解析2012诺贝尔物理学奖
发布时间：2012-10-9 23:07
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北京时间10月9日下午5点45分，2012年诺贝尔物理学奖揭晓，法国科学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)与美国科学家大卫·维因兰德(David Wineland)获奖。获奖理由是“发现测量和操控单个量子系统的突破性实验方法”。二人将平均分享800万瑞典克朗奖金。 
大卫·维因兰德（David J. Wineland），美国公民。1944年出生于美国威斯康星洲密尔沃基。1970年从哈佛大学获得博士学位。现供职于美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学波尔得分校。 量子世界里的粒子控制 量子光学将有助于未来开发出速度更快的计算机处理器、更好的通信设备和更加精确的时钟。 法国科学家塞尔日•阿罗什与美国科学家大卫•维因兰德通过不同的方式独立的开发并拓展出对单个粒子进行测量和操控的方法,同时保留个体粒子的量子力学性质不变。研究方法上，大卫•维因兰德利用了光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子。而塞尔日•阿罗什则采取了相反的方法：他通过发射原子穿过陷阱，控制并测量了捕获的光子或光粒子。 尽管经典物理学能够描述电流或光束的行为，但是这些定律已经不再适合测量单个原子、电子或光子。在这种情况下，一套新的定律，量子力学开始“接手”。随着IT行业开始更加密集地对芯片进行封装，这一理论的重要性也日益突显。未来将用原子或电子存储每个比特，同时光纤通信系统速度也将变得更为迅速，届时每个光脉冲将由几个光子组成。 在研究量子现象时，研究者需要面对大量挑战，包括隔离单个粒子，在不影响或破坏个体粒子的情况下对它们的量子行为进行观察和测量。阿罗什和维因兰德率先解决了这些问题，为研发新一代计算机迈出了第一步。这类计算机何时出现在市场上并不是一个问题。 瑞典皇家科学院宣布了2012诺贝尔物理学奖后，阿罗什在接受记者电话采访时称：“我也不知道。我们正在做的是基础性研究。我们正在研究尝试理解事物在量子级别的行为方式。目前还有许多的研究，在起步阶段我们无法预测到最后的应用情况。它们就和激光以及核磁共振一样。量子系统的操控也属于相同的类型的物理学。” 最初，激光仅被用于测距和创建全息图，而现在激光还被广泛地用于CD播放器、远距离通信。核磁共振最初被视为一种根据原子的磁特性识别单个原子的方式，但是后来成为了磁共振成像的基础，MRI扫描设备也被用于诊断众多疾病。 在谈及自己的研究时，阿罗什称：“在基础阶段还有许多事情要研究。目前人们也很难想象它们未来众多的潜在应用。未来可能会出现量子计算机、量子模拟器，或是量子通信系统” 在维因兰德的研究方面，量子光学将使得未来量子时钟的精确度比目前原子钟高100倍。 阿罗什称：“它们将以更高的精确度测量重力移动。在地质或地震探测中，量子时钟可用于测量重力场的异常现象。” 塞尔日·阿罗什和大卫·维因兰德独立地发明并拓展出能够在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行测量和操控的方法，而这在之前被认为是不能实现的。 在不破坏单个量子粒子的前提下实现对其直接观测，两位获奖者以这样的方式为量子物理学实验新纪元开辟了一扇大门。对于单个光子或物质粒子来说，经典物理学定律已不再适用，量子物理学开始“接手”。但从环境中分离出单个粒子并非易事，而且一旦粒子融入外在世界，其神秘的量子性质便会消失。因此，许多通过量子物理学推测出来的现象看似荒诞，也不能被直接观测到，研究人员也只能进行一些猜想实验，试图从原理上证明这些荒诞的现象。 通过巧妙的实验方法，阿罗什和维因兰德与研究小组一起成功地实现对量子碎片的测量和控制，颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测到的看法。这套新方法允许他们检验、控制并计算粒子。 他们的方法大同小异。大卫·维因兰德是利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子。 塞尔日·阿罗什采取了相反的方法：通过发射原子穿过阱，他控制并测量了捕获的光子或光粒子。 两位获奖者均在量子光学领域研究光与物质间的基本相互作用，这一领域自1980年代中期以来获得了相当多的成就。他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步。就如传统计算机在上世纪的影响那样，或许量子计算机将在本世纪以同样根本性的方式改变我们的日常生活。极端精准的时钟在他们研究的推动下应运而生，有望成为未来新型时间标准的基础，而其精准度超越现代铯时钟百倍以上。 10月9日，同为68岁的法国科学家塞尔日•阿罗什与美国科学家大卫•维因兰德分享了2012年诺贝尔物理学奖。他们的突破性研究，让原本神秘的量子世界不再“与世隔绝”。 与人们熟知的世界截然不同，自然界还存在着另类世界，被称为量子世界。在量子世界中，粒子行为不遵从经典物理学规律，人类对量子的观测更是难上加难。 而通过巧妙的实验方法，阿罗什和维因兰德的研究小组成功地实现对单个量子系统的测量和控制，颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测的看法。 提高人类对物质的操控能力 “这是两种开创性的技术，后来都发展成为量子研究领域新的研究手段和实验技术。” 中科院院士、中科大量子信息重点实验室主任郭光灿在接受记者采访时说。 阿罗什的工作是打造出一个微波腔，借助单个原子在微波腔中会辐射或吸收单个光子的特性，实现了操纵单个光子。而维因兰德则制造出了一个离子阱，先用光来俘获离子，然后用激光冷却离子，进而对离子进行测量和控制。 “在科学上，他们的研究标志着人类对物质的操控能力大大提高了。”中科院院士潘建伟在接受记者采访时评价，“具备这一能力后，量子计算和精密测量便有了变为现实的可能性。”比如，用于制造卫星导航、飞机上GPS所需要的精确时钟。 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室教授张天才对记者说，这些实验方法在单原子、单离子和单光子的水平上深刻地揭示了微观量子世界的许多奇异性质，开辟了操控和测量单量子系统的方法，在精密测量、量子信息和量子控制中具有重要应用。 与获奖科学家有合作 2000年，郭光灿和学生在《物理评论》上发表了一篇理论文章，阿罗什很快发现了这篇文章，并在2001年用此次获奖的实验方法证明了这个理论。 “实验成功之后，阿罗什在发给我的一封电子邮件中说：‘很高兴在实验上把你们的方案做出来。’”郭光灿告诉记者，后来，他的学生还有两篇理论文章同样被阿罗什小组用实验证明。随后，这名学生还被阿罗什邀请去法国访问学习了一段时间。 张天才说，国内最近几年也有若干大学和研究机构开展了单量子系统操控和腔量子电动力学方面的理论和实验研究，并取得了重要进展。“国内很多从事量子光学研究的单位与阿罗什所在的法国巴黎高师有多年的密切合作交流关系。” 提到两位获奖的科学家，潘建伟称，他在奥地利留学时便结识了阿罗什。“他是一位温文尔雅的科学家，而维因兰德则更具备美国西部牛仔的气质。” 中国更需原创 “目前，国家自然科学基金委和科技部都有相关项目支持这方面的理论和实验研究。”张天才告诉记者。 近年来，我国科学家在整个量子信息领域的研究都取得了长足进步。今年6月，潘建伟团队在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础。 不过，在探讨到两位获奖科学家的成就时，中科院院士孙昌璞对《中国科学报》记者直言：“在量子研究领域，目前中国的实验水平已经很高了，但相比两位获奖者的成果，因为中国用的都是商业化设备，所以在实验方法和技术上，很难有真正原创性的创新。” 法美科学家让量子从“虚”变“实” 在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子。然而，当人类深入探究量子世界时却陷入了“泥沼”：单个粒子一旦与外部世界发生互动，就会丧失它们神奇的量子特性。因此，量子物理预言的许多现象无法被直接观测。这一窘境直到上世纪80年代才因两位科学家的工作得以改变。 与获奖科学家有合作 2000年，郭光灿和学生在《物理评论》上发表了一篇理论文章，阿罗什很快发现了这篇文章，并在2001年用此次获奖的实验方法证明了这个理论。 “实验成功之后，阿罗什在发给我的一封电子邮件中说：‘很高兴在实验上把你们的方案做出来。’”郭光灿告诉记者，后来，他的学生还有两篇理论文章同样被阿罗什小组用实验证明。随后，这名学生还被阿罗什邀请去法国访问学习了一段时间。 张天才说，国内最近几年也有若干大学和研究机构开展了单量子系统操控和腔量子电动力学方面的理论和实验研究，并取得了重要进展。“国内很多从事量子光学研究的单位与阿罗什所在的法国巴黎高师有多年的密切合作交流关系。” 提到两位获奖的科学家，潘建伟称，他在奥地利留学时便结识了阿罗什。“他是一位温文尔雅的科学家，而维因兰德则更具备美国西部牛仔的气质。” 中国更需原创 “目前，国家自然科学基金委和科技部都有相关项目支持这方面的理论和实验研究。”张天才告诉记者。 近年来，我国科学家在整个量子信息领域的研究都取得了长足进步。今年6月，潘建伟团队在国际上首次成功实现百公里量级的自由空间量子隐形传态和纠缠分发，为发射全球首颗“量子通讯卫星”奠定了技术基础。 不过，在探讨到两位获奖科学家的成就时，中科院院士孙昌璞对《中国科学报》记者直言：“在量子研究领域，目前中国的实验水平已经很高了，但相比两位获奖者的成果，因为中国用的都是商业化设备，所以在实验方法和技术上，很难有真正原创性的创新。” 法美科学家让量子从“虚”变“实” 在微观领域中，某些物理量的变化是以最小的单位跳跃式进行的，而不是连续的，这个最小的基本单位叫做量子。然而，当人类深入探究量子世界时却陷入了“泥沼”：单个粒子一旦与外部世界发生互动，就会丧失它们神奇的量子特性。因此，量子物理预言的许多现象无法被直接观测。这一窘境直到上世纪80年代才因两位科学家的工作得以改变。 “不可想象”的突破 当天上午，瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克在皇家科学院会议厅宣读了获奖者名单及其获奖成就。他说，这两位物理学家用突破性的实验方法使单个粒子动态系统可被测量和操作。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质，这一物理学研究的突破在之前是不可想象的。 随后，诺贝尔物理学奖评选委员们介绍了获奖者的研究成果。他们说，通过巧妙的实验方法，阿罗什和瓦恩兰的研究团队都成功地测量和控制了非常脆弱的量子态，这些新的实验方法使他们能够检测、控制和计算粒子。 单个粒子极难俘获 在基本粒子所处微观层面上，单个粒子一方面难以与周围环境分离；另一方面是一旦与周围环境相互作用，随即失去量子特性；另外，如果两个粒子相互作用，即使两者分离，互动作用会继续存在。瑞典皇家科学院也认为，单个粒子很难从周围环境中隔离观测，一旦它们与外界发生交互，通常会失去神秘的量子性质，使得量子物理学中很多奇特现象无法被观测到。 相当长一段时期内，量子物理学理论所预言的诸多神奇现象难以在实验室环境下直接“实地”观测和验证，只存在于研究人员的“思维实验”中。 评委会认定，两人“开启量子物理学实验新时代的大门，显示不必损毁量子粒子个体，就可以直接观测它们”。 两位获奖者的实验方法有很多相似之处，瓦恩兰困住带电原子或离子，通过光或光子来控制和测量它们；而阿罗什却让原子通过一个陷阱，从而控制和测量被困光子和光的粒子。 让光与物质“起舞” 法国物理学家塞尔日·阿罗什在他个人网页上说，接到电话时，“我一看……瑞典的号码，我就知道好事来了”。“这是个惊喜！”这是他最初获知得奖的反应。 如果用“让光与物质起舞”来形容两位获奖者的工作，并不为过。复旦大学物理系教授沈健介绍，两位科学家的研究有许多共通之处——都是光与物质在微观世界中的相互作用，但“方向”却截然相反。戴维•瓦恩兰在真空和超低温条件下，巧妙使用激光束和激光脉冲制造出“陷阱”，来俘获单个带电离子，让它陷于其中难动分毫，而后以光为尺，对其进行观测、操控。塞尔日•阿罗什则反其道而行之。他以特制的两个镜面做成“腔”装置，当微波光子通过时，在两面镜子之间高速反弹，在腔中停留时间达0.1秒。如此，光子被牢牢控制住后，再派原子进去“巡逻探查”，以此掌握单个光子在量子态下的运动。 为量子计算机奠基 今年的获奖项目与普通大众生活有怎样的关系？戴维•瓦恩兰在4年前就回答了这个问题。 《囚禁离子，实现量子计算》是他2008年与人合撰的一篇科普文章。文章第一段这样写道：“计算机性能日益提高，芯片尺寸却越来越小，或许很快就会达到物理极限——每个元件仅由单个原子构成。不过，这绝非计算机发展的尽头，而是新型量子计算机发展的起点。” 上海交通大学零聚态物理研究所朱卡的教授解释，两位诺奖得主在观测、操控单个粒子领域的突破性实验方法，使得整个学界迈出了建立新型超快量子计算机的第一步。具体来说，传统的电脑芯片用到的是电荷效应等，而量子计算机的原理在于利用原子等粒子的量子态特性，获得“指数级别”增长的运算速度，以及更小的整体体积，伴随而来的则是更低的能源消耗。试想一下，今后的计算机将以原子、离子为计算单位，以光来调控，那无疑是计算机的革命性发展。 研究成果亦敌亦友 在复旦大学物理系吴咏时教授看来，此次两位获奖者的研究，既是“朋友”，也是“敌人”。他们的工作共同迈出了量子态研究的第一步，但在应用领域，两者又存在绝对的竞争关系。他说，通常来说，数字信息处理的单元叫做比特，无论是用原子探查光，还是用光捕获离子，研究的对象都是可用作量子比特的单个原子或离子系统。但真正进入量子计算机的构建阶段，两个方法只能择其一。因此，这次并肩获奖的两位专家，也可以说是“对立”的。 值得关注的是，至今为止的100多届诺贝尔物理学奖中，像今年这样“似敌似友”的，尚属首次。专家认为，这在某种程度上反映出当前科学研究的发展态势，“一个人拍脑袋”的时代已经远去，团队协力、多点开花，正越来越成为人类科学探索的选择。 ■ 影响 两位获奖者首次让量子光学的研究向应用发展 超级量子计算机诞生现曙光 两位科学家的研究为新一代超级量子计算机的诞生提供了可能性。 量子光学领域主要从上世纪80年代之后开始迅速发展。来自法国和美国的两位获奖者都在这一领域研究多年。 诺贝尔物理学奖评审委员会认为，两位获奖者首次让这个领域的研究向应用层面发展，让新一代的超级量子计算机的诞生有了初步的可能。 科学界认为，下一代计算机将是建立在量子层面的，它将比传统的计算机数据容量更大，数据处理速度更快。 此外，评委会还表示，两位获奖者也在极端精准的光子钟领域有着重大贡献。光子钟是世界上最精准的钟，比目前的最精准的铯原子钟要精确好几百倍。 今年物理学奖的获奖者都是实验物理学家。中科院高能物理研究所院士陈和生对记者介绍，物理学奖得主中，从事理论或实验研究的都有。此前，华人科学家丁肇中就是凭借实验物理而获得了诺贝尔奖，而李振道和杨振宁则凭借理论研究获得诺奖。 在物理界，理论和应用互补，理论学家通过计算得出假设，实验物理学家继而进行验证，或者，实验物理学家在实验中发现了一个现有假设无法解释的现象，再由理论学家对其进行分析解释，发展理论。 中科院量子信息重点实验室教授周正威说，我国的量子光学在某些方面世界领先，如实现了量子层面较远距离的“瞬间转移”，但采用的技术总体上还较为简单，不过也有些大学开始引入“离子井”这样复杂高尖端的系统。 ■ 释疑 微观与宏观世界如何不同？ 中科院量子信息重点实验室教授周正威介绍，物理世界分成宏观和微观两个层面，宏观是人眼能见到，能够操纵的现实世界，而微观层面则由极小无比的量子构成，在微观世界中的量子，有着宏观世界无法想象的特性。 对此，物理学界有一个很著名的说法：“薛定谔的猫”，其中，猫相当于微观世界里的量子，可以同时存在于两个不同的状态中，如“死”与“活”，只有进入宏观世界时，这种状态才会被打破。 周正威解释，在量子世界中，量子可以同时处于A地和B地，但在宏观世界中，一个人无法同时存在于左边的屋子和右边的屋子里。 “量子这种叠加状态，用人类的一般意识是无法说清楚的。” 他说，目前获奖的物理学家就在挑战这种极限，试图在微观和宏观之间挂钩，“他们的想法是，把微观的系统尽可能做大，先控制一个离子的叠加状态，然后控制几个，再几十个，希望有朝一日，能够足够大到进入宏观层面。” 如何在微观世界“捕粒子”？ 中科院量子信息重点实验室教授周正威说，法国与美国的这两位科学家一同得奖，是因为他们有一个共同性，即能够操纵微观世界里的单个量子。 他解释，戴维•瓦恩兰所做的工作，是用激光冷却带电的离子，令其处于温度极低的状态，能量也降到最低，这样，原先能量和状态极其不稳定的离子就被“囚禁”了，然后就可以用激光操纵这些单个离子的内部状态。 他表示，戴维做的系统称为“离子井”，“就好像把离子陷在井里一样，他的组是现在世界上这块做得最好的。” 而获奖的法国科学家则采用了另一种方式，即微波为主，激光为辅的方式来操纵单个原子的量子状态，其系统被称为“微波枪”。 ■ 人物 塞尔日•阿罗什 塞尔日•阿罗什是法国人，现居巴黎，1944年9月11日出生于摩洛哥，1971年他从法国第六大学获得博士学位，现为法兰西学院教授兼量子物理学会主席，同时他也是法国、欧洲和美国物理学会会员。阿罗什的获奖，使法国获得诺贝尔奖的科学家达到了55人。阿罗什主要研究领域是量子光学和量子信息科学。 戴维•瓦恩兰 戴维•瓦恩兰是美国物理学家，1944年出生于美国密尔沃基。1970年，他从哈佛大学获得博士学位。现供职于美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学波尔得分校。瓦恩兰现为美国国家标准与技术研究院离子储存组组长。 |
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