塞爾日·阿羅什（右）在實驗室
工作中的戴維·瓦恩蘭 10月9日，法國與美國兩位物理學家因為在量子光學領域對光與物質間的密切關系和相互作用的研究中做出巨大貢獻而獲2012年諾貝爾物理學獎，他們是法國巴黎法蘭西學院和巴黎高等師范學院68歲的物理學家塞爾日·阿羅什(SergeHaroche)和美國國家標準與技術研究院和美國科羅拉多大學68歲的物理學家戴維·瓦恩蘭(DavidWineland)。由于單個粒子很難從周圍環境中隔離觀測，使得量子物理學中很多奇特現象無法被觀測到。但這兩位獲獎者通過實驗，發現了能夠直接觀察單個粒子卻不對其產生破壞的方法，使得科學家能夠直接對微觀過程進行量子模擬，如亞原子模擬，并可能最終導致產生量子計算機和超精確的時鐘。 過去一百年里，科學家們已經知道原子的行為頗為古怪，在自然的微觀世界里，一些科學常識方面的定律被其內部奇怪的量子力學規律所顛覆。 量子力學的奠基人之一薛定諤曾解釋道，根據量子原理，箱子打開前，箱中之貓“既死又活的”，非要有人打開箱子看一眼貓是死是活才能確定。 直到幾年前，這個問題還是個哲理問題，對于物理學家們來說，量子力學也是如此奇妙，例如每次當你打開你的電腦時，就會感受到這種類似的奇妙感覺。但一些物理學家覺得，真正的問題是，為何在我們日常世界里就不是這樣的呢？例如，當你要拿你的太陽鏡時，它不可能同時既在車上，又在避暑小屋里，或在擱架上，而只能是靜靜地躺在其中的某個地方。 如今，由于這兩位物理學家的發現，科學家們能夠直接進行實驗，捕捉自然界中的量子行為，從而探索量子現象和普通生活的界線在哪里。他們的工作是將自然界中的某些物質——如光子和原子——分離出來，觀察它們的行為和互相之間的關系。 哈羅什博士瓦恩蘭博士是合作了25年的好友，他們以獨特的方式來探索光與物質的“舞蹈”，哈羅什博士利用經過精細拋光的鏡像腔捕捉光子，在光子逃逸或被吸收之前，一個光子來回反彈的時間為十分之一秒——在原子物理學中就是光子的一生，然后，他放出一個“偵測”原子，與光產生相互作用。 在通常情況下，檢測到光就意味著摧毀了它，檢測到的光子會被我們的視網膜或被相機的芯片所吸收，但在某種例外的情況下，哈羅什通過觀察光在原子上產生的微妙影響，他和他的同事們可以對光子計算，而不會導致光子被摧毀，“就好像它們是放在盒子里的彈珠一樣，”他在他的網站上如此說道。 1996年，哈羅什將他們的實驗比作薛定諤的貓，即“盒子”里的光子就像“薛定諤貓的狀態”，同時在兩個相反的方向之間擺動，然后他們通過發送“偵測”原子，測定這樣的“貓態”存在多長時間才衰減，或重新回復到量子狀態。 在最近的實驗中，他們已經開發出讓“貓態”維持更長時間的反饋技術，這種技術將是實現量子計算機夢想的關鍵，以所謂的量子比特來解決超越普通電腦能力之外的一些超巨大數據的計算問題。量子計算機與周圍環境分離的“量子比特”擁有神奇的計算能力，但同時必須找到一種測量量子比特的方法，以讀出量子計算機的計算結果。 瓦恩蘭博士的工作主要集中于接受光子的物質材料方面，過去15年內，諾貝爾物理獎多次授予美國國家標準與技術研究所內涉及原子捕獲和測量研究的科學家，今年已是第四次。瓦恩蘭博士和他的同事在電場中捕獲帶電鈹原子或離子，并在特別調諧激光器中加以冷卻，使它們幾乎不發生移動。 瓦恩蘭博士說道，他多年來從事這方面研究是出于人類對更精確時鐘的需要。他在接受采訪時說道，“從歷史上看，有更好的時鐘，就意味著有更好的導航能力。” 任何原子的振動和發光都有非常精確的頻率，瓦恩蘭和他的同事們用他們捕獲的離子，制造出了世界上最精確的時鐘。 現代原子鐘用的是銫原子，這種原子在微波頻率范圍內振動，但可見光的振動頻率遠高于微波，每一次振蕩都是完美時鐘的一次“滴答”。一種基于可發出可見光的鋁離子的新型光學時鐘，其精確度勝過銫原子時鐘的100倍左右。瓦恩蘭說，這種新型光學時鐘擁有驚人的精確度，宇宙誕生至今137億年的時間長河里只有5秒誤差。科學家們同時指出，要造出真正的量子計算機，他們仍有大量的工作要做。 來源：《文匯報》 |
