操纵和测量单个量子态_2012年诺贝尔物理学奖简介_郭文祥

ｒ ｉ ｅ ｆ Ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｎ ｏ ｂ ｅ ｌ Ｐ ｒ ｉ ｚ ｅ Ｂ
子， 但它的能级因为动态 斯 塔 克 效 应 而 变 化 。 这 种 相 位 偏移的符号 ， 取决于原子是｜↓＞ 态还是 ｜↑＞ 态导致 的 原子和场的纠缠
［ ９］
Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ Ｖ ｏ ｌ ． ３ ４ Ｎ ｏ ． ６ ｆ
１ ６］ 环境参与时 量 子 猫 的 状 态 ［ 。他们分别设计了创新实
阿罗什和同事提出了非破坏性 测 量 腔 中 光 １ ９ ９ ０年， 子数 目 的 方 法 法
［ １ １ １ ２］ － ［ １ ０］
４ 卷第 ６ 期 自 然 杂 志 第３
诺贝尔奖简介
５］ 。 自由度 ［
态） 受到激光 脉 冲 的 控 制 ； 右图是一个高品质微波谐振 腔中的一个 （ 或几个 ） 光子 ， 让处于高能激发态的铷原子 通过 空 腔， 与 光 子 发 生 相 互 作 用， 就可以测量和控制这 些光子的场状态 。
关键词 非破坏性测量 量子光学 量子操控 ） 与美国科学家大卫 · 维因兰德 （ ） 分 ８ 岁的法国科学家塞尔日 · 阿罗什 （ Ｓ ｅ ｒ ｅ Ｈ ａ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ Ｄ ａ ｖ ｉ ｄ Ｊ ．Ｗ ｉ ｎ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ 同为 ６ ｇ 享了 ２ 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 ” 。 在 量 子 世 界 中 ， 粒 子 行 ０ １ ２ 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 。 通 过 巧 妙 的 实 验 方 法 ， 阿罗什和维因兰德的研究小组 颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测的看法 。 成功地实现对单个量子态的测量和控制 ， 诺 贝 尔 物 理 学 奖 揭 晓。 瑞 ０ １ ２年１ ０ 月 ９ 日 下 午， ２ 典皇家科学院 诺 贝 尔 奖 评 审 委 员 会 将 奖 项 授 予 量 子 光 学领域的两 位 科 学 家 — — —法 国 物 理 学 家 塞 尔 日 · 阿 罗 什与美国物理学 家 大 卫 · 维 因 兰 德 ， 以奖励他们“ 提出 使测量 和 操 控 单 个 量 子 态 成 为 可 了突破性的实验方法 ， 能” 。 图 １ 为科学家操控单个量子的漫画 。 组成世界 的 基 本 成 分 — — —原 子 （ 物 质） 和光子（ 光） 的运动由量子力学来描 述 。 这 些 粒 子 大 多 并 不 孤 立 ， 而 是与环境进 行 强 烈 的 相 互 作 用 。 然 而 粒 子 系 统 的 运 动 则与孤立粒子不同 ， 常常 可 以 用 经 典 物 理 学 来 描 述 。 量 子力学领域一开始的时候 ， 物理学家只能使用思想实验 去简化情况 ， 并预测单个量子粒子的行为 。 另 一 种 实 验 方 法 中， 光子被囚 位操 纵 和 观 察 单 个 离 子； 禁在谐振腔中操纵 ， 通过巧妙 设 计 的 实 验 可 以 在 不 破 坏 状态的情况 下 观 测 到 与 原 子 相 互 作 用 的 腔 中 光 子 。 这 些技术使科学 家 们 验 证 量 子 力 学 的 基 本 原 理 和 微 观 与 宏观世界之间的转变不再只依靠思想实验 。 通过非破坏性直接观测单个量子系统 ， 阿罗什和 维 因兰德拉开 了 量 子 物 理 学 新 时 代 的 大 幕 。 通 过 巧 妙 的 实验方法 ， 他们成功地测量并操纵了非常脆弱的量子 态， 他们的工作为制造新型超 高 速 量 子 计 算 机 迈 出 了 坚 实的第一步 。 这种方法也可 以 用 来 制 造 极 精 准 时 钟 ， 用 于未来的 新 的 时 间 标 准 ， 这将比现有的铯原子钟精确 百倍 。 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 的 研 究 工 作 。 这 个 领 域 从 ２ ０世纪８ ０ 年代 中 期 开 始 有 飞 跃 性 的 发 展。 图 ２ 为 如 何 控 制 独 立 量子系统的 科 学 背 景 图 解 。 左 图 显 示 了 谐 振 阱 中 的 一 个离子 （ 铍离子 ） ， 它的量子态（ 包括固有属性和运动状
可以传递到另一个与第一个 离 子 相 同 振 动 态 的 离 子 ， 这 由Ｂ ｌ ａ ｔ ｔ及其合 作 者 于 ２ ０ ０ ３年在奥地利因斯布鲁克大
８］ 学实现了 ［ 。这 项 技 术 被 维 因 兰 德 和 合 作 者 广 泛 应 用
以判断离子所处的量子态 。
并且它还是基于囚禁离子的 于退相干测量和光学时钟 ， 量子逻辑门的基础 。
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： ／ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ９ ６ ９ ９ ６ ０ ８． ２ ０ １ ２． ０ ６． ０ ０ ４ ． ｉ ｓ ｓ ｎ． ０ ２ ５ ３ － ｊ
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操纵和测量单个量子态 — — — ２ ０ １ ２ 年诺贝尔物理学奖简介 ＊
郭文祥 ① 刘伍明 ②
清华大学物理系 ， 北京 １ 中国科学院物理研究所 ， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４； ０ ０ １ ９ ０ ① 本科生 ， ② 研究员 ， ） ； 中国科学院战略性先导科技专项 （ ） ２ ０ １ １ Ｃ Ｂ ９ ２ １ ５ ０ ０ ＸＤＡ ０ ４ ０ ７ ２ ８ ０ ０ ＊ 量子调控国家重大科学研究计划 （
·３ ３ ３·
控制离子量 子 态 的 重 要 一 步 是 用 边 带 冷 却 技 术 把
３ ４］ － 离子冷却到势阱 的 最 低 能 量 ［ 。图４显示了两种不同
电子能级囚 禁 离 子 的 几 个 振 动 态 。 这 项 技 术 由 激 发 离 子， 提高内能和减少振动 能 这 三 个 步 骤 组 成 。 这 是 用 频 率为 ω０ —ων 的窄带激光处理 ， 其中 ων 代表阱中两种振 动模式的频率差 ， 也就是说激光频率是 ω０ 是 原 子 频 率 ， 两种电子能 级 的 离 子 之 间 的 频 率 差 。 激 发 离 子 优 先 向 振动量子数相同的态衰 变 。 这 减 少 了 离 子 能 量 ， 并让离 子逐渐冷却到振动量子数 ν＝０ 的 状 态 。 这 项 由 维 因 兰 德及其同事开 发 的 技 术 允 许 控 制 离 子 内 部 和 外 部 两 种
１ ２］ － 定［ 。 如图 ３ 通 过 观 察 铍 离 子 发 出 的 荧 光 的 颜 色 ， 可
图 ４ 边 带 冷 却 原 理
另一个突破 是 发 展 把 电 子 量 子 叠 加 态 转 化 成 阱 中
６］ 振动量子叠加态的技 术 ［ ， 这项技术的灵感来自于 Ｃ ｉ ｒ － ［］ ａ ｃ和 Ｚ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ在 １ ９ ９ ５ 年的理论提议 ７ 。 这种量 子 叠 加 态
图 ５ 用 Ｒ ｄ ｂ ｅ ｒ ｙ ｇ 原子研究微波场的实验装置
因为量子叠加 态 对 环 境 作 用 非 常 敏 感 以 至 于 丝 毫 观 察 塌缩” 到出现死或者活两种状态中的 猫的意图会让猫 “ 一种 。 在薛定谔看来 ， 这个思 想 实 验 导 致 了 一 个 荒 谬 的 结论 。 据说后来他为让量子力学如此混乱而道歉 。 ２ ０ １ ２ 年的两位物 理 学 奖 获 得 者 能 够 映 射 到 当 外 界
他写下 ： “ 我们从来 试图理解和阐释这些现象 。１ ９ ５ ２年， 没有用一个电子 、 原子或 者 其 他 分 子 做 过 实 验 。 在 思 想
［ １ ５］ 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 薛定谔的 猫 被 放 在 一 个 与 周 围 环 境 关于猫的思想实验 ： 完全隔离的箱子内 （ 图６ ） 。 这个箱子内有一 瓶 致 命 的 氰 化物 ， 还有一些处于激发 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 正 在 冒 着 杀 死 这 只 猫 的 风 险，
１ 控制势阱中的单个离子
这个研究领 域 开 始 于 ２ ０世纪７ ０年代开发的用于 捕获带电粒 子 的 技 术 。 保 罗 （ ） 和德默尔特（ Ｐ ａ ｕ ｌ Ｄ ｅ ｈ － ） 因“ 发展离子 阱 技 术 ” 获得１ ｍ ｅ ｌ ｔ ９ ８ ９ 年 诺 贝 尔 物 理 奖。 离子阱是结合静电场和振荡 电 场 在 超 高 真 空 中 建 立 的 。 有的离子阱只有一个离子被 捕 获 ， 也有线性离子阱是几 而且 个离子分布在一列上 。 被捕 获 的 离 子 会 进 行 振 荡 ， 离 子 有 两 种 量 子 能 级： 低温时振荡 是 量 子 化 的 。 因 此 ， 描述离子阱中运 动 的 振 动 模 式 （ 也叫外部态） 和描述离 子内部量子 态 的 电 子 能 级 。 这 些 能 级 可 以 通 过 光 吸 收 或发射耦合 ， 并 产 生 一 个 双 光 子 过 程， 叫 拉 曼 跃 迁。 因 此离子可以通 过 激 光 激 发 产 生 强 烈 光 散 射 的 光 学 转 换 而观测 。 这 种 现 象 可 以 被 眼 睛 或 用 Ｃ Ｃ Ｄ 相机直接观 测 。 此外 ， 离子的内部状态可 以 通 过 观 察 量 子 跃 迁 而 确
图 ３ ３ 个 阱 中 铍 离 子 发 出 的 荧 光 图
环绕地球一周 。 腔中的场用 Ｒ 图５ ） 。 这种 ｄ ｂ ｅ ｒ ｙ ｇ 态铷原子来探测 （ 原子非常大 ， 半径约 １ 并与腔中场进行强烈的耦 ２ ５ ｎ ｍ， 合 。 从能级 ｎ＝５ （ 到 ｎ＝５ （ 的跃迁几乎 ０ １ ｜↓＞ ） ｜↑＞ ） 与腔中微波场有相同频 率 （ ） 。腔 Ｒ ５ １ ＧＨ ｚ １ 和腔 Ｒ ２ 用 来制造和分析｜↓＞ 态和 ｜↑＞ 态之间的受控量子叠 加 ， 选择性离子化检测器 （ 检 测 原 子 状 态， 相干源产生的 Ｄ） 光子通过波 导 与 腔 耦 合 。 原 子 依 次 地 一 个 个 用 控 制 的 速度送入空腔中 ， 因此它们与 腔 的 相 互 作 用 时 间 也 是 被 控制好的 。 在阿罗什小组所 做 的 大 多 数 实 验 中 ， 原子和 场仅有稍微 不 同 的 频 率 。 腔 中 穿 过 的 原 子 并 不 吸 收 光