操縱和測量單個量子態(tài)——2012年諾貝爾物理學(xué)獎簡介＊

郭文祥 劉伍明②

①本科生，清華大學(xué)物理系，北京100084；②研究員，中國科學(xué)院物理研究所，北京100190＊量子調(diào)控國家重大科學(xué)研究計劃（2011CB921500）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA04072800）

操縱和測量單個量子態(tài)
——2012年諾貝爾物理學(xué)獎簡介＊

郭文祥①劉伍明②

①本科生，清華大學(xué)物理系，北京100084；②研究員，中國科學(xué)院物理研究所，北京100190
＊量子調(diào)控國家重大科學(xué)研究計劃（2011CB921500）；中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA04072800）

非破壞性測量 量子光學(xué) 量子操控

同為68歲的法國科學(xué)家塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）與美國科學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德（David J.Wineland）分享了2012年諾貝爾物理學(xué)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”。在量子世界中，粒子行為不遵從經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律，人類對量子的觀測更是難上加難。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(xiàn)對單個量子態(tài)的測量和控制，顛覆了之前人們認(rèn)為的其無法被直接觀測的看法。

2012年10月9日下午，諾貝爾物理學(xué)獎揭曉。瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎評審委員會將獎項授予量子光學(xué)領(lǐng)域的兩位科學(xué)家——法國物理學(xué)家塞爾日·阿羅什與美國物理學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德，以獎勵他們“提出了突破性的實驗方法，使測量和操控單個量子態(tài)成為可能”。圖1為科學(xué)家操控單個量子的漫畫。

組成世界的基本成分——原子（物質(zhì)）和光子（光）的運(yùn)動由量子力學(xué)來描述。這些粒子大多并不孤立，而是與環(huán)境進(jìn)行強(qiáng)烈的相互作用。然而粒子系統(tǒng)的運(yùn)動則與孤立粒子不同，常常可以用經(jīng)典物理學(xué)來描述。量子力學(xué)領(lǐng)域一開始的時候，物理學(xué)家只能使用思想實驗去簡化情況，并預(yù)測單個量子粒子的行為。

圖1 科學(xué)家操控單個量子的漫畫

20 世紀(jì)八九十年代，物理學(xué)家發(fā)明了各種方法用以冷卻勢阱中的單個離子并用激光控制它們的狀態(tài)。一種方法中，使用和環(huán)境只有微弱相互作用的光子可以原位操縱和觀察單個離子；另一種實驗方法中，光子被囚禁在諧振腔中操縱，通過巧妙設(shè)計的實驗可以在不破壞狀態(tài)的情況下觀測到與原子相互作用的腔中光子。這些技術(shù)使科學(xué)家們驗證量子力學(xué)的基本原理和微觀與宏觀世界之間的轉(zhuǎn)變不再只依靠思想實驗。

通過非破壞性直接觀測單個量子系統(tǒng)，阿羅什和維因蘭德拉開了量子物理學(xué)新時代的大幕。通過巧妙的實驗方法，他們成功地測量并操縱了非常脆弱的量子態(tài)，他們的工作為制造新型超高速量子計算機(jī)邁出了堅實的第一步。這種方法也可以用來制造極精準(zhǔn)時鐘，用于未來的新的時間標(biāo)準(zhǔn)，這將比現(xiàn)有的銫原子鐘精確百倍。

兩位獲獎?wù)呔铝τ诹孔庸鈱W(xué)領(lǐng)域物質(zhì)粒子及光子基本相互作用的研究工作。這個領(lǐng)域從20世紀(jì)80年代中期開始有飛躍性的發(fā)展。圖2為如何控制獨(dú)立量子系統(tǒng)的科學(xué)背景圖解。左圖顯示了諧振阱中的一個離子（鈹離子），它的量子態(tài)（包括固有屬性和運(yùn)動狀態(tài)）受到激光脈沖的控制；右圖是一個高品質(zhì)微波諧振腔中的一個（或幾個）光子，讓處于高能激發(fā)態(tài)的銣原子通過空腔，與光子發(fā)生相互作用，就可以測量和控制這些光子的場狀態(tài)。

圖2 如何控制獨(dú)立量子系統(tǒng)的科學(xué)背景圖解

1 控制勢阱中的單個離子

這個研究領(lǐng)域開始于20世紀(jì)70年代開發(fā)的用于捕獲帶電粒子的技術(shù)。保羅（Paul）和德默爾特（Dehmelt）因“發(fā)展離子阱技術(shù)”獲得1989年諾貝爾物理獎。離子阱是結(jié)合靜電場和振蕩電場在超高真空中建立的。有的離子阱只有一個離子被捕獲，也有線性離子阱是幾個離子分布在一列上。被捕獲的離子會進(jìn)行振蕩，而且低溫時振蕩是量子化的。因此，離子有兩種量子能級：描述離子阱中運(yùn)動的振動模式（也叫外部態(tài)）和描述離子內(nèi)部量子態(tài)的電子能級。這些能級可以通過光吸收或發(fā)射耦合，并產(chǎn)生一個雙光子過程，叫拉曼躍遷。因此離子可以通過激光激發(fā)產(chǎn)生強(qiáng)烈光散射的光學(xué)轉(zhuǎn)換而觀測。這種現(xiàn)象可以被眼睛或用CCD相機(jī)直接觀測。此外，離子的內(nèi)部狀態(tài)可以通過觀察量子躍遷而確定［1－2］。如圖3通過觀察鈹離子發(fā)出的熒光的顏色，可以判斷離子所處的量子態(tài)。

圖3 3個阱中鈹離子發(fā)出的熒光圖

控制離子量子態(tài)的重要一步是用邊帶冷卻技術(shù)把離子冷卻到勢阱的最低能量［3－4］。圖4顯示了兩種不同電子能級囚禁離子的幾個振動態(tài)。這項技術(shù)由激發(fā)離子，提高內(nèi)能和減少振動能這三個步驟組成。這是用頻率為ω0—ων的窄帶激光處理，其中ων代表阱中兩種振動模式的頻率差，ω0是原子頻率，也就是說激光頻率是兩種電子能級的離子之間的頻率差。激發(fā)離子優(yōu)先向振動量子數(shù)相同的態(tài)衰變。這減少了離子能量，并讓離子逐漸冷卻到振動量子數(shù)ν＝0的狀態(tài)。這項由維因蘭德及其同事開發(fā)的技術(shù)允許控制離子內(nèi)部和外部兩種自由度［5］。

圖4 邊帶冷卻原理

另一個突破是發(fā)展把電子量子疊加態(tài)轉(zhuǎn)化成阱中振動量子疊加態(tài)的技術(shù)［6］，這項技術(shù)的靈感來自于Cirac和Zoller在1995年的理論提議［7］。這種量子疊加態(tài)可以傳遞到另一個與第一個離子相同振動態(tài)的離子，這由Blatt及其合作者于2003年在奧地利因斯布魯克大學(xué)實現(xiàn)了［8］。這項技術(shù)被維因蘭德和合作者廣泛應(yīng)用于退相干測量和光學(xué)時鐘，并且它還是基于囚禁離子的量子邏輯門的基礎(chǔ)。

2 在勢阱中控制單個光子

塞爾日·阿羅什和他的研究小組采取了不同的方法揭示神秘的量子世界。在巴黎的實驗室里，微波光子在相距2.7 cm的鏡片之間反彈。鏡片用超導(dǎo)材料制作，被冷卻到0.8 K，剛剛超過絕對零度。單個的光子在它們之間的空腔反彈大概130 ms，直到它丟失或被吸收。這意味著光子能夠穿越40 000 km的長度，相當(dāng)于環(huán)繞地球一周。

腔中的場用Rydberg態(tài)銣原子來探測（圖5）。這種原子非常大，半徑約125 nm，并與腔中場進(jìn)行強(qiáng)烈的耦合。從能級n＝50（｜↓＞）到n＝51（｜↑＞）的躍遷幾乎與腔中微波場有相同頻率（51 GHz）。腔R1和腔R2用來制造和分析｜↓＞態(tài)和｜↑＞態(tài)之間的受控量子疊加，選擇性離子化檢測器（D）檢測原子狀態(tài)，相干源產(chǎn)生的光子通過波導(dǎo)與腔耦合。原子依次地一個個用控制的速度送入空腔中，因此它們與腔的相互作用時間也是被控制好的。在阿羅什小組所做的大多數(shù)實驗中，原子和場僅有稍微不同的頻率。腔中穿過的原子并不吸收光子，但它的能級因為動態(tài)斯塔克效應(yīng)而變化。這種相位偏移的符號，取決于原子是｜↓＞態(tài)還是｜↑＞態(tài)導(dǎo)致的原子和場的糾纏［9］。

圖5 用Rydberg原子研究微波場的實驗裝置

1990年，阿羅什和同事提出了非破壞性測量腔中光子數(shù)目的方法［10］。最近，他們用實驗驗證了此方法［11－12］。單個光子被捕獲在空腔中，并通過光子與原子的相互作用來觀察。Rydberg原子穿越空腔并離開，留下光子，但之間的相互作用使原子的量子相位發(fā)生改變，就像一陣波。當(dāng)Rydberg原子離開空腔時，相位改變能通過測量得到，從而暗示空腔中光子的存在或逃逸。借助這個方法，阿羅什和他的團(tuán)隊設(shè)計后期方案一步一步實現(xiàn)單個量子狀態(tài)的測量［11］。

2001年，阿羅什小組還在他們的微波腔中實現(xiàn)了通過交換虛擬的單個光子實現(xiàn)兩個Rydberg原子之間的糾纏實驗研究［12］。這一實驗是基于當(dāng)時中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)者鄭仕標(biāo)和郭光燦的理論工作的基礎(chǔ)上完成的［13］。由于實驗過程不交換真實的光子，從而有效降低了腔場消耗相干的影響，原子的糾纏特性得以被有效觀測到。

3 量子力學(xué)悖論

量子力學(xué)描繪了一個肉眼無法觀測的微觀世界，這個世界中事件總與我們的期望和在宏觀經(jīng)典物理中的經(jīng)驗相反。量子物理的一個中心問題是量子世界與經(jīng)典世界的轉(zhuǎn)化。量子世界本身具有不確定性或者說是隨機(jī)性。一個例子是疊加態(tài)，一個量子可以有多重形態(tài)。我們通常不會認(rèn)為一塊大理石同時在“這里”也在“那里”，除非它是一塊量子大理石。當(dāng)我們想找出它到底在哪里時，疊加態(tài)的大理石只能確切地告訴我們大理石在這里或那里的概率。

為什么我們從沒有察覺到現(xiàn)實中有這些奇怪的現(xiàn)象呢？為什么我們從沒有在日常生活中觀察到疊加態(tài)大理石呢？奧地利物理學(xué)家及諾貝爾物理學(xué)獎得主（1933年）薛定諤爭辯道。正如其他量子理論的先驅(qū)，他試圖理解和闡釋這些現(xiàn)象。1952年，他寫下：“我們從來沒有用一個電子、原子或者其他分子做過實驗。在思想實驗中，我們的假設(shè)，這總是導(dǎo)致可笑的后果……”［15］

為了說明將我們的宏觀世界間思想實驗移動到微觀量子世界可能產(chǎn)生的荒謬的結(jié)果，薛定諤描述了一個關(guān)于貓的思想實驗：薛定諤的貓被放在一個與周圍環(huán)境完全隔離的箱子內(nèi)（圖6）。這個箱子內(nèi)有一瓶致命的氰化物，還有一些處于激發(fā)態(tài)的放射性原子衰變。放射性衰變遵循量子力學(xué)定律，因而它處于發(fā)射和未發(fā)射的疊加狀態(tài)。因此，貓?zhí)幱诨钪退懒说寞B加狀態(tài)。現(xiàn)在，如果你窺視箱子內(nèi)部，你正在冒著殺死這只貓的風(fēng)險，因為量子疊加態(tài)對環(huán)境作用非常敏感以至于絲毫觀察貓的意圖會讓貓“塌縮”到出現(xiàn)死或者活兩種狀態(tài)中的一種。在薛定諤看來，這個思想實驗導(dǎo)致了一個荒謬的結(jié)論。據(jù)說后來他為讓量子力學(xué)如此混亂而道歉。

2012年的兩位物理學(xué)獎獲得者能夠映射到當(dāng)外界環(huán)境參與時量子貓的狀態(tài)［16］。他們分別設(shè)計了創(chuàng)新實驗，詳細(xì)說明觀測這一行為實際上如何導(dǎo)致量子狀態(tài)的崩潰并失去其疊加特性的。阿羅什和維因蘭德并沒有用貓，而是將勢阱中的離子放入薛定諤假設(shè)的疊加態(tài)中。這些量子物體盡管宏觀上沒有貓那樣的形狀，但相對于量子尺度仍然足夠大。在阿羅什的空腔中，不同相位的微波光子被同時放置在像貓一樣的疊加態(tài)中，像同時有很多順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)的秒表。空腔中的微波場用Rydberg原子探測［17－18］。結(jié)果出現(xiàn)了另一個難以理解的被稱為糾纏態(tài)的量子效應(yīng)。糾纏同樣也被薛定諤描述過，可以發(fā)生在兩個或多個量子之間，他們彼此沒有直接接觸，卻可以讀取或影響對方的屬性。微波場中量子的糾纏態(tài)和Rydberg原子的運(yùn)動讓阿羅什映射活著和死亡的貓一樣的狀態(tài)，進(jìn)而一步一步，經(jīng)歷了從量子疊加態(tài)到被完全定義的經(jīng)典物理態(tài)的過渡［19］。

圖6 薛定諤的貓漫畫圖

4 量子計算機(jī)和超精準(zhǔn)時鐘

在1995年Cirac和Zoller發(fā)表的一篇創(chuàng)意十足的理論文章中，他們提議用囚禁離子構(gòu)建量子計算機(jī)。量子比特用阱中離子的超精細(xì)能級編碼，與環(huán)境作用非常微弱，因此可以長時間存在。兩個或兩個以上離子可以通過質(zhì)心運(yùn)動耦合。維因蘭德和他的小組是世界上第一個實現(xiàn)運(yùn)動和自旋耦合兩量子比特實驗操作的?，F(xiàn)在最先進(jìn)的量子計算機(jī)技術(shù)是基于囚禁離子，而且已經(jīng)實現(xiàn)到了14量子比特［20］。然而量子計算機(jī)依然存在許多問題，比如相對立的兩個問題：量子需要絕對隔離外界環(huán)境，以保持量子特性；而它們又需要和外界交換它們的運(yùn)算結(jié)果。盡管如此，21世紀(jì)量子計算機(jī)有可能完成。如果這樣，如同20世紀(jì)計算機(jī)信息時代，量子計算機(jī)將帶來計算機(jī)領(lǐng)域一場全新的革命。

維因蘭德實驗的一個重要應(yīng)用是光學(xué)時鐘（圖7）。維因蘭德和他的團(tuán)隊運(yùn)用勢阱中的離子制作了一個時鐘，它比作為現(xiàn)在時間標(biāo)準(zhǔn)的銫原子鐘精確了100倍。因為維因蘭德的離子鐘使用可見光或紫外光，比銫原子鐘使用的微波波段的頻率高幾個數(shù)量級。一個光鐘僅包含一兩個囚禁的離子。如果包含兩個離子，則一個用來做鐘，另一個用來在不破壞它狀態(tài)的情況下進(jìn)行讀取，或者錯過一個刻度。光鐘的誤差率低于10－17，這意味著如果從大約140億年前的大爆炸開始計時，光鐘到現(xiàn)今的偏差僅為5 s。

圖7 光鐘漫畫圖

利用如此精確的時鐘，可以觀察到一些原來難以觀察到的極其微妙的自然現(xiàn)象，例如時間的緩緩流逝，重力的微小變化，時空的交織。根據(jù)愛因斯坦相對論，時間受到運(yùn)動和引力的雙重影響。速度越快，引力越強(qiáng)，時間流逝越慢。雖然我們平常不能察覺到這種現(xiàn)象，但它確實存在于我們的日常生活中。運(yùn)用GPS導(dǎo)航時，我們依賴衛(wèi)星發(fā)送的時間信號，但這些時間信號卻因為幾百公里外引力變?nèi)醵枰ㄆ谛?zhǔn)。運(yùn)用光鐘，我們可以測量速度變化小于10 m／s，或者高度差為30 cm處引力改變所引起的時間流逝的變化［21］。

（2012年11月14日收到）

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Measuring and Manipulating Individual Quantum Systems：A Brief Introduction to the Nobel Prize in Physics 2012

GUO Wen-xiang①，LIU Wu-ming②
①Undergraduate，DepartmentofPhysics，TsinghuaUniversity，Beijing100083，China；②Professor，InstituteofPhysics，Chinese AcademyofScience，Beijing100190，China

The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly to Serge Haroche and David J.Wineland"for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems".Haroche and Wineland opened the door to a new era of experimentation with quantum physics by demonstrating the direct observation of individual quantum systems without destroying them.For single particles of light or matter，the laws of classical physics cease to apply and quantum physics takes over.Thus many seemingly bizarre phenomena predicted by quantum mechanics could not be directly observed.They independently invented and developed ground-breaking methods for measuring and manipulating individual particles while preserving their quantum-mechanical nature，in ways that were previously thought unattainable.

nondestructive measurement，quantum optics，quantum manip ulation

10.3969／j.issn.0253-9608.2012.06.004

（編輯：溫文）