量子物理學(xué)的新曙光

　　兩位諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，首次讓量子物理領(lǐng)域的研究向應(yīng)用層面發(fā)展，讓新一代的超級量子計算機的誕生，有了初步的可能
　　2012年諾貝爾物理學(xué)獎結(jié)果正式揭曉。10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2012年諾貝爾物理學(xué)獎分別授予法國物理學(xué)家塞爾日·阿羅什和美國物理學(xué)家戴維·瓦恩蘭，以表彰他們在量子物理學(xué)方面的卓越研究。
　　這兩位物理學(xué)家用突破性的實驗方法，使單個粒子動態(tài)系統(tǒng)可被測量和操作。他們獨立發(fā)明并優(yōu)化了測量與操作單個粒子的實驗方法，而實驗中還能保持單個粒子的量子物理性質(zhì)，這一物理學(xué)研究的突破在之前是不可想象的。
　　通過巧妙的實驗方法，阿羅什和瓦恩蘭的研究團隊都成功地測量和控制了非常脆弱的量子態(tài)，這些新的實驗方法使他們能夠檢測、控制和計算粒子。
　　單個粒子極難俘獲
　　在基本粒子所處微觀層面上，單個粒子一方面難以與周圍環(huán)境分離，另一方面是一旦與周圍環(huán)境相互作用，隨即失去量子特性；另外，如果兩個粒子相互作用，即使兩者分離，互動作用會繼續(xù)存在。瑞典皇家科學(xué)院也認為，單個粒子很難從周圍環(huán)境中隔離觀測，一旦它們與外界發(fā)生交互，通常會失去神秘的量子性質(zhì)，從而無法觀測到量子物理學(xué)中很多奇特現(xiàn)象。
　　相當(dāng)長一段時期內(nèi)，量子物理學(xué)理論所預(yù)言的諸多神奇現(xiàn)象，難以在實驗室環(huán)境下直接“實地”觀測和驗證，只存在于研究人員的“思維實驗”中。
　　評委會認定，兩位諾貝爾獲獎?wù)摺伴_啟量子物理學(xué)實驗新時代的大門，顯示不必損毀量子粒子個體，就可以直接觀測它們”。
　　兩位獲獎?wù)叩膶嶒灧椒ㄓ泻芏嘞嗨浦?，瓦恩蘭困住帶電原子或離子，通過光或光子來控制和測量它們；而阿羅什卻讓原子通過一個陷阱，從而控制和測量被困光子和光的粒子。
　　微觀與宏觀世界有何不同
　　物理世界分成宏觀和微觀兩個層面，宏觀是人眼能見到，能夠操縱的現(xiàn)實世界，而微觀層面則由極小無比的量子構(gòu)成，在微觀世界中的量子，有著宏觀世界無法想象的特性。
　　對此，物理學(xué)界有一個很著名的說法：“薛定諤的貓”，是關(guān)于量子理論的一個理想實驗的體論。其中，貓相當(dāng)于微觀世界里的量子，可以同時存在于兩個不同的狀態(tài)中，如“死”與“活”，只有進入宏觀世界時，這種狀態(tài)才會被打破。
　　在量子世界中，量子可以同時處于A地和B地，但在宏觀世界中，一個人無法同時存在于左邊的屋子和右邊的屋子里。
　　目前，獲獎的物理學(xué)家就在挑戰(zhàn)這種極限，試圖在微觀和宏觀之間掛鉤，物理學(xué)家們的想法是，把微觀的系統(tǒng)盡可能做大，先控制一個離子的疊加狀態(tài)，然后控制幾個，再幾十個，希望有朝一日，能夠足夠大到進入宏觀層面。
　　如何在微觀世界“捕粒子”
　　法國與美國的這兩位科學(xué)家一同得獎，是因為他們有一個共同性，即能夠操縱微觀世界里的單個量子。戴維·瓦恩蘭所做的工作，是用激光冷卻帶電的離子，令其處于溫度極低的狀態(tài)，能量也降到最低，這樣，原先能量和狀態(tài)極其不穩(wěn)定的離子就被“囚禁”了，然后就可以用激光操縱這些單個離子的內(nèi)部狀態(tài)。
　　戴維·瓦恩蘭做的系統(tǒng)稱為“離子井”，就好像把離子陷在井里一樣，目前他在這項研究取得的成果，處于世界最高水平。
　　而獲獎的法國科學(xué)家塞爾日·阿羅什則采用了另一種方式，即微波為主，激光為輔的方式來操縱單個原子的量子狀態(tài)，其系統(tǒng)被稱為“微波槍”。
　　阿羅什與瓦恩蘭的研究成果能夠檢測、控制和計算粒子。以前，粒子被測量和操作只有理論上能夠辦到。畢竟單個粒子很難從周圍環(huán)境中隔離觀測，一旦它們與外界發(fā)生交互，通常會失去神秘的量子性質(zhì)，使得量子物理學(xué)中很多奇特現(xiàn)象無法觀測到。
　　兩位獲獎?wù)咄ㄟ^實驗，能夠直接觀察單個粒子卻不對其產(chǎn)生破壞，開辟了量子物理學(xué)實驗領(lǐng)域的新時代。
　　量子光學(xué)研究向應(yīng)用發(fā)展
　　量子光學(xué)領(lǐng)域自上世紀80年代之后開始迅速發(fā)展。塞爾日·阿羅什和戴維·瓦恩蘭兩位獲獎?wù)咴谶@一領(lǐng)域均研究多年，兩位獲獎?wù)呤状巫屵@個領(lǐng)域的研究向應(yīng)用層面發(fā)展，讓新一代的超級量子計算機的誕生有了初步的可能。
　　科學(xué)界認為，下一代計算機將是建立在量子層面的，它將比傳統(tǒng)的計算機數(shù)據(jù)容量更大，數(shù)據(jù)處理速度更快。未來的量子計算機，將徹底改變我們的日常生活，實現(xiàn)對當(dāng)今的經(jīng)典計算機“史無前例的超越”。
　　這些研究也在極端精準(zhǔn)的光子鐘領(lǐng)域有著重大貢獻。光子鐘是世界上最精準(zhǔn)的鐘，比目前的最精準(zhǔn)的銫原子鐘還要精確好幾百倍。這種精密測量技術(shù)將對未來的“時間”概念提出新的標(biāo)準(zhǔn)。
　　這些研究成果還將在航空航天、GPS導(dǎo)航和軍事國防等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。現(xiàn)今，我國的量子光學(xué)在某些方面處于世界領(lǐng)先水平，如實現(xiàn)了量子層面較遠距離的“瞬間轉(zhuǎn)移”，但采用的技術(shù)總體上還較為簡單，不過有些大學(xué)已經(jīng)開始引入“離子井”這樣復(fù)雜高尖端的系統(tǒng)。（摘編自《新京報》）
　　檔案：
　　塞爾日·阿羅什是法國人，現(xiàn)居巴黎，1944年9月11日出生于摩洛哥，1971年他從法國第六大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為法蘭西學(xué)院教授兼量子物理學(xué)會主席，同時他也是法國、歐洲和美國物理學(xué)會會員。阿羅什的獲獎，使法國獲得諾貝爾獎的科學(xué)家達到了55人。阿羅什主要研究領(lǐng)域是量子光學(xué)和量子信息科學(xué)。
　　戴維·瓦恩蘭是美國物理學(xué)家，1944年出生于美國密爾沃基。1970年，他從哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位。現(xiàn)供職于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院和科羅拉多大學(xué)波爾得分校。瓦恩蘭現(xiàn)為美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院離子儲存組組長。
　　鏈接：
　　粒子是指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組分。最早被發(fā)現(xiàn)的粒子是電子和質(zhì)子，1932年又發(fā)現(xiàn)中子，確認原子由電子、質(zhì)子和中子組成，比起原子，是更為基本的物質(zhì)組分，于是稱之為基本粒子。后來被發(fā)現(xiàn)的粒子種類越來越多，累計已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢；此外這些粒子中有些粒子迄今的實驗尚未發(fā)現(xiàn)其有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，有些粒子實驗顯示具有明顯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?？磥磉@些粒子并不屬于同一層次，因此基本粒子一詞已成為歷史，如今統(tǒng)稱之為粒