捕捉并控制量子的魔术师

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10月9日，法国与美国两位物理学家因为在量子光学领域对光与物质间的密切关系和相互作用的研究中做出巨大贡献而获2012年诺贝尔物理学奖，他们是法国巴黎法兰西学院和巴黎高等师范学院68岁的物理学家塞尔日·阿罗什（SergeHaroche）和美国国家标准与技术研究院、美国科罗拉多大学68岁的物理学家戴维·瓦恩兰（DavidWineland）。

由于单个粒子很难从周围环境中隔离观测，使得量子物理学中很多奇特现象无法被观测到。但这两位获奖者通过实验，发现了能够直接观察单个粒子却不对其产生破坏的方法，标志着原子分子和光物理（AMO）的最大特色——量子操控。它可以利用人类已经充分了解的原子和光子来制造理想干净的量子系统。这些系统不但是量子信息和量子模拟的最佳选择，同时也提供了精密测量各种物理量的最佳环境，并使量子计算机和超精确的时钟的产生成为可能。

我们所看到的宏观世界，来自于亿万个粒子的相互作用，但深入到微观世界，粒子所呈现的更多是量子特性。遗憾的是，我们一直以来只能从理论上预测粒子的量子行为，从它们的外在表现来验证理论的正确性，从来没有真实的看到单个粒子的状态。量子力学的奠基人之一薛定谔曾解释道，根据量子原理，箱子打开前，箱中之猫“既死又活”，必须打开箱子看一眼猫是死是活才能确定。

那么这两位“魔术师”是怎样抓住“薛定谔的猫”呢？我们可以把阿罗什的实验简单化来理解。如果你按照日常的方法去“看”一个光子，这意味着你的眼睛或者相机或者光感受器会把光子吸收掉，这个光子就没了，被摧毁了。

所以，为了“看见”光，我们必须使用非破坏性的测试。一种测试方法是设一个真空、零下272摄氏度的盒子，盒子内壁铺满超级反光的镜子——反光度好到能让一个光子来回反弹高达十亿次之久才会被吸收，在这段时间里，它旅行的距离等同于绕地球一圈。

然后我们把一个原子送进去，这个原子处于两个不同原子态的叠加，就像薛定谔的猫那样的叠加。如果镜盒里没有光子，那么当原子从另一头出来时，我们会观测到它处于某个特定状态——假定是“死”；但如果里面有光子，我们又仔细地让原子穿过而没有破坏光子，那么原子和光子相互作用，就有很大可能看到原子处于“活”的状态。

瓦恩兰博士的工作主要集中于接受光子的物质材料方面，过去15年内，诺贝尔物理奖多次授予美国国家标准与技术研究所内涉及原子捕获和测量研究的科学家，今年已是第4次。瓦恩兰博士和他的同事在电场中捕获带电铍原子或离子，并在特别调谐激光器中加以冷却，使它们几乎不发生移动。

在最近的实验中，他们已经开发出让“猫态”维持更长时间的反馈技术，这种技术将是实现量子计算机梦想的关键，以所谓的量子比特来解决超越普通电脑能力之外的一些超巨大数据的计算问题。量子比特拥有神奇的计算能力，但同时必须找到一种测量量子比特的方法，以读出量子计算机的计算结果。实际上，也正是瓦恩兰的团队在1995年首先利用离子阱技术实现了量子逻辑操作，开启了量子计算机的大门。