北京時間10月9日下午5點45分，2012年諾貝爾物理學獎揭曉，法國科學家塞爾日·阿羅什(Serge Haroche)與美國科學家大衛·維因蘭德(David Wineland)獲獎。獲獎理由是“發現測量和操控單個量子系統的突破性實驗方法”。二人將平均分享800萬瑞典克朗獎金。 
大衛·維因蘭德（David J. Wineland），美國公民。1944年出生于美國威斯康星洲密爾沃基。1970年從哈佛大學獲得博士學位。現供職于美國國家標準與技術研究院和科羅拉多大學波爾得分校。 量子世界里的粒子控制 量子光學將有助于未來開發出速度更快的計算機處理器、更好的通信設備和更加精確的時鐘。 法國科學家塞爾日•阿羅什與美國科學家大衛•維因蘭德通過不同的方式獨立的開發并拓展出對單個粒子進行測量和操控的方法,同時保留個體粒子的量子力學性質不變。研究方法上，大衛•維因蘭德利用了光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。而塞爾日•阿羅什則采取了相反的方法：他通過發射原子穿過陷阱，控制并測量了捕獲的光子或光粒子。 盡管經典物理學能夠描述電流或光束的行為，但是這些定律已經不再適合測量單個原子、電子或光子。在這種情況下，一套新的定律，量子力學開始“接手”。隨著IT行業開始更加密集地對芯片進行封裝，這一理論的重要性也日益突顯。未來將用原子或電子存儲每個比特，同時光纖通信系統速度也將變得更為迅速，屆時每個光脈沖將由幾個光子組成。 在研究量子現象時，研究者需要面對大量挑戰，包括隔離單個粒子，在不影響或破壞個體粒子的情況下對它們的量子行為進行觀察和測量。阿羅什和維因蘭德率先解決了這些問題，為研發新一代計算機邁出了第一步。這類計算機何時出現在市場上并不是一個問題。 瑞典皇家科學院宣布了2012諾貝爾物理學獎后，阿羅什在接受記者電話采訪時稱：“我也不知道。我們正在做的是基礎性研究。我們正在研究嘗試理解事物在量子級別的行為方式。目前還有許多的研究，在起步階段我們無法預測到最后的應用情況。它們就和激光以及核磁共振一樣。量子系統的操控也屬于相同的類型的物理學。” 最初，激光僅被用于測距和創建全息圖，而現在激光還被廣泛地用于CD播放器、遠距離通信。核磁共振最初被視為一種根據原子的磁特性識別單個原子的方式，但是后來成為了磁共振成像的基礎，MRI掃描設備也被用于診斷眾多疾病。 在談及自己的研究時，阿羅什稱：“在基礎階段還有許多事情要研究。目前人們也很難想象它們未來眾多的潛在應用。未來可能會出現量子計算機、量子模擬器，或是量子通信系統” 在維因蘭德的研究方面，量子光學將使得未來量子時鐘的精確度比目前原子鐘高100倍。 阿羅什稱：“它們將以更高的精確度測量重力移動。在地質或地震探測中，量子時鐘可用于測量重力場的異常現象。” 塞爾日·阿羅什和大衛·維因蘭德獨立地發明并拓展出能夠在保持個體粒子的量子力學屬性的情況下對其進行測量和操控的方法，而這在之前被認為是不能實現的。 在不破壞單個量子粒子的前提下實現對其直接觀測，兩位獲獎者以這樣的方式為量子物理學實驗新紀元開辟了一扇大門。對于單個光子或物質粒子來說，經典物理學定律已不再適用，量子物理學開始“接手”。但從環境中分離出單個粒子并非易事，而且一旦粒子融入外在世界，其神秘的量子性質便會消失。因此，許多通過量子物理學推測出來的現象看似荒誕，也不能被直接觀測到，研究人員也只能進行一些猜想實驗，試圖從原理上證明這些荒誕的現象。 通過巧妙的實驗方法，阿羅什和維因蘭德與研究小組一起成功地實現對量子碎片的測量和控制，顛覆了之前人們認為的其無法被直接觀測到的看法。這套新方法允許他們檢驗、控制并計算粒子。 他們的方法大同小異。大衛·維因蘭德是利用光或光子來捕捉、控制以及測量帶電原子或者離子。 塞爾日·阿羅什采取了相反的方法：通過發射原子穿過阱，他控制并測量了捕獲的光子或光粒子。 兩位獲獎者均在量子光學領域研究光與物質間的基本相互作用，這一領域自1980年代中期以來獲得了相當多的成就。他們的突破性的方法，使得這一領域的研究朝著基于量子物理學而建造一種新型超快計算機邁出了第一步。就如傳統計算機在上世紀的影響那樣，或許量子計算機將在本世紀以同樣根本性的方式改變我們的日常生活。極端精準的時鐘在他們研究的推動下應運而生，有望成為未來新型時間標準的基礎，而其精準度超越現代銫時鐘百倍以上。 10月9日，同為68歲的法國科學家塞爾日•阿羅什與美國科學家大衛•維因蘭德分享了2012年諾貝爾物理學獎。他們的突破性研究，讓原本神秘的量子世界不再“與世隔絕”。 與人們熟知的世界截然不同，自然界還存在著另類世界，被稱為量子世界。在量子世界中，粒子行為不遵從經典物理學規律，人類對量子的觀測更是難上加難。 而通過巧妙的實驗方法，阿羅什和維因蘭德的研究小組成功地實現對單個量子系統的測量和控制，顛覆了之前人們認為的其無法被直接觀測的看法。 提高人類對物質的操控能力 “這是兩種開創性的技術，后來都發展成為量子研究領域新的研究手段和實驗技術。” 中科院院士、中科大量子信息重點實驗室主任郭光燦在接受記者采訪時說。 阿羅什的工作是打造出一個微波腔，借助單個原子在微波腔中會輻射或吸收單個光子的特性，實現了操縱單個光子。而維因蘭德則制造出了一個離子阱，先用光來俘獲離子，然后用激光冷卻離子，進而對離子進行測量和控制。 “在科學上，他們的研究標志著人類對物質的操控能力大大提高了。”中科院院士潘建偉在接受記者采訪時評價，“具備這一能力后，量子計算和精密測量便有了變為現實的可能性。”比如，用于制造衛星導航、飛機上GPS所需要的精確時鐘。 山西大學量子光學與光量子器件國家重點實驗室教授張天才對記者說，這些實驗方法在單原子、單離子和單光子的水平上深刻地揭示了微觀量子世界的許多奇異性質，開辟了操控和測量單量子系統的方法，在精密測量、量子信息和量子控制中具有重要應用。 與獲獎科學家有合作 2000年，郭光燦和學生在《物理評論》上發表了一篇理論文章，阿羅什很快發現了這篇文章，并在2001年用此次獲獎的實驗方法證明了這個理論。 “實驗成功之后，阿羅什在發給我的一封電子郵件中說：‘很高興在實驗上把你們的方案做出來。’”郭光燦告訴記者，后來，他的學生還有兩篇理論文章同樣被阿羅什小組用實驗證明。隨后，這名學生還被阿羅什邀請去法國訪問學習了一段時間。 張天才說，國內最近幾年也有若干大學和研究機構開展了單量子系統操控和腔量子電動力學方面的理論和實驗研究，并取得了重要進展。“國內很多從事量子光學研究的單位與阿羅什所在的法國巴黎高師有多年的密切合作交流關系。” 提到兩位獲獎的科學家，潘建偉稱，他在奧地利留學時便結識了阿羅什。“他是一位溫文爾雅的科學家，而維因蘭德則更具備美國西部牛仔的氣質。” 中國更需原創 “目前，國家自然科學基金委和科技部都有相關項目支持這方面的理論和實驗研究。”張天才告訴記者。 近年來，我國科學家在整個量子信息領域的研究都取得了長足進步。今年6月，潘建偉團隊在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定了技術基礎。 不過，在探討到兩位獲獎科學家的成就時，中科院院士孫昌璞對《中國科學報》記者直言：“在量子研究領域，目前中國的實驗水平已經很高了，但相比兩位獲獎者的成果，因為中國用的都是商業化設備，所以在實驗方法和技術上，很難有真正原創性的創新。” 法美科學家讓量子從“虛”變“實” 在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的基本單位叫做量子。然而，當人類深入探究量子世界時卻陷入了“泥沼”：單個粒子一旦與外部世界發生互動，就會喪失它們神奇的量子特性。因此，量子物理預言的許多現象無法被直接觀測。這一窘境直到上世紀80年代才因兩位科學家的工作得以改變。 與獲獎科學家有合作 2000年，郭光燦和學生在《物理評論》上發表了一篇理論文章，阿羅什很快發現了這篇文章，并在2001年用此次獲獎的實驗方法證明了這個理論。 “實驗成功之后，阿羅什在發給我的一封電子郵件中說：‘很高興在實驗上把你們的方案做出來。’”郭光燦告訴記者，后來，他的學生還有兩篇理論文章同樣被阿羅什小組用實驗證明。隨后，這名學生還被阿羅什邀請去法國訪問學習了一段時間。 張天才說，國內最近幾年也有若干大學和研究機構開展了單量子系統操控和腔量子電動力學方面的理論和實驗研究，并取得了重要進展。“國內很多從事量子光學研究的單位與阿羅什所在的法國巴黎高師有多年的密切合作交流關系。” 提到兩位獲獎的科學家，潘建偉稱，他在奧地利留學時便結識了阿羅什。“他是一位溫文爾雅的科學家，而維因蘭德則更具備美國西部牛仔的氣質。” 中國更需原創 “目前，國家自然科學基金委和科技部都有相關項目支持這方面的理論和實驗研究。”張天才告訴記者。 近年來，我國科學家在整個量子信息領域的研究都取得了長足進步。今年6月，潘建偉團隊在國際上首次成功實現百公里量級的自由空間量子隱形傳態和糾纏分發，為發射全球首顆“量子通訊衛星”奠定了技術基礎。 不過，在探討到兩位獲獎科學家的成就時，中科院院士孫昌璞對《中國科學報》記者直言：“在量子研究領域，目前中國的實驗水平已經很高了，但相比兩位獲獎者的成果，因為中國用的都是商業化設備，所以在實驗方法和技術上，很難有真正原創性的創新。” 法美科學家讓量子從“虛”變“實” 在微觀領域中，某些物理量的變化是以最小的單位跳躍式進行的，而不是連續的，這個最小的基本單位叫做量子。然而，當人類深入探究量子世界時卻陷入了“泥沼”：單個粒子一旦與外部世界發生互動，就會喪失它們神奇的量子特性。因此，量子物理預言的許多現象無法被直接觀測。這一窘境直到上世紀80年代才因兩位科學家的工作得以改變。 “不可想象”的突破 當天上午，瑞典皇家科學院常任秘書諾爾馬克在皇家科學院會議廳宣讀了獲獎者名單及其獲獎成就。他說，這兩位物理學家用突破性的實驗方法使單個粒子動態系統可被測量和操作。他們獨立發明并優化了測量與操作單個粒子的實驗方法，而實驗中還能保持單個粒子的量子物理性質，這一物理學研究的突破在之前是不可想象的。 隨后，諾貝爾物理學獎評選委員們介紹了獲獎者的研究成果。他們說，通過巧妙的實驗方法，阿羅什和瓦恩蘭的研究團隊都成功地測量和控制了非常脆弱的量子態，這些新的實驗方法使他們能夠檢測、控制和計算粒子。 單個粒子極難俘獲 在基本粒子所處微觀層面上，單個粒子一方面難以與周圍環境分離；另一方面是一旦與周圍環境相互作用，隨即失去量子特性；另外，如果兩個粒子相互作用，即使兩者分離，互動作用會繼續存在。瑞典皇家科學院也認為，單個粒子很難從周圍環境中隔離觀測，一旦它們與外界發生交互，通常會失去神秘的量子性質，使得量子物理學中很多奇特現象無法被觀測到。 相當長一段時期內，量子物理學理論所預言的諸多神奇現象難以在實驗室環境下直接“實地”觀測和驗證，只存在于研究人員的“思維實驗”中。 評委會認定，兩人“開啟量子物理學實驗新時代的大門，顯示不必損毀量子粒子個體，就可以直接觀測它們”。 兩位獲獎者的實驗方法有很多相似之處，瓦恩蘭困住帶電原子或離子，通過光或光子來控制和測量它們；而阿羅什卻讓原子通過一個陷阱，從而控制和測量被困光子和光的粒子。 讓光與物質“起舞” 法國物理學家塞爾日·阿羅什在他個人網頁上說，接到電話時，“我一看……瑞典的號碼，我就知道好事來了”。“這是個驚喜！”這是他最初獲知得獎的反應。 如果用“讓光與物質起舞”來形容兩位獲獎者的工作，并不為過。復旦大學物理系教授沈健介紹，兩位科學家的研究有許多共通之處——都是光與物質在微觀世界中的相互作用，但“方向”卻截然相反。戴維•瓦恩蘭在真空和超低溫條件下，巧妙使用激光束和激光脈沖制造出“陷阱”，來俘獲單個帶電離子，讓它陷于其中難動分毫，而后以光為尺，對其進行觀測、操控。塞爾日•阿羅什則反其道而行之。他以特制的兩個鏡面做成“腔”裝置，當微波光子通過時，在兩面鏡子之間高速反彈，在腔中停留時間達0.1秒。如此，光子被牢牢控制住后，再派原子進去“巡邏探查”，以此掌握單個光子在量子態下的運動。 為量子計算機奠基 今年的獲獎項目與普通大眾生活有怎樣的關系？戴維•瓦恩蘭在4年前就回答了這個問題。 《囚禁離子，實現量子計算》是他2008年與人合撰的一篇科普文章。文章第一段這樣寫道：“計算機性能日益提高，芯片尺寸卻越來越小，或許很快就會達到物理極限——每個元件僅由單個原子構成。不過，這絕非計算機發展的盡頭，而是新型量子計算機發展的起點。” 上海交通大學零聚態物理研究所朱卡的教授解釋，兩位諾獎得主在觀測、操控單個粒子領域的突破性實驗方法，使得整個學界邁出了建立新型超快量子計算機的第一步。具體來說，傳統的電腦芯片用到的是電荷效應等，而量子計算機的原理在于利用原子等粒子的量子態特性，獲得“指數級別”增長的運算速度，以及更小的整體體積，伴隨而來的則是更低的能源消耗。試想一下，今后的計算機將以原子、離子為計算單位，以光來調控，那無疑是計算機的革命性發展。 研究成果亦敵亦友 在復旦大學物理系吳詠時教授看來，此次兩位獲獎者的研究，既是“朋友”，也是“敵人”。他們的工作共同邁出了量子態研究的第一步，但在應用領域，兩者又存在絕對的競爭關系。他說，通常來說，數字信息處理的單元叫做比特，無論是用原子探查光，還是用光捕獲離子，研究的對象都是可用作量子比特的單個原子或離子系統。但真正進入量子計算機的構建階段，兩個方法只能擇其一。因此，這次并肩獲獎的兩位專家，也可以說是“對立”的。 值得關注的是，至今為止的100多屆諾貝爾物理學獎中，像今年這樣“似敵似友”的，尚屬首次。專家認為，這在某種程度上反映出當前科學研究的發展態勢，“一個人拍腦袋”的時代已經遠去，團隊協力、多點開花，正越來越成為人類科學探索的選擇。 ■ 影響 兩位獲獎者首次讓量子光學的研究向應用發展 超級量子計算機誕生現曙光 兩位科學家的研究為新一代超級量子計算機的誕生提供了可能性。 量子光學領域主要從上世紀80年代之后開始迅速發展。來自法國和美國的兩位獲獎者都在這一領域研究多年。 諾貝爾物理學獎評審委員會認為，兩位獲獎者首次讓這個領域的研究向應用層面發展，讓新一代的超級量子計算機的誕生有了初步的可能。 科學界認為，下一代計算機將是建立在量子層面的，它將比傳統的計算機數據容量更大，數據處理速度更快。 此外，評委會還表示，兩位獲獎者也在極端精準的光子鐘領域有著重大貢獻。光子鐘是世界上最精準的鐘，比目前的最精準的銫原子鐘要精確好幾百倍。 今年物理學獎的獲獎者都是實驗物理學家。中科院高能物理研究所院士陳和生對記者介紹，物理學獎得主中，從事理論或實驗研究的都有。此前，華人科學家丁肇中就是憑借實驗物理而獲得了諾貝爾獎，而李振道和楊振寧則憑借理論研究獲得諾獎。 在物理界，理論和應用互補，理論學家通過計算得出假設，實驗物理學家繼而進行驗證，或者，實驗物理學家在實驗中發現了一個現有假設無法解釋的現象，再由理論學家對其進行分析解釋，發展理論。 中科院量子信息重點實驗室教授周正威說，我國的量子光學在某些方面世界領先，如實現了量子層面較遠距離的“瞬間轉移”，但采用的技術總體上還較為簡單，不過也有些大學開始引入“離子井”這樣復雜高尖端的系統。 ■ 釋疑 微觀與宏觀世界如何不同？ 中科院量子信息重點實驗室教授周正威介紹，物理世界分成宏觀和微觀兩個層面，宏觀是人眼能見到，能夠操縱的現實世界，而微觀層面則由極小無比的量子構成，在微觀世界中的量子，有著宏觀世界無法想象的特性。 對此，物理學界有一個很著名的說法：“薛定諤的貓”，其中，貓相當于微觀世界里的量子，可以同時存在于兩個不同的狀態中，如“死”與“活”，只有進入宏觀世界時，這種狀態才會被打破。 周正威解釋，在量子世界中，量子可以同時處于A地和B地，但在宏觀世界中，一個人無法同時存在于左邊的屋子和右邊的屋子里。 “量子這種疊加狀態，用人類的一般意識是無法說清楚的。” 他說，目前獲獎的物理學家就在挑戰這種極限，試圖在微觀和宏觀之間掛鉤，“他們的想法是，把微觀的系統盡可能做大，先控制一個離子的疊加狀態，然后控制幾個，再幾十個，希望有朝一日，能夠足夠大到進入宏觀層面。” 如何在微觀世界“捕粒子”？ 中科院量子信息重點實驗室教授周正威說，法國與美國的這兩位科學家一同得獎，是因為他們有一個共同性，即能夠操縱微觀世界里的單個量子。 他解釋，戴維•瓦恩蘭所做的工作，是用激光冷卻帶電的離子，令其處于溫度極低的狀態，能量也降到最低，這樣，原先能量和狀態極其不穩定的離子就被“囚禁”了，然后就可以用激光操縱這些單個離子的內部狀態。 他表示，戴維做的系統稱為“離子井”，“就好像把離子陷在井里一樣，他的組是現在世界上這塊做得最好的。” 而獲獎的法國科學家則采用了另一種方式，即微波為主，激光為輔的方式來操縱單個原子的量子狀態，其系統被稱為“微波槍”。 ■ 人物 塞爾日•阿羅什 塞爾日•阿羅什是法國人，現居巴黎，1944年9月11日出生于摩洛哥，1971年他從法國第六大學獲得博士學位，現為法蘭西學院教授兼量子物理學會主席，同時他也是法國、歐洲和美國物理學會會員。阿羅什的獲獎，使法國獲得諾貝爾獎的科學家達到了55人。阿羅什主要研究領域是量子光學和量子信息科學。 戴維•瓦恩蘭 戴維•瓦恩蘭是美國物理學家，1944年出生于美國密爾沃基。1970年，他從哈佛大學獲得博士學位。現供職于美國國家標準與技術研究院和科羅拉多大學波爾得分校。瓦恩蘭現為美國國家標準與技術研究院離子儲存組組長。 |
