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2012年10月14日 作者:吴福根 [返回]

2012年诺贝尔物理学奖:操纵单个量子粒子

2012年诺贝尔物理学奖授予塞尔日•阿罗什和大卫•J•维因兰德,以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下,测量和操纵它们的方法。
 
他们的发明开辟了量子物理学的新时代;他们成功地观测到非常脆弱的量子态,在不破坏单个粒子的前提下直接观察它们的特性;他们的工作为制造新型超高速基于量子物理的计算机迈出了第一步。也可以用来制造极精准时钟,用于未来的时间标准,比现有的铯原子钟精确百倍。
    单个物质粒子包括光子,经典力学不适用,粒子表现出量子性。然而长久以来,单个粒子不能从脱离周围环境直接观测到,科学家只能通过思想实验验证它奇异的表现。
 
 
两位获奖者均致力于量子光学领域物质粒子及光子基本相互作用力的研究工作。这个领域从20世纪80年代中期开始有飞跃性的发展。他们的工作有很多相同之处。大卫•维因兰德将带电原子或离子置于势阱中,控制并测量它们的光子。塞尔日•阿罗什则相反,控制并测量势阱中的离子,通过势阱向离子注入光子。
 
 
在势阱中控制单个离子
    在科罗拉多州博尔德市,大卫•维因兰德维因兰德的实验室内,带电原子或离子被置于电场内的势阱中。该实验在真空和低温条件下进行,使粒子远离热和辐射干扰。
    维因兰德实验的一个秘诀是使用激光脉冲。他用激光压制离子在势阱中的热运动,使离子停留在最低能量状态,从而观测势阱中离子的量子现象。一个细致调节好的激光束可以使离子进入叠加态,该形态使一个离子同时存在于两种不同状态。例如,一个离子可以同时处于两种能量值。它开始处于较低能量的状态,激光的作用仅仅是向高能量状态轻轻推它,能够使它停留在两种状态的叠加中,进入任何一种状态有相等的可能性。这样可以研究离子的量子叠加状态。
 
在势阱中控制单个光子
    塞尔日•阿罗什和他的研究小组采取不同的方法揭示神秘的量子世界。在巴黎的实验室里,微波光子在相距3厘米的镜片之间反弹。镜片用超导材料制作,被冷却到刚刚超过绝对零度。这是世界最闪耀的超导镜片,单个的光子在它们之间的空腔反弹超过十分之一秒的时间,直到它丢失或被吸收。这意味着光子能够穿越40000千米的长度,相当于环绕地球一周。
    量子操纵可以通过势阱中的光子演示。阿罗什运用特殊调制的原子,叫做Rydberg 原子(纪念瑞典物理学家Johannes Rydberg),完成控制和测量空腔内微波光子的任务。一个Rydberg原子大致有典型原子1000倍的半径,在一个合理选择的速度下送入空腔,它和光子的相互作用在一个理想的控制下发生。
    Rydberg原子穿越空腔并离开,留下光子,但之间的相互作用使原子的量子相位发生改变,就像一阵波。当Rydberg原子离开空腔时,相位改变能测量得到,从而暗示空腔中光子的存在或逃逸。
    利用相似的方法,阿罗什和他的团队可以数空腔内的光子。光子不容易数,任何和外界接触就会破坏。借助这个方法,阿罗什和他的团队设计后期方案一步一步实现单个量子状态的测量。
 
量子力学悖论
    量子力学描绘了一个肉眼无法观测的微观世界,很多与我们的期望和在经典物理中的经验相反。量子世界本身具有不确定性。例如叠加态,一个量子可以有多重形态。我们通常不会认为一块大理石同时是“这样”也是“那样”,除非是一块量子大理石。叠加态的大理石只能确切地告诉我们大理石是每一种形态的概率。
我们在日常生活中为什么观察不到叠加态,随机性的这些方面?奥地利物理学家及诺贝尔奖获得者(1933年)欧文•薛定谔争辩道。正如其他量子理论的先驱,他试图理解和阐释这些现象。1952年,他写下:“我们从来没有用一个电子、原子或者其他分子做过实验。在思想实验中,我们的假设,这总是导致可笑的后果……”
 
 
为了说明将我们的宏观世界间思想实验移动到微观量子世界可能产生的荒谬的结果,薛定谔描述了一个关于猫的思想实验:薛定谔的猫被放在一个与周围环境完全隔离的箱子内。这个箱子内有一瓶致命的氰化物,还有一些处于发射状态的放射性原子衰变。放射性衰变遵循量子力学定律,因而它处于发射和未发射的叠加状态。因此,猫处于活着和死了的叠加状态。现在,如果你窥视箱子内部,你等于杀死了猫,因为量子叠加态对环境作用非常敏感,观察猫的瞬间,猫的“世界线”会“塌缩”到出现死或者活两种结果中的一种。在薛定谔看来,这个思想实验导致了一个荒谬的结论。它在说明他应该向出现的量子道歉。
    2012年的两位物理学奖获得者能够映射到当外界环境参与时量子猫的状态。他们设计了创新实验,详细说明观测这一行为实际上如何导致量子状态的崩溃并失去其叠加特性的。阿罗什和 维因兰德并没有用猫,而是将势阱中的离子放入薛定谔假设的叠加态中。这些量子物体尽管宏观上没有猫那样的形状,但相对于量子尺度仍然足够大。
    在阿罗什的空腔中,不同相位的微波光子被同时放置在像猫一样的叠加态中,像同时有很多顺时针或逆时针旋转的秒表。空腔用Rydberg原子探测。结果出现了另一个难以理解的称为纠缠态的量子效应。纠缠也被薛定谔描述过,可以发生在两个或多个量子之间,他们彼此没有直接接触,却可以读取或影响对方的属性。微波场中量子的纠缠态和Rydberg原子的运动让阿罗什映射生活和死亡的猫一样的状态,进而一步一步,经历了从量子叠加态到被完全定义的经典物理态的过渡。
 
新的计算机革命的边缘
    很多科学家预想的可能实现的运用是量子计算机。现今的计算机,最小的携带信息单位是一个位,置1或清0。而量子计算机里,最小单位是一个量子位。维因兰德的团队是世界首次演示一个量子代替两个量子位。如果几个量子位的实验能够完成,更多量子位的组合也能够成功。然而有许多问题,比如相对立的两个问题:量子需要绝对隔离外界环境,以保持量子特性;而它们又需要和外界交换它们的运算结果。本世纪量子计算机有可能完成。如果这样,如同上个世纪计算机信息时代,量子计算机将带来计算机领域一场全新的革命。
 
新的时钟
 
戴维•维因兰德和他的团队运用势阱中的离子制作了一个时钟,比铯原子钟精确100倍,它运用可见光制作,故称之为光钟。一个光钟仅包含一两个势阱中的离子。如果包含两个,一个用来做钟,另一个用来在不破坏它状态的情况下进行读取,或者错过一个刻度。光钟的精确度高于10的17次方,这说明如果从大约140亿年前的大爆炸开始计时,光钟到现今的偏差仅为5秒。
    利用如此精确的时钟,可以观察到一些极其微妙美丽的自然现象,例如时间流逝,重力的微小变化,时空的交织。根据爱因斯坦相对论,时间可以被运动和重力影响。速度越高,重力越强,时间流逝越慢。通常我们不能察觉到这种现象。运用GPS导航时,我们依赖卫星上由于几百公里外的上空重力变弱的影响而需要定期校准的时间信号。运用光钟,我们可以测量速度变化小于10米每秒,或者高度差为30厘米处重力改变所引起的时间流逝变化。
 
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