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2012諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主

    當(dāng)年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布，由于在量子光學(xué)領(lǐng)域所取得的杰出成就，法國(guó)科學(xué)家塞爾日·阿羅什和美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·瓦恩蘭共同獲獎(jiǎng)。

薛定諤的貓

     那是一只非常著名的被關(guān)在黑箱子里的貓，它的生死取決于箱子里一個(gè)獨(dú)立原子的狀態(tài)；如果原子衰變，會(huì)引發(fā)箱內(nèi)毒氣泄露，貓死；反之，貓活。

奧地利物理學(xué)家薛定諤在上世紀(jì)構(gòu)想的這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，被后人引為解釋量子世界的經(jīng)典。量子理論認(rèn)為，單個(gè)原子的狀態(tài)其實(shí)并非“非此即彼”，或者說(shuō)，箱子里的原子既衰變又沒(méi)有衰變，表現(xiàn)為一種概率；對(duì)應(yīng)到貓，則是“既死又活”。

    英國(guó)理論物理學(xué)家霍金很干脆：往箱子里開(kāi)一槍，管它貓死貓活。但這只是個(gè)玩笑。其實(shí)，貓的問(wèn)題最讓人頭大的是你沒(méi)法打開(kāi)箱子看。

量子框架下的世界

    量子力學(xué)框架下的世界既神奇又脆弱。神秘之處在于，微觀粒子通常表現(xiàn)為兩種截然不同的狀態(tài)的糾結(jié)。日常經(jīng)驗(yàn)中所謂的“確定性”，其實(shí)是億萬(wàn)個(gè)微觀粒子、無(wú)數(shù)種概率的宏觀統(tǒng)計(jì)結(jié)果。但這種“既黑又白”的量子狀態(tài)又非常脆弱，一旦用宏觀方法觀察，比如打開(kāi)裝貓的箱子，哪怕只是掀開(kāi)一角，神奇的疊加態(tài)就會(huì)立即被干擾、破壞——物理術(shù)語(yǔ)叫“塌縮”。換句話說(shuō)，打開(kāi)箱子那一刻，貓的生死突然由量子的疊加狀態(tài)，變成宏觀的確定狀態(tài)。

    除了不能被百姓理解，量子學(xué)家的苦惱更在于，因?yàn)檎也坏揭粋€(gè)既不破壞量子狀態(tài)、又能實(shí)際觀測(cè)它的實(shí)驗(yàn)方法，長(zhǎng)期以來(lái)他們只能在頭腦中推演結(jié)論，種種精妙的預(yù)言無(wú)法得到驗(yàn)證。

塞爾日·阿羅什和大衛(wèi)·瓦恩蘭的實(shí)驗(yàn)

    光子和原子是量子世界中的兩種基本粒子。光子形成可見(jiàn)光或其他電磁波，原子構(gòu)成物質(zhì)。用實(shí)驗(yàn)研究量子，首先要捕獲單個(gè)的量子。

    兩人的方法殊途同歸，一位用離子調(diào)控光子，另一位相反，用光子調(diào)控離子（帶電原子）。

    阿羅什將兩面極為精巧的鏡子平行放置，鏡子之間是真空的空腔，溫度接近絕對(duì)零度（約零下273℃）。一個(gè)光子進(jìn)入空腔后，在兩個(gè)鏡面間不斷反射。阿羅什實(shí)驗(yàn)中，光子在空腔中來(lái)回運(yùn)動(dòng)了0.1秒——對(duì)量子研究而言，這已足夠漫長(zhǎng)。實(shí)際上被捕獲的光子在空腔中跑了4萬(wàn)公里，相當(dāng)于繞地球一周。

    瓦恩蘭捕獲離子的方法，是用一系列電極營(yíng)造出一個(gè)電場(chǎng)囚籠，離子如被裝進(jìn)碗里的玻璃球；而后，用激光將離子冷卻，最終，最冷的一個(gè)離子安靜地待在碗底。

    阿羅什的高明之處在于，他在捕獲單個(gè)光子后，引入了一種特殊的原子——里德伯原子，作為觀測(cè)工具。里德伯原子的電子能量極大，運(yùn)行軌道離原子核極遠(yuǎn)，因而比通常的原子大1000倍。它進(jìn)入雙鏡空腔后，有更大概率與被捕獲的光子“碰撞”、耦合。之后，只要觀測(cè)里德伯原子，就能得到光子的數(shù)據(jù)。至于瓦恩蘭，他向“電場(chǎng)碗”發(fā)射激光，通過(guò)觀測(cè)光譜線，便能得到碗底那顆冷離子的數(shù)據(jù)。

    這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都史無(wú)前例地在不破壞量子特性的前提下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)光子和離子的觀測(cè)和操控。

量子計(jì)算機(jī)

    量子計(jì)算機(jī)最基本的數(shù)據(jù)單位依然是比特——0或1。但與常規(guī)計(jì)算機(jī)不同，一個(gè)量子構(gòu)成的量子比特，可以同時(shí)表現(xiàn)為0和1，兩個(gè)量子比特就是00、01、10、11四種狀態(tài)。以此類推，300個(gè)量子比特承載的數(shù)據(jù)量便可達(dá)到2的300次方，超過(guò)整個(gè)宇宙的原子數(shù)量總和。同時(shí)，它的運(yùn)算速度極快。張衛(wèi)平說(shuō)，雖然整體上量子計(jì)算機(jī)與實(shí)用還有很遠(yuǎn)的距離，但既然其最基礎(chǔ)的部分——得到1個(gè)量子比特已獲成功，那么，說(shuō)不定本世紀(jì)內(nèi)相關(guān)技術(shù)就能成熟，從而給人類帶來(lái)新的計(jì)算革命。

光鐘

    與量子計(jì)算機(jī)相比，光鐘更接近現(xiàn)實(shí)。正因?yàn)榭梢圆倏貑蝹€(gè)量子，科學(xué)家就能按意愿調(diào)控量子的振蕩頻率，直到光頻段。量子振蕩相當(dāng)于鐘擺，頻率越高，精度越高。目前，實(shí)驗(yàn)中的光鐘比此前最先進(jìn)的銫原子鐘精準(zhǔn)數(shù)百倍——若這座鐘從宇宙發(fā)端之日起運(yùn)行，至今的誤差只有5秒。借助這樣的鐘，GPS衛(wèi)星能更精確地進(jìn)行全球定位，科學(xué)家甚至可以用它來(lái)觀測(cè)因?yàn)椴叫袑?dǎo)致的時(shí)間變慢——相對(duì)論認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致時(shí)間變慢；接近光速時(shí)，時(shí)間將趨于停止。