 识 它 们 有 两 点 根 本 的 区 别 遥 第 一 袁 描 述 的 语 言 不 同 遥 这 个 不 同 来 源 于 我 们 对 这 两 个 事 物 认 识 层 面 的 不 同 遥 我 们 可 以 尝 试 用 速 度 尧 质 量 尧 动 量 尧 位 置 尧 颜 色 尧 尺 寸 等 物 理 参 数 描 写 一 条 狗 或 者 一 个 光 子 遥 但 是 会 发 现 这 些 参 数 都 不 是 好 的 描 写 遥 因 为 这 些 物 理 量 完 全 不 能 帮 助 我 们 区 别 一 条 狗 和 一 头 猪 袁 肯 定 需 要 别 的 更 多 的 特 征 参 数 遥 尝 试 给 出 它 们 的 定 义 遥 比 如 问 什 么 是 野 狗 冶 钥 回 答 这 个 问 题 必 须 找 出 野 狗 冶 的 特 征 袁 比 如 院 有 毛 的 渊 鸡 也 长 毛 冤 尧 四 条 腿 的 渊 猫 也 有 四 条 腿 冤 尧 嗅 觉 很 灵 敏 渊 猪 的 嗅 觉 也 很 灵 敏 冤 噎 噎 找 的 特 征 越 来 越 多 袁 但 是 发 现 还 是 不 足 以 描 述 清 楚 狗 的 特 征 袁 最 后 发 现 居 然 没 有 一 条 是 狗 特 有 的 遥 实 际 上 袁 就 算 找 出 一 万 个 与 狗 有 关 的 特 征 袁 恐 怕 还 是 忘 了 狗 的 右 侧 第 三 根 胡 须 的 直 径 是 在 多 少 范 围 遥 于 是 好 像 一 下 子 对 野 狗 冶 这 个 东 西 模 糊 起 来 袁 似 乎 觉 得 不 可 思 议 袁 难 道 我 们 对 司 空 见 惯 的 狗 什 么 都 不 知 道 吗 钥 翻 阅 权 威 的 工 具 书 袁 比 如 叶 辞 海 曳 是 这 样 定 义 野 狗 冶 的 院 野 即 犬 遥 噎 噎 狗 犬 通 名 遥 若 对 文 袁 大 者 名 犬 袁 小 者 名 狗 遥 冶 再 去 找 野 犬 冶 的 定 义 院 野 犬 院 动 物 名 遥 亦 称 狗 遥 哺 乳 纲 袁 犬 科 遥 为 人 类 最 早 驯 化 的 家 畜 噎 噎 遥 冶 这 种 循 环 定 义 令 人 觉 得 很 好 笑 袁 但 是 这 就 是 我 们 所 知 的 最 权 威 的 关 于 狗 的 定 义 了 遥 因 此 袁 我 们 野 熟 知 冶 的 野 狗 冶 实 际 上 是 一 个 模 糊 的 概 念 遥 我 们 之 所 以 谈 论 野 狗 冶 这 个 话 题 没 有 发 生 误 解 袁 是 因 为 大 家 在 脑 子 中 存 储 了 数 不 清 的 关 于 狗 的 特 征 袁 以 及 都 保 持 某 种 默 契 袁 没 有 去 较 真 浴 我 们 知 道 并 相 信 关 于 这 条 狗 的 全 部 特 征 的 那 些 信 息 是 客 观 存 在 的 遥 因 此 可 以 给 它 一 个 抽 象 的 符 号 院 渣 Dog 业 袁 这 个 符 号 用 来 表 示 包 含 了 这 条 狗 的 全 部 特 征 袁 或 者 全 部 信 息 渊 注 意 野 全 部 冶 二 字 冤 的 客 观 存 在 的 东 西 遥 这 个 概 念 引 申 到 微 观 世 界 袁 就 4 2013 年 1 月 (65 卷 1 期 )
是 野 状 态 冶 渊 state 冤 遥 虽 然 没 有 严 格 证 明 袁 但 是 我 们 相 信 不 可 能 有 两 条 狗 的 全 部 信 息 都 一 样 袁 就 像 没 有 两 片 完 全 相 同 的 树 叶 一 样 遥 一 条 狗 包 含 的 信 息 和 特 征 太 多, 渣 Dog 业 只 是 一 个 抽 象 的 符 号 袁 无 法 写 出 渣 Dog 业 这 个 状 态 的 具 体 形 式 遥 上 述 描 述 对 狗 似 乎 是 合 理 的 遥 对 一 个 光 子 呢 钥 首 先 袁 表 述 一 个 光 子 的 特 征 比 一 条 狗 要 简 单 得 多 袁 因 此 有 可 能 把 一 个 光 子 的 状 态 的 具 体 形 式 写 出 来 袁 就 是 获 得 它 的 全 部 信 息 曰 其 次 袁 两 个 光 子 的 状 态 有 可 能 完 全 相 同 遥 当 两 个 东 西 完 全 相 同 时 袁 会 出 现 许 多 经 典 世 界 没 有 的 现 象 袁 比 如 干 涉 遥 假 如 这 个 世 界 上 真 的 存 在 两 片 完 全 相 同 的 树 叶 袁 那 它 们 碰 到 一 起 就 会 出 现 干 涉 袁 这 绝 对 是 一 件 奇 妙 的 事 袁 它 们 会 出 现 量 子 叠 加 袁 纠 缠 在 一 起 袁 翩 翩 起 舞 浴 量 子 力 学 认 为 袁 微 观 世 界 是 用 量 子 态, 也 就 是 波 函 数 来 描 写 的 袁 不 是 用 位 置 尧 速 度 尧 动 量 等 这 些 物 理 量 来 描 写 的 遥 量 子 态 的 演 化 服 从 薛 定 谔 方 程 遥 用 量 子 态 描 写 虽 然 有 些 抽 象 袁 但 更 合 理 遥 说 它 抽 象 袁 是 因 为 量 子 态 是 一 种 数 学 上 的 波 函 数 袁 包 含 了 虚 数 这 样 野 无 意 义 冶 的 东 西 曰 说 它 更 合 理 袁 是 因 为 量 子 态 包 含 了 一 个 客 体 袁 也 就 是 事 物 的 野 全 部 信 息 冶 遥 环 顾 周 围 的 世 界 院 浩 瀚 的 星 空 尧 起 伏 的 山 峦 尧 身 边 的 书 桌 尧 墙 上 的 画 尧 偶 尔 飘 来 的 丁 香 花 香 噎 噎 这 些 事 物 最 本 质 的 东 西 是 什 么 呢 钥 有 个 虚 构 的 故 事 袁 说 的 是 有 一 天 地 球 将 遭 遇 到 一 场 无 法 抗 拒 的 天 灾 袁 在 将 来 某 个 时 候 注 定 要 全 部 毁 灭 遥 有 艘 上 帝 派 来 的 超 级 宇 宙 飞 船 只 能 运 载 一 个 人 袁 这 个 人 只 能 携 带 一 件 不 超 过 一 公 斤 重 的 东 西 离 开 地 球 逃 生 遥 那 么 袁 这 个 聪 明 的 救 星 该 带 走 什 么 最 珍 贵 的 东 西 呢 钥 他 环 顾 地 球 袁 到 处 是 现 代 人 类 文 明 的 事 物 袁 从 摩 天 大 楼 到 飞 机 尧 从 激 光 到 电 脑 尧 从 人 类 基 因 库 到 互 联 网 尧 从 唐 诗 宋 词 到 物 理 学 定 律 噎 噎 他 想 把 人 类 的 全 部 文 明 和 知 识 带 走 遥 最 后 他 做 到 了 袁 只 带 走 了 一 根 不 超 过 一 公 斤 的 小 小 野 金 箍 棒 冶 遥 这 根 野 金 箍 棒 冶 中 间 只 有 一 个 记 号 渊 刻 度 冤 袁 它 包 涵 了 全 部 人 类 文 明 的 信 息 遥 是 如 何 做 到 的 呢 钥 原 来 袁 科 技 发 达 的 未 来 袁 人 类 所 有 文 明 和 智 慧 袁 都 是 可 以 记 录 在 文 字 尧 图 片 尧 声 音 等 上 面 的 数 字 信 息 遥 无 论 使 用 何 种 语 言 尧 文 字 和 符 号 记 录 的 信 息 袁 都 可 以 对 这 种 语 言 的 字 母 分 配 一 个 符 号 袁 全 世 界 用 于 记 录 知 识 的 各 种 符 号 不 会 太 多 袁 5000 个 汉 字 袁 几 十 个 英 文 字 母 和 希 腊 字 母 噎 噎 袁 各 种 符 号 应 该 不 会 超 过 9999 个 袁 因 此 袁 每 一 个 符 号 指 派 一 个 四 位 数 就 够 了 遥 如 果 不 够 也 可 以 用 5 位 数 或 者 更 多 遥 比 如 字 母 A 用 0001 表 示 袁 汉 字 野 我 冶 用 2015 表 示 袁 等 等 遥 全 部 知 识 就 是 这 些 符 号 组 成 的 符 号 串 袁 比 如 叶 红 楼 梦 曳 这 本 书 就 是 一 串 汉 字 和 标 点 符 号 组 成 的 符 号 串 遥 这 些 符 号 串 构 成 的 知 识 最 终 变 成 一 串 非 常 长 但 有 限 的 数 字 串 袁 比 如 院 4094634621354235 噎 噎 遥 这 个 上 帝 的 使 者 采 用 高 超 的 技 术 在 这 根 野 金 箍 棒 冶 上 刻 了 一 个 非 常 精 准 的 刻 度 袁 使 由 这 个 刻 度 分 开 的 棒 的 两 部 分 的 长 度 之 比 正 好 是 0.4094634621354235 噎 噎 遥 这 样 袁 人 类 的 全 部 知 识 就 包 含 在 这 根 棒 上 袁 只 要 有 个 智 慧 生 物 把 这 串 长 长 的 数 字 轻 松 解 密 就 可 以 了 遥 没 有 质 量 袁 没 有 位 置 袁 没 有 颜 色 和 味 道 的 野 信 息 冶 袁 是 如 此 有 意 义 浴 而 包 含 了 全 部 信 息 的 那 个 抽 象 的 东 西 袁 就 是 量 子 态 浴 其 实 人 类 不 需 要 等 到 遭 遇 灭 顶 之 灾 才 能 深 刻 体 会 信 息 是 如 此 重 要 遥 一 幅 名 画 或 者 一 座 摩 天 大 楼 袁 要 忠 实 地 记 录 它 们 袁 不 就 是 把 构 成 这 幅 画 和 这 个 摩 天 大 楼 的 全 部 原 子 的 排 列 位 置 记 录 下 来 袁 然 后 变 成 一 串 数 字 吗 钥 包 含 全 部 原 子 的 信 息 的 东 西 是 什 么 钥 量 子 力 学 认 为 袁 只 有 波 函 数 才 包 含 客 体 的 全 部 信 息 袁 而 且 波 函 数 的 演 化 服 从 薛 定 谔 方 程 浴 一 条 狗 的 波 函 数 无 法 写 出 来 袁 它 过 于 复 杂 了 遥 但 是 对 一 束 单 色 热 光 渊 蜡 烛 的 光 经 过 单 色 滤 波 片 过 滤 以 后 冤 或 者 一 束 理 想 的 激 光 来 说 袁 量 子 物 理 学 家 可 以 声 称 能 够 把 它 们 的 波 函 数 的 数 学 表 达 式 完 整 地 写 出 来 遥 这 个 波 函 数 包 含 了 这 束 光 的 全 部 信 息 袁 就 是 说 关 于 这 束 光 的 所 有 问 题 袁 都 可 以 得 到 答 案 遥 比 如 它 的 能 量 等 于 多 少 袁 它 的 一 百 万 零 一 阶 相 干 度 等 于 多 少 袁 等 等 遥 但 是 关 于 某 条 狗 的 问 题 袁 恐 怕 没 有 问 到 100 个 问 题 就 没 有 人 知 道 了 浴 单 色 热 光 和 理 想 激 光 的 量 子 态 分 别 是 院 籽 烛 光 = 移 n n 渊 n 冤 n 业 掖 n 袁 n+1 渊 1+n 冤 渊 琢 a - 琢 元 a 冤 渊 琢 元 a- 琢 a 冤 籽 =e 0 业 掖 0 e 袁 激 光 其 中 n 表 示 平 均 光 子 数 袁 琢 表 示 一 个 复 数 袁 a, a 是 光 子 烛 光 激 光 烛 光 和 激 光 的 量 子 波 函 数 描 述 不 同 其 中 左 边 微 突 的 山 丘 为 烛 光 的 波 函 数 袁 而 右 侧 高 耸 的 山 峰 是 激 光 的 波 函 数 遥 二 者 对 应 的 颜 色 尧 能 量 尧 动 量 尧 方 向 性 等 都 一 样 渊 如 左 上 角 图 冤 遥 www.kexuemag.com 5
的 湮 没 和 产 生 算 符 遥 它 们 可 以 通 过 某 种 数 学 变 换 用 一 个 复 函 数 表 示 遥 尽 管 两 种 光 对 应 的 颜 色 尧 能 量 尧 动 量 尧 方 向 性 等 都 一 样 袁 但 是 它 们 的 量 子 状 态 不 同 袁 这 就 意 味 着 它 们 一 定 有 一 些 信 息 不 同 袁 比 如 它 们 的 二 阶 相 干 度 不 同 遥 因 此 袁 只 有 量 子 态 本 身 是 描 写 这 两 种 光 子 的 本 质 的 东 西 袁 其 他 任 何 东 西 都 不 是 浴 量 子 态 成 为 描 写 微 观 世 界 的 通 用 语 言 渊 它 之 所 以 没 有 成 为 现 实 生 活 的 语 言 袁 是 因 为 现 实 世 界 太 过 复 杂 袁 尚 未 到 达 精 确 表 述 宏 观 世 界 的 那 一 步 冤 袁 就 像 描 写 一 个 宏 观 物 体 的 质 量 尧 位 置 等 一 样 遥 由 微 观 世 界 的 量 子 态 可 以 确 定 经 典 可 观 测 量 的 结 果 袁 这 是 通 过 量 子 力 学 的 测 量 理 论 确 定 的 遥 一 个 力 学 量 魦 的 期 待 值 是 院 掖 魦 业 =Tr 籽 赞 魦, 其 中 籽 赞 是 系 统 的 状 态 袁 Tr 是 求 迹 渊 trace 冤 运 算 遥 因 此 袁 只 要 量 子 态 知 道 了 袁 在 一 定 的 测 量 环 境 下 袁 任 何 确 定 的 力 学 量 渊 就 是 任 何 想 知 道 的 信 息 或 者 问 题 的 答 案 冤 都 有 一 个 期 待 值 掖 魦 业 遥 第 二 袁 测 量 或 者 观 察 引 起 的 后 果 不 同 遥 对 一 个 宏 观 物 体 的 测 量 一 般 是 不 会 干 扰 这 个 物 体 本 身 的 袁 只 要 足 够 小 心 遥 比 如 袁 可 以 趁 狗 温 顺 或 者 睡 觉 的 时 候 给 它 称 体 重 尧 量 身 高 或 测 体 温 遥 而 做 这 种 事 情 对 于 一 个 原 子 或 者 光 子 就 有 问 题 了 遥 就 是 说 袁 如 何 在 没 有 任 何 干 扰 的 情 况 下 对 一 个 原 子 或 者 光 子 进 行 测 量 呢 钥 通 常 要 完 成 对 某 个 事 物 的 某 种 测 量 袁 就 必 须 跟 这 个 事 物 接 触 袁 或 者 产 生 作 用 遥 作 用 的 物 理 意 思 就 是 交 换 能 量 袁 而 交 换 能 量 最 少 就 是 交 换 一 个 量 子 袁 也 就 是 需 要 至 少 交 换 一 个 光 子 渊 超 级 侦 探 们 幻 想 着 不 与 被 跟 踪 的 目 标 作 任 何 交 流 就 能 偷 拍 成 功 袁 确 实 是 幻 想 浴 冤 遥 通 常 测 量 光 子 的 方 法 是 院 使 光 入 射 到 一 个 光 电 探 测 器 上 袁 当 光 子 激 发 探 测 器 时 袁 因 为 光 电 效 应 一 个 光 子 会 激 发 硅 或 者 某 种 材 料 以 一 定 的 概 率 产 生 一 个 光 电 子 袁 经 过 放 大 产 生 一 个 电 脉 冲 袁 记 录 到 一 个 电 脉 冲 就 表 明 已 经 有 一 个 光 子 到 达 遥 这 个 过 程 中 光 子 本 身 不 可 避 免 地 消 失 了 袁 即 这 个 过 程 是 破 坏 性 的 测 量 遥 以 光 子 被 野 消 灭 冶 为 代 价 获 得 了 一 个 光 子 到 达 的 信 息 遥 这 个 过 程 就 像 想 知 道 一 个 鞭 炮 的 好 坏 袁 需 要 点 燃 它 才 能 得 到 确 入 射 光 子 原 子 反 射 光 子 对 单 个 原 子 的 位 置 的 测 量 观 察 者 光 子 的 反 冲 改 变 了 原 子 的 位 置 和 状 态 认 一 样 遥 对 原 子 的 测 量 也 一 样 遥 当 人 们 希 望 野 看 见 冶 渊 测 量 冤 单 个 原 子 时 袁 一 定 有 至 少 一 个 光 子 发 射 到 人 的 眼 睛 里 袁 这 个 光 子 足 以 给 一 个 小 小 的 原 子 野 巨 大 冶 的 反 冲 袁 使 其 离 开 原 来 的 位 置 袁 因 此 当 野 看 见 冶 渊 测 量 到 冤 从 这 个 原 子 来 的 光 子 袁 从 而 确 定 原 子 的 位 置 时 袁 它 实 际 上 已 经 不 在 原 地 了 遥 之 所 以 在 这 里 谈 论 如 何 避 免 对 单 个 量 子 系 统 的 破 坏 袁 除 了 上 面 提 到 的 单 量 子 系 统 本 身 的 微 小 袁 易 被 测 量 干 扰 外 袁 还 因 为 它 极 容 易 受 到 自 身 所 在 的 外 部 环 境 的 干 扰 遥 量 子 态 非 常 脆 弱 袁 要 使 其 长 时 间 保 持 不 变 袁 需 要 尽 量 减 小 与 外 界 的 作 用 遥 但 是 世 界 上 不 存 在 一 个 完 全 孤 立 的 尧 不 受 外 界 干 扰 尧 跟 外 界 没 有 任 何 作 用 的 理 想 系 统 遥 一 无 所 有 的 真 空 是 最 大 也 是 最 后 的 敌 人 遥 由 于 真 空 的 量 子 涨 落 和 周 遭 的 环 境 热 库 作 用 袁 一 个 单 量 子 系 统 会 发 生 衰 变 渊 decay 冤 遥 这 个 过 程 叫 退 相 干 渊 decoherence 冤 遥 做 实 验 量 子 光 学 的 人 经 常 谈 论 一 个 原 子 的 量 子 态 的 存 活 时 间 一 般 是 在 微 秒 或 者 毫 秒 的 量 级 遥 无 法 想 象 袁 一 个 处 于 量 子 态 的 茶 杯 渊 如 果 可 能 的 话 冤 袁 其 存 活 时 间 有 多 么 短 暂 袁 有 人 估 算 是 大 约 10-1033 年 渊 可 能 一 时 难 以 想 象 这 个 数 字 有 多 么 小 遥 设 想 把 一 只 猴 子 拉 到 一 台 电 脑 前 面 袁 让 它 胡 乱 敲 打 键 盘 袁 碰 巧 打 出 一 部 叶 红 楼 梦 曳 的 可 能 性 吧 冤 遥 一 般 情 况 下 袁 越 大 的 系 统 跟 外 部 环 境 接 触 越 多 袁 退 相 干 越 严 重 遥 这 就 是 在 宏 观 层 面 看 不 到 两 片 树 叶 出 现 量 子 干 涉 袁 或 者 一 只 处 于 死 与 活 叠 加 态 的 薛 定 谔 猫 的 原 因 遥 量 子 力 学 建 立 以 来 很 长 时 间 袁 各 种 波 函 数 尧 量 子 态 袁 以 及 描 写 一 个 原 子 跟 光 子 的 作 用 等 等 袁 大 多 是 停 留 在 书 本 上 袁 作 为 漂 亮 的 数 学 解 或 者 解 释 某 些 现 象 而 存 在 的 遥 哥 本 哈 根 学 派 也 认 为 量 子 态 是 客 观 的 尧 但 不 是 真 实 的 遥 因 为 量 子 态 本 身 只 是 密 度 算 符 袁 很 多 人 不 愿 意 接 受 它 作 为 真 实 的 物 理 存 在 渊 比 如 后 面 提 到 的 格 劳 伯 冤 遥 不 过 袁 经 过 许 多 实 验 物 理 学 家 的 努 力 袁 形 形 色 色 的 量 子 态 被 制 备 出 来 袁 并 且 被 成 功 地 测 量 袁 应 用 到 量 子 信 息 尧 量 子 计 量 尧 量 子 模 拟 等 方 面 袁 它 们 的 各 种 奇 异 性 质 与 经 典 世 界 大 相 径 庭 袁 让 人 们 见 证 了 那 些 发 生 在 看 不 见 的 微 观 世 界 的 本 来 面 貌 遥 虽 然 非 常 怪 异 袁 远 离 牛 顿 描 绘 的 经 典 世 界 袁 但 是 越 来 越 真 实 袁 也 完 全 符 合 量 子 力 学 的 规 律 遥 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 的 工 作 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 正 是 在 原 子 和 光 子 的 量 子 操 控 和 测 量 方 面 完 成 了 一 系 列 的 开 创 性 实 验 工 作 袁 帮 助 人 们 实 实 在 在 地 感 受 和 理 解 到 了 微 观 世 界 发 生 的 现 象 遥 他 们 选 择 单 个 原 子 渊 包 括 离 子 冤 和 光 子 这 类 物 理 对 象 袁 主 6 2013 年 1 月 (65 卷 1 期 )
要 是 因 为 院 原 子 和 光 子 是 天 然 的 尧 自 然 造 就 的 粒 子 袁 它 们 非 常 纯 净 袁 理 论 上 对 这 些 对 象 有 很 好 的 理 解 遥 实 际 上 袁 自 从 物 理 学 家 建 立 各 种 各 样 的 理 论 以 来 袁 由 量 子 电 动 力 学 预 言 的 电 子 固 有 磁 矩 和 实 验 的 偏 差 符 合 到 有 效 数 位 10 位 咱 理 论 院 0.001159652133 渊 29 冤 袁 实 验 院 0.001159652188 渊 4 冤 暂 袁 这 是 目 前 为 止 理 论 与 实 验 符 合 最 好 的 一 个 例 子 遥 物 理 学 家 费 恩 曼 渊 R. P. Feynmann 冤 因 此 把 量 子 电 动 力 学 称 为 物 理 学 皇 冠 上 的 明 珠 遥 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 主 要 研 究 光 的 基 本 量 子 行 为 以 及 光 与 物 质 相 互 作 用 的 量 子 现 象 遥 这 里 的 物 质 主 要 是 原 子 渊 离 子 冤 袁 而 光 可 以 是 可 见 光 尧 红 外 光 或 者 微 波 场 袁 它 们 只 是 波 长 渊 能 量 冤 不 同 而 已 遥 自 从 1960 年 代 格 劳 伯 渊 R. J. Glauber 冤 建 立 光 的 相 干 量 子 理 论 渊 该 项 工 作 获 2005 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 冤 起 袁 量 子 光 学 提 供 的 许 多 方 法 成 为 检 验 量 子 力 学 基 本 问 题 和 许 多 疑 惑 的 重 要 途 径 遥 实 际 上 袁 正 是 量 子 光 学 的 许 多 实 验 展 示 了 量 子 力 学 的 成 功 袁 解 决 了 若 干 争 议 遥 这 并 不 奇 怪 袁 光 子 作 为 一 种 独 特 的 基 本 粒 子 与 每 个 人 的 感 官 的 亲 密 关 系 以 及 测 量 上 的 便 捷 渊 你 感 受 过 中 微 子 吗 钥 虽 然 据 推 测 宇 宙 中 的 中 微 子 跟 光 子 一 样 多 袁 每 秒 钟 有 1000 万 亿 个 中 微 子 穿 过 你 的 身 体 浴 冤 袁 使 它 获 得 更 多 的 关 注 遥 回 顾 历 史 袁 从 普 朗 克 尧 爱 因 斯 坦 开 始 袁 量 子 物 理 的 建 立 过 程 正 是 从 研 究 光 的 行 为 开 始 的 袁 包 括 黑 体 辐 射 尧 光 电 效 应 等 等 遥 相 干 光 源 激 光 的 诞 生 更 是 提 供 了 一 种 强 大 的 工 具 袁 可 以 帮 助 人 们 通 过 非 线 性 光 学 以 及 与 原 子 能 级 的 精 确 作 用 实 现 许 多 传 统 光 源 无 法 完 成 的 任 务 遥 与 天 然 原 子 相 比 袁 光 子 更 加 纯 净 遥 只 要 我 们 仰 望 星 空 袁 看 到 那 些 飞 行 了 上 百 亿 年 袁 穿 越 茫 茫 宇 宙 袁 携 带 着 遥 远 星 球 尧 遥 远 过 去 的 信 息 袁 没 有 任 何 改 变 到 达 人 类 眼 球 的 光 子 袁 就 会 肃 然 起 敬 遥 因 此 袁 让 单 个 的 原 子 与 单 个 的 光 子 对 话 渊 相 互 作 用 冤 袁 在 最 基 本 的 层 面 探 究 光 子 和 原 子 的 量 子 行 为 袁 就 成 为 一 个 永 恒 的 话 题 遥 1940 年 代 袁 人 们 已 经 知 道 了 真 空 是 实 实 在 在 的 一 个 物 理 背 景 袁 会 干 扰 一 个 理 想 的 系 统 遥 包 括 兰 姆 移 动 尧 珀 塞 尔 效 应 和 卡 西 米 尔 效 应 等 一 系 列 真 空 效 应 被 发 现 遥 要 隔 离 开 真 空 袁 需 要 把 原 子 放 在 一 个 封 闭 的 箱 子 渊 腔 冤 内 遥 1963 年 袁 杰 恩 斯 渊 E. T. Jaynes 冤 和 卡 明 斯 渊 F. Cummings 冤 建 立 了 一 个 模 型 袁 从 量 子 物 理 的 原 理 出 发 袁 获 得 了 单 个 二 能 级 原 子 和 单 模 场 相 互 作 用 的 解 析 解 袁 称 为 J-C 模 型 渊 J-C model 冤 遥 今 天 这 一 模 型 已 经 是 量 子 光 学 教 科 书 中 的 标 准 案 例 遥 还 有 各 种 量 子 态 袁 比 如 光 场 量 子 化 中 的 福 克 态 袁 以 及 后 来 相 继 发 现 的 压 缩 态 尧 纠 缠 态 等 袁 被 自 觉 和 不 自 觉 地 提 出 来 遥 人 们 预 言 一 个 原 子 如 果 跟 一 个 光 子 作 用 的 话 袁 会 出 现 周 期 性 的 正 弦 振 荡 袁 而 如 果 跟 相 干 态 作 用 袁 会 出 现 所 谓 坍 缩 恢 复 现 象 渊 collapse-revivals 冤 遥 当 然 袁 这 些 都 只 是 一 些 漂 亮 的 理 论 结 果 袁 谁 也 不 知 道 怎 么 获 得 一 个 二 能 级 原 子 袁 如 何 把 一 个 原 子 或 者 一 个 光 子 从 一 块 物 质 和 一 大 群 光 子 中 揪 出 来 袁 再 想 办 法 把 真 空 隔 离 掉 遥 同 时 还 要 避 免 上 面 提 到 的 问 题 院 观 测 它 但 是 不 要 破 坏 它 遥 这 确 实 是 个 难 题 院 原 子 在 常 温 下 以 每 秒 数 百 米 的 速 度 乱 飞 袁 跟 喷 气 式 飞 机 的 速 度 差 不 多 袁 尺 度 只 有 十 分 之 一 纳 米 的 数 量 级 遥 假 如 用 光 子 跟 这 么 小 的 东 西 作 用 袁 有 点 天 方 夜 谭 袁 因 为 一 个 光 子 波 长 的 尺 度 内 就 可 以 容 纳 几 万 个 原 子 袁 如 何 做 到 跟 单 个 原 子 作 用 呢 钥 就 算 有 什 么 魔 法 把 一 个 原 子 抓 住 袁 固 定 在 空 间 中 的 某 个 位 置 袁 压 根 是 看 不 见 的 袁 因 为 单 个 原 子 的 散 射 面 积 太 小 了 遥 而 要 抓 住 光 子 更 难 袁 光 子 在 真 空 中 的 速 度 是 30 万 千 米 / 秒 袁 如 何 把 光 子 囚 禁 起 来 钥 前 面 提 到 量 子 态 非 常 脆 弱 袁 对 不 干 净 的 环 境 异 常 敏 感 遥 把 办 公 室 的 灯 开 关 一 关 袁 满 屋 子 的 光 子 会 在 瞬 间 消 失 袁 这 个 消 失 的 时 间 大 约 在 纳 秒 数 量 级 遥 因 为 光 子 是 一 个 量 子 态 遥 办 公 室 的 墙 尧 书 桌 以 及 人 袁 对 光 子 这 样 的 纯 量 子 态 来 说 实 在 是 太 野 脏 冶 了 遥 广 袤 的 宇 宙 袁 非 常 干 净 袁 因 此 光 子 可 以 飞 行 100 亿 年 到 达 地 球 遥 设 想 办 公 室 的 墙 面 是 一 面 面 完 美 的 镜 子 袁 它 们 不 吸 收 光 子 而 是 反 射 光 子 袁 这 样 袁 当 把 灯 关 掉 后 袁 那 些 光 子 还 在 屋 子 里 来 回 反 射 袁 这 样 光 子 就 算 存 放 起 来 了 遥 但 是 即 使 用 很 好 的 技 术 袁 镀 一 面 足 够 好 的 镜 子 袁 组 成 2 厘 米 的 腔 渊 太 长 了 就 成 自 由 空 间 了 冤 袁 把 一 个 光 子 关 在 里 面 袁 其 存 活 寿 命 只 有 纳 秒 数 量 级 遥 这 跟 仰 望 星 空 看 到 的 那 些 动 辄 存 活 百 万 年 的 光 子 简 直 是 天 壤 之 别 遥 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 分 别 以 中 性 原 子 和 带 电 离 子 为 研 究 对 象 袁 他 们 认 为 原 子 和 光 子 代 表 了 量 子 的 本 质 遥 由 于 光 子 具 有 能 量 和 动 量 袁 利 用 光 子 与 物 质 粒 子 之 间 的 相 互 作 用 可 以 实 现 粒 子 的 操 控 遥 他 们 长 期 致 力 于 解 决 单 量 子 系 统 中 面 临 的 极 具 挑 战 性 的 问 题 袁 经 过 三 十 多 年 的 努 力 袁 克 服 了 一 系 列 的 技 术 障 碍 袁 把 许 多 微 观 世 界 的 量 子 的 现 象 活 生 生 地 呈 现 在 人 们 面 前 遥 阿 罗 什 的 工 作 始 于 35 年 前 袁 他 花 了 很 长 的 时 间 构 建 了 一 个 微 波 腔 袁 目 的 是 把 一 个 一 个 的 微 波 光 子 关 起 来 遥 阿 罗 什 小 组 在 实 验 室 建 立 的 腔 长 度 为 2.7 厘 米 袁 两 边 的 腔 壁 反 射 率 非 常 高 袁 最 终 把 一 个 微 波 光 子 囚 禁 在 这 个 腔 中 长 达 130 毫 秒 遥 这 意 味 着 一 个 光 子 在 死 掉 之 前 袁 在 腔 内 来 回 跑 了 7 亿 多 趟 袁 行 程 差 不 多 相 当 于 绕 地 球 一 圈 遥 在 常 温 下 外 部 环 境 中 存 在 黑 体 辐 射 袁 有 大 量 的 背 景 光 子 袁 为 了 克 服 这 种 背 景 噪 声 袁 他 们 不 得 不 把 这 个 腔 冷 却 到 约 零 下 272 益 遥 然 后 把 经 过 处 理 的 铷 原 子 渊 主 要 是 选 择 合 适 的 速 度 并 制 备 到 特 定 初 始 状 态 冤 放 进 这 个 腔 中 袁 与 光 子 发 生 相 互 作 用 遥 当 然 袁 整 个 系 统 是 放 置 在 超 高 真 空 室 的 遥 原 子 受 到 光 子 的 作 用 就 会 被 激 发 到 上 能 www.kexuemag.com 7
级 袁 再 受 到 腔 的 作 用 辐 射 出 光 子 遥 光 子 就 像 被 海 豚 玩 弄 的 乒 乓 球 袁 吞 进 去 又 吐 出 来 遥 来 回 几 十 万 次 遥 这 件 事 情 要 是 在 自 由 空 间 袁 光 子 吐 出 来 就 飞 走 了 袁 只 能 完 成 一 次 遥 阿 罗 什 的 实 验 过 程 是 院 首 先 袁 原 子 从 铷 原 子 炉 渊 原 子 源 冤 中 加 热 飞 出 袁 经 过 准 直 到 达 第 二 步 要 里 德 伯 原 子 的 制 备 遥 所 谓 里 德 伯 原 子 是 用 激 光 脉 冲 把 原 子 激 发 到 主 量 子 数 很 大 的 能 级 遥 这 样 做 的 好 处 是 原 子 从 高 能 态 袁 比 如 n=51 到 低 能 态 袁 比 如 n=50 之 间 的 跃 迁 正 好 与 腔 内 的 微 波 光 子 频 率 一 致 渊 通 常 为 数 十 吉 赫 冤 袁 会 发 生 共 振 相 互 作 用 曰 其 次 袁 里 德 伯 原 子 的 偶 极 矩 很 大 袁 与 光 子 或 者 腔 的 作 用 加 大 ; 第 三 袁 原 子 的 寿 命 很 长 袁 具 有 很 好 的 相 干 性 遥 原 子 随 后 进 入 微 波 腔 遥 在 与 微 波 腔 作 用 之 前 和 之 后 袁 通 常 使 用 一 个 光 脉 冲 把 原 子 进 一 步 制 备 到 特 殊 的 状 态 渊 如 叠 加 态 冤 袁 或 者 利 用 光 脉 冲 把 经 过 腔 作 用 的 原 子 的 状 态 测 量 出 来 渊 与 后 面 的 探 测 器 结 合 冤 遥 腔 内 的 原 子 与 场 的 耦 合 强 度 达 到 314 千 赫 袁 这 个 耦 合 强 度 描 述 了 原 子 与 微 波 腔 交 换 光 子 的 快 慢 袁 平 均 每 秒 钟 原 子 与 腔 交 换 30 万 次 左 右 袁 远 远 大 于 光 子 和 原 子 本 身 的 衰 减 遥 利 用 这 套 系 统 袁 阿 罗 什 领 导 的 小 组 完 成 了 一 系 列 重 要 实 验 袁 如 原 子 辐 射 的 腔 增 强 效 应 尧 量 子 退 相 干 尧 量 子 纠 缠 尧 福 克 态 光 场 的 产 生 尧 单 个 光 子 的 量 子 非 破 坏 测 量 以 及 单 个 光 子 从 产 生 到 消 亡 的 整 个 过 程 的 观 测 等 等 遥 这 些 利 用 原 子 操 控 光 子 的 实 验 袁 使 人 们 第 一 次 野 偷 窥 冶 到 了 世 界 上 最 脆 弱 的 单 个 量 子 客 体 要 光 子 的 行 为 遥 这 些 工 作 开 启 了 在 单 量 子 水 平 上 操 控 微 观 世 界 的 大 门 袁 展 现 了 原 子 原 光 子 相 互 作 用 系 统 复 杂 多 彩 的 世 界 遥 瓦 恩 兰 的 工 作 围 绕 带 电 离 子 展 开 遥 比 起 中 性 原 子 袁 单 离 子 的 操 控 表 面 上 似 乎 容 易 一 些 袁 采 用 静 电 尧 静 磁 和 射 频 场 可 以 把 带 电 离 子 俘 获 在 超 高 真 空 中 遥 比 起 光 子 作 用 到 中 性 原 子 产 生 的 势 阱 袁 静 电 场 的 作 用 显 然 要 强 得 多 袁 这 也 是 历 史 上 人 们 首 先 获 得 了 单 个 离 子 的 俘 获 的 原 因 遥 德 国 科 学 家 保 罗 渊 W. Paul 冤 和 美 国 科 学 家 德 梅 尔 特 渊 H. G. Dehmelt 冤 1989 年 因 为 离 子 俘 获 方 面 的 研 究 获 得 诺 贝 尔 物 理 学 奖 遥 但 是 困 难 是 离 子 会 在 质 心 附 近 振 动 遥 更 多 的 离 子 操 控 需 要 精 确 控 制 外 部 电 场 和 磁 场 袁 同 时 控 制 离 子 的 外 态 和 内 态 遥 瓦 恩 兰 领 导 的 小 组 克 服 了 一 系 列 困 难 袁 成 功 地 采 用 边 带 冷 却 技 术 把 单 个 离 子 冷 却 到 其 质 心 运 动 的 基 态 遥 与 原 子 一 样 袁 可 以 利 用 激 光 对 离 子 中 的 特 定 能 级 精 确 作 用 袁 从 而 完 成 一 系 列 对 离 子 内 态 的 操 控 遥 他 们 利 用 该 系 统 实 现 了 薛 定 谔 猫 态 尧 位 置 原 动 量 空 间 负 值 维 格 纳 函 数 量 子 态 的 产 生 尧 物 质 粒 子 间 的 量 子 隐 形 传 送 渊 quantum teleportation 冤 等 遥 他 们 还 利 用 受 控 单 个 Be + 和 多 离 子 系 统 演 示 了 量 子 逻 辑 门 和 多 离 子 纠 缠 等 遥 在 此 不 能 展 开 论 述 那 些 稀 奇 古 怪 的 量 子 态 的 性 原 子 源 里 德 伯 原 子 制 备 超 导 铌 腔 离 子 阱 腔 内 光 子 探 测 器 里 德 伯 原 子 2.5MHz Q=4 伊 10 10 T c=130ms 阿 罗 什 的 实 验 装 置 上 图 显 示 的 是 实 验 的 核 心 部 分 院 超 导 铌 腔 以 及 围 绕 该 腔 的 部 分 遥 下 图 显 示 的 是 实 验 过 程 袁 包 括 原 子 初 态 的 制 备 渊 左 侧 冤 袁 超 导 铌 腔 渊 中 部 冤 袁 以 及 探 测 部 分 渊 右 侧 冤 遥 整 个 装 置 处 于 1 开 的 液 氦 温 度 下 遥 渊 上 图 来 自 院 Haroche S, Raimond J-M. Cavity quantum electrodynamics. Sci Am, 1993,268 院 54; 下 图 来 自 院 Smart A. G.Physics Nobel honors pioneers in quantum optics, Physics Today, 2012 袁 12:16. 冤 n=51 F=1,m F =1 Be + 2 5 1/2 51GHz F=2,m 1.25 郧 Hz F =2 Rb, n=50 瓦 恩 兰 渊 左 冤 和 阿 罗 什 渊 右 冤 的 实 验 示 意 图 图 中 F 为 原 子 的 超 精 细 能 级 量 子 数 袁 m F 为 磁 量 子 数 遥 Q 为 微 波 腔 的 品 质 因 子 袁 T c 为 腔 内 光 子 的 寿 命 袁 n 为 原 子 主 量 子 数 遥 8 2013 年 1 月 (65 卷 1 期 )
质 袁 比 如 薛 定 谔 猫 态 尧 量 子 纠 缠 和 量 子 隐 形 传 送 渊 有 兴 趣 的 读 者 可 以 参 考 笔 者 的 科 普 文 章 院 量 子 态 及 其 隐 形 传 送.// 10000 个 科 学 难 题. 北 京 院 科 学 出 版 社, 2009: 101-108 冤 遥 这 些 现 象 虽 然 在 经 典 世 界 中 找 不 到 对 应 的 东 西 袁 但 是 它 们 在 量 子 世 界 中 合 情 合 理 遥 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 的 实 验 工 作 袁 正 是 帮 助 人 们 证 实 了 那 些 远 离 普 通 大 众 的 量 子 世 界 中 各 种 量 子 行 为 的 真 实 存 在 遥 虽 然 很 多 科 学 家 并 不 关 心 这 些 研 究 有 什 么 用 途 袁 而 更 多 地 关 注 揭 开 世 界 的 面 纱 遥 正 如 弗 莱 克 斯 纳 渊 A. Flexner 冤 所 言 院 野 纵 观 科 学 的 历 史 袁 大 多 数 真 正 伟 大 的 尧 最 终 使 人 类 收 益 的 发 现 袁 驱 使 人 们 做 出 这 些 发 现 的 不 是 有 用 的 愿 望 袁 而 只 是 满 足 他 们 的 好 奇 心 的 愿 望 浴 冶 但 是 政 府 和 出 资 人 总 希 望 落 实 到 有 什 么 用 处 遥 单 量 子 系 统 操 控 的 意 义 单 量 子 系 统 的 操 控 至 少 在 两 方 面 非 常 有 用 院 渊 1 冤 量 子 信 息 曰 渊 2 冤 量 子 计 量 渊 quantum metrology 冤 遥 最 近 20 年 关 于 量 子 信 息 已 经 掀 起 了 很 高 的 热 情 袁 甚 至 公 众 对 此 也 产 生 了 浓 厚 的 兴 趣 遥 量 子 信 息 可 能 带 来 的 变 革 是 空 前 的 袁 但 是 很 难 预 言 什 么 时 候 办 公 桌 上 真 的 可 以 放 上 一 台 量 子 电 脑 遥 加 州 理 工 学 院 的 金 布 尔 渊 H. J. Kimble 冤 教 授 的 回 答 是 院 从 0 到 1000 年 遥 理 论 物 理 学 家 和 实 验 物 理 学 家 的 态 度 也 很 不 同 袁 前 者 往 往 是 乐 观 的 袁 而 后 者 往 往 有 点 悲 观 遥 2005 年 由 措 勒 尔 渊 P. Zoller 冤 领 衔 的 一 批 欧 洲 物 理 学 家 制 订 的 叶 欧 洲 量 子 信 息 处 理 和 通 讯 研 究 战 略 报 告 曳 渊 Quantum Information Processing and Communication, QIPC 冤 中 有 一 句 话 道 出 了 真 正 的 困 难 院 野 现 有 演 示 实 验 表 明 袁 在 执 行 量 子 信 息 处 理 和 量 子 通 讯 方 案 中 的 主 要 困 难 是 巨 大 的 复 杂 性 院 要 求 我 们 在 单 个 粒 子 的 水 平 上 对 原 子 和 光 子 进 行 全 控 制 浴 冶 野 全 控 制 冶 包 含 的 内 容 很 多 袁 但 是 至 少 是 能 实 现 对 原 子 和 光 子 内 外 态 的 控 制 和 测 量 遥 显 然 袁 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 的 工 作 为 此 迈 出 了 创 造 性 的 尧 坚 实 的 一 步 遥 广 义 上 说 袁 量 子 计 量 是 利 用 各 种 量 子 资 源 或 者 量 子 效 应 袁 实 现 对 某 些 物 理 量 超 越 经 典 的 精 密 测 量 遥 一 方 面 袁 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 的 实 验 发 展 了 许 多 单 粒 子 操 控 和 测 量 的 技 术 袁 这 些 技 术 直 接 会 应 用 到 精 密 光 谱 尧 灵 敏 检 测 和 分 析 中 遥 比 如 袁 对 离 子 的 控 制 在 精 密 光 谱 袁 特 别 是 光 频 率 标 准 方 面 取 得 了 巨 大 成 功 遥 霍 尔 渊 J. 蕴.Hall 冤 和 亨 施 渊 T. W. H 覿 nsch 冤 渊 二 人 与 格 劳 伯 一 起 获 2005 年 度 诺 贝 尔 物 理 学 奖 冤 在 这 方 面 做 出 了 卓 越 的 工 作 遥 瓦 恩 兰 小 组 利 用 冷 却 的 Al 离 子 袁 得 到 了 世 界 上 最 精 确 渊 不 确 定 度 为 8.6 伊 10-18 冤 的 钟 遥 另 一 方 面 袁 或 许 更 重 要 的 是 袁 在 他 们 的 实 验 中 产 生 了 大 量 的 量 子 资 源 袁 包 括 量 子 纠 缠 态 尧 福 克 态 等 袁 这 些 量 子 资 源 被 证 明 在 突 破 经 典 极 限 的 测 量 中 具 有 巨 大 的 潜 力 遥 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 两 个 人 都 在 各 自 的 研 究 系 统 中 奋 斗 了 数 十 年 遥 阿 罗 什 用 原 子 来 研 究 光 子 袁 而 瓦 恩 兰 用 光 子 来 研 究 原 子 遥 二 者 都 是 在 单 量 子 系 统 上 为 人 们 展 示 了 量 子 世 界 丰 富 多 彩 的 一 面 遥 他 们 当 然 不 是 在 孤 立 地 开 展 工 作 袁 有 相 当 一 批 人 与 他 们 在 同 时 工 作 遥 比 如 在 腔 量 子 电 动 力 学 方 面 袁 加 州 理 工 学 院 的 金 布 尔 小 组 尧 德 国 马 普 所 的 伦 珀 渊 G. Rempe 冤 小 组 把 微 波 与 里 德 伯 原 子 的 耦 合 发 展 到 光 频 区 袁 在 常 温 下 实 现 了 光 子 与 微 光 学 腔 的 强 耦 合 袁 并 完 成 了 一 系 列 精 彩 的 实 验 遥 离 子 操 控 方 面 也 有 袁 包 括 因 斯 布 鲁 克 大 学 的 布 拉 特 渊 R. Blatt 冤 小 组 尧 哈 佛 大 学 的 加 布 里 埃 尔 斯 渊 G. Gabrielse 冤 小 组 等 开 展 了 卓 有 成 效 的 研 究 遥 还 有 一 些 人 把 量 子 光 学 的 系 统 和 方 法 推 广 到 其 他 类 似 的 系 统 中 袁 在 不 同 能 量 和 时 空 尺 度 下 发 展 了 量 子 光 学 的 许 多 方 法 和 实 验 技 术 遥 与 其 说 阿 罗 什 和 瓦 恩 兰 能 让 原 子 和 光 子 一 起 跳 舞 袁 或 者 说 他 们 的 工 作 为 未 来 的 量 子 计 算 机 和 厘 米 精 度 的 全 球 定 位 系 统 渊 这 需 要 精 度 极 高 的 钟 袁 目 前 的 精 度 是 米 的 量 级 冤 展 现 了 曙 光 袁 笔 者 更 敬 佩 和 欣 赏 的 是 袁 他 们 怀 着 探 索 未 知 世 界 的 巨 大 热 情 袁 真 正 把 人 们 带 进 了 量 子 世 界 袁 感 受 那 里 发 生 的 事 情 和 真 实 的 存 在 遥 量 子 世 界 不 再 是 量 子 力 学 教 科 书 中 那 些 抽 象 的 算 符 和 波 函 数 遥 我 们 似 乎 真 的 可 以 野 骑 冶 在 电 子 上 在 原 子 中 遨 游 袁 把 光 子 收 进 来 或 者 发 射 出 去 噎 噎 浴 有 人 说 他 们 的 方 法 帮 助 我 们 在 量 子 世 界 与 普 通 世 界 之 间 划 出 了 一 道 界 线 渊 the boundary between quantum reality and normal life 冤 袁 笔 者 愿 意 说 袁 他 们 的 工 作 是 在 力 图 填 补 量 子 世 界 与 普 通 世 界 之 间 的 鸿 沟 浴 关 键 词 院 单 量 子 量 子 操 控 诺 贝 尔 物 理 学 奖 姻 封 面 说 明 单 量 子 操 控 阿 罗 什 研 究 组 构 建 的 微 波 腔 示 意 图 遥 经 过 初 态 制 备 的 铷 原 子 进 入 该 微 波 腔 中 袁 并 与 腔 和 光 子 发 生 相 互 作 用 遥 腔 壁 对 微 波 的 反 射 率 极 高 袁 整 个 系 统 处 于 真 空 尧 超 低 温 条 件 下 袁 最 终 可 以 把 单 个 微 波 光 子 囚 禁 在 腔 内 长 达 130 毫 秒 遥 这 意 味 着 在 光 子 消 失 前 袁 它 的 飞 行 距 离 足 以 绕 地 球 一 圈 袁 使 研 究 者 得 以 操 控 并 测 量 由 原 子 和 光 子 组 成 的 单 量 子 系 统 袁 开 启 了 在 单 粒 子 水 平 上 操 控 微 观 世 界 的 大 门 遥 www.kexuemag.com 9