单个量子体系的测量与操控
单个量子体系的测量与操控
人类 追求 对光 的本 质 的 理解 ， 由来 已久． １ ８ １ ４ 年前 后 ， 夫 琅 禾 费 发 现 太 阳谱 线 （ Ｆ ｒ ａ ｕ ｎ ｈ ｏ ｆ ｅ ｒ
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物 理与 工程
（ 收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ － ０ １ — ０ ７ ）
摘 要 ２ ０ １ ２年 诺 贝尔 物理 学奖 已颁发 给 Ｓ ｅ ｒ ｇ ｅ Ｈａ ｒ ｏ ｃ ｈ ｅ和 Ｄ ａ ｖ ｉ ｄ Ｊ ．Ｗｉ ｎ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ， 表 彰他 们“ 开 拓 了测量 与操 控单个 量 子体 系 的 实验 方 法 ” ． 本 文从 近 代 量 子物 理 发 展 史 的角 度介 绍
Ｖｏ １ ． ２ ３ Ｎｏ ． １ ２ ０ １ ３
单 个 量 子 体 系 的 测 量 与 操 控
王 力 军
（ 清 华大 学物 理 系 ； 精 密仪 器 与机 械 学 系； 中国计量 科学 研 究院一 清 华大 学精 密测 量联合 实 验 室， 北京 １ ０ ０ ０ ８ ４ ）
ｉ ｎ ｌ ｉ ｇｈｔ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｈｉ ｓ ｔ ｏ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ ｄｅ ｖ ｅ ｌ ｏｐ ｍｅ ｎｔ ｏ ｆ ｑｕ ａ ｎｔ ｕ ｍ ｐｈ ｙｓ ｉ ｃ ｓ ．
Ｋｅ ｙ Ｗ ｏｒ ｄ ｓ ｑ ｕａ ｎｔ ｕ ｍ ｐｈｙ ｓ ｉ ｃ ｓ；ｑｕ ａ ｎ ｔ ｕｍ ｏｐｔ ｉ ｃ ｓ
量子力学中的测量问题新的思路和方法
量子力学中的测量问题新的思路和方法量子力学是一门研究微观世界的科学，它描述了原子和分子的运动及相互作用规律。
在量子力学中，测量是获取粒子位置、动量、能量等信息的过程。
然而，测量在量子力学中一直存在着许多挑战和问题，例如可观测量的选择性、测量后状态的坍缩等。
近年来，研究人员提出了一些新的思路和方法，用于解决量子力学中的测量问题。
1、量子非破坏性测量技术传统的测量方法会对量子系统产生影响，导致测量结果不准确。
为了解决这个问题，研究人员提出了量子非破坏性测量技术。
这种技术利用量子纠缠态和量子干涉效应，可以实现对量子系统的测量，而不对其状态产生显著的改变。
量子非破坏性测量技术对于量子通信、量子计算等领域有重要的应用价值。
2、基于弱测量的测量方法传统的测量方法往往要求测量器件与待测量子系统的相互作用强烈，这样会导致测量结果的不确定性增加。
近年来，研究人员提出了基于弱测量的测量方法。
这种方法通过减弱测量器件与待测量子系统的相互作用，可以获得更加精确的测量结果。
基于弱测量的测量方法为量子力学中的测量问题提供了新的思路，并已经在实验中取得了一些突破性的进展。
3、多粒子测量方法在传统的量子测量中，通常只对单个粒子进行测量。
然而，很多实际系统是多粒子系统，如量子计算中的量子比特数组。
为了解决多粒子测量问题，研究人员提出了一些新的方法。
这些方法通过将多粒子系统与辅助粒子相互作用，然后再对辅助粒子进行测量，从而实现了对多粒子系统的测量。
这种多粒子测量方法在量子信息处理等领域有广泛的应用前景。
4、测量问题的量子算法除了新的测量方法外，研究人员还提出了一些量子算法，用于解决量子力学中的测量问题。
这些算法可以通过量子计算的方式，实现对量子系统的测量，并获得更加准确的结果。
这些量子算法为量子力学中的测量问题提供了一种全新的解决途径。
总结起来，量子力学中的测量问题一直是研究的焦点和难点。
近年来，研究人员通过量子非破坏性测量技术、基于弱测量的测量方法、多粒子测量方法以及测量问题的量子算法等，提出了一些新的思路和方法。
量子力学中的观测和测量
量子力学中的观测和测量量子力学是描述微观世界行为的一种物理理论。
它迥异于经典力学，引入了一系列奇特的概念和原则，其中最著名的就是观测和测量。
在经典力学中，观测可以看作是对一个物理系统的状态做出的准确判断。
然而，在量子力学中，观测的概念变得更为复杂。
观测不仅仅是简单地获取系统的状态信息，还会对系统的状态造成不可逆的干扰。
根据量子力学的原理，一次观测会导致系统的态函数坍塌，从而使得后续的观测结果变得不确定。
换句话说，观测本身会改变观测对象的状态。
这种概念在量子力学中被称为“测量问题”。
测量问题是量子力学中一个基本但令人困惑的难题。
科学家们提出了各种假说和解释来解决这一困惑，但至今仍未取得一致的解决方案。
另一个与观测和测量相关的概念是“量子叠加态”。
量子力学中，一个粒子的状态并不是确定的，而是以一种叠加的形式存在。
例如，一个粒子既可以是粒子也可以是波动，既可以在一处也可以在多个地方。
这种叠加态只有在观测时才会坍缩成确定的状态。
观测和测量在量子力学中有着重要的意义。
一方面，观测可以揭示系统的真实状态，使我们能够更好地理解和解释微观世界的奇异行为。
另一方面，测量也是实验中不可或缺的一步，可以验证量子理论的预测并推动科学发展。
量子力学的观测和测量问题也引起了哲学家和科学家们的广泛关注。
观测与现实的关系一直是哲学领域探讨的热点问题之一。
早期的哲学家认为，观测实际上创造了现实，没有观测，现实就不存在。
这种观点被称为休谟主义，与量子力学的观测问题有着一定的相似性。
然而，休谟主义的观点在科学界并不被普遍接受。
量子力学的观测问题依然存在，但科学家们更多地倾向于将观测看作是揭示而非创造现实的过程。
观测只是我们与世界进行互动的一种方式，通过观测，我们能够更好地理解世界的行为规律。
总的来说，量子力学中的观测和测量问题是一个复杂而有趣的话题。
它挑战着我们对现实的理解，催生了许多哲学和科学的思考。
尽管科学家们尚未完全解决这个问题，但我们对量子世界的认知不断深化，相信在未来的探索中，我们会逐渐揭开这个谜团。
量子测量与观测理解量子态的本质
量子测量与观测理解量子态的本质量子测量与观测：理解量子态的本质在探索微观世界的奇妙旅程中，量子测量与观测是我们试图理解量子态本质的关键途径。
这一领域充满了神秘和挑战，不断激发着科学家们的好奇心和探索精神。
要理解量子测量与观测，首先得明白量子态的独特性质。
在经典物理学中，我们可以准确地知道一个物体的位置和动量。
但在量子世界里，却有着完全不同的规则。
量子态是一种叠加态，这意味着一个粒子可以同时处于多个状态，比如同时既在这里又在那里，直到被测量时才会“坍缩”到一个确定的状态。
想象一下，这就好像一个神秘的盒子，里面装着一个未知的东西，在你打开盒子之前，它处于多种可能性的叠加之中。
当你打开盒子进行观测时，它才会呈现出一种确定的样子。
那么，量子测量到底是如何进行的呢？这可不是像我们用尺子量东西那么简单。
测量过程本身会对量子态产生影响。
比如说，我们想要测量一个电子的位置，当我们用某种手段去探测它时，这个探测行为就会干扰到电子的状态，导致其量子态发生改变。
而且，量子测量的结果还具有不确定性。
这并不是因为我们的测量手段不够精确，而是量子世界的内在本质。
即使在完全相同的条件下进行多次测量，也可能得到不同的结果。
这种不确定性让很多人感到困惑，但它其实是量子世界的基本特征之一。
就像掷骰子一样，每次掷出的点数都是随机的，但又遵循着一定的概率规律。
在量子测量中，每个可能的测量结果都有一定的概率出现。
观测在量子力学中也扮演着极其重要的角色。
观测不仅仅是被动地获取信息，它还会主动地影响量子系统的状态。
这就是所谓的“观测者效应”。
举个例子，如果我们不去观测一个粒子的自旋，它就处于自旋向上和自旋向下的叠加态。
但一旦我们进行观测，它就会立刻确定为其中的一种状态。
那么，为什么观测会有这样神奇的效果呢？这至今仍然是一个没有完全解决的谜题。
一些科学家认为，观测导致了量子系统与周围环境的相互作用，从而使量子态坍缩。
但这种解释还存在很多争议和未解决的问题。
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖2012年物理学奖，由两位物理学家分享，他们是美国的大卫•维因兰德(David Wineland)和法国的塞尔日•阿罗什(Serge Haroche)。
获奖理由是他们创造的突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。
大卫•维因兰德(David Wineland, 1944—),出生于美国威斯康辛州密尔沃基。
1961年，从加州沙加缅度的恩忻娜高中(Encina High School)毕业。
进入加州大学柏克利分校读本科，1965年得到学士学位。
之后，他以优异成绩转入哈佛大学攻读博士学位，导师是诺曼•拉姆齐(1989年诺贝尔物理学奖得主)。
1970年获得博士学位。
之后加入汉斯•德默尔特(1989年诺贝尔物理学奖得主)的研究团队，在华盛顿大学做博士后。
1975年，美国国家标准技术研究所聘请他为物理研究员。
在那里，他成为离子储存团队的领导人。
应用激光冷却离子技术，该团队制做出至2012年为止最准确的原子钟，比铯-133原子钟的频率标准还要精确两个数量级。
塞尔日•阿罗什(Serge Haroche, 1944—)，出生于摩洛哥的卡萨布兰卡，法国公民。
1967年毕业于巴黎高等师范学校。
1971年从巴黎第六大学(皮埃尔与玛丽•居里大学)获得博士学位，进入法国国家科学研究中心工作。
1975年后先后任皮埃尔与玛丽•居里大学物理学教授、巴黎高等师范学校教授、法兰西大学教授、量子物理学会主席。
对于大众来说，2012年物理学最重大的发现应该是欧洲核子中4(CERN)运行的大型重子对撞机(LHC)发现了粒子物理学家们寻找了几十年的“希格斯玻色子”，因此，英国科学家皮特•希格斯(Peter Higgs)获得本年度的诺贝尔物理学奖似乎是“众望所归”。
但希格斯教授未获今年诺贝尔奖的原因也很容易理解：每年诺贝尔奖的提名在当年的2月份就截止了，而彼时尚未确定发现希格斯玻色子；其次，每一届诺贝尔物理学奖的获奖人数不超过三人，如果授予有关希格斯玻色子的工作，那么获奖名单实在难以确定一一在实验方面，数以千计的实验人员在大型重子对撞机前工作数年，理应是发现希格斯玻色子的最大功臣；在理论方面，最早提出关于标准粒子模型理论的是比利时理论物理学家弗朗索瓦•恩格勒(Francois Englert)和罗伯特•布罗特(Robert Brout),在随后半年里又有六位科学家相继发表了相关的论文，而皮特•希格斯则是第一个预言在这个理论当中存在着一个尚未发现的基本粒子的人，这些科学家都对希格斯玻色子的发现做出了重要贡献。
2012年诺贝尔物理学奖
2012年诺贝尔物理学奖：操纵单个量子粒子2012年诺贝尔物理学奖授予塞尔日•阿罗什和大卫•J•维因兰德，以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下，测量和操纵它们的方法。
他们的发明开辟了量子物理学的新时代；他们成功地观测到非常脆弱的量子态，在不破坏单个粒子的前提下直接观察它们的特性；他们的工作为制造新型超高速基于量子物理的计算机迈出了第一步。
也可以用来制造极精准时钟，用于未来的时间标准，比现有的铯原子钟精确百倍。
单个物质粒子包括光子，经典力学不适用，粒子表现出量子性。
然而长久以来，单个粒子不能从脱离周围环境直接观测到，科学家只能通过思想实验验证它奇异的表现。
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力的研究工作。
这个领域从20世纪80年代中期开始有飞跃性的发展。
他们的工作有很多相同之处。
大卫•维因兰德将带电原子或离子置于势阱中，控制并测量它们的光子。
塞尔日•阿罗什则相反，控制并测量势阱中的离子，通过势阱向离子注入光子。
在势阱中控制单个离子在科罗拉多州博尔德市，大卫•维因兰德维因兰德的实验室内，带电原子或离子被置于电场内的势阱中。
该实验在真空和低温条件下进行，使粒子远离热和辐射干扰。
维因兰德实验的一个秘诀是使用激光脉冲。
他用激光压制离子在势阱中的热运动，使离子停留在最低能量状态，从而观测势阱中离子的量子现象。
一个细致调节好的激光束可以使离子进入叠加态，该形态使一个离子同时存在于两种不同状态。
例如，一个离子可以同时处于两种能量值。
它开始处于较低能量的状态，激光的作用仅仅是向高能量状态轻轻推它，能够使它停留在两种状态的叠加中，进入任何一种状态有相等的可能性。
这样可以研究离子的量子叠加状态。
在势阱中控制单个光子塞尔日•阿罗什和他的研究小组采取不同的方法揭示神秘的量子世界。
在巴黎的实验室里，微波光子在相距3厘米的镜片之间反弹。
镜片用超导材料制作，被冷却到刚刚超过绝对零度。
量子电子学中的自旋操控技术
量子电子学中的自旋操控技术量子电子学是研究和利用电子的量子行为的学科，它在理论和应用方面都具有重要意义。
作为量子电子学研究的重点之一，自旋操控技术已经引起了学术界和产业界的广泛关注。
本文将介绍量子电子学中的自旋操控技术以及其在量子计算、量子通信以及量子传感等领域的应用。
自旋（spin）是粒子的固有属性之一，类似于一个旋转轴的概念。
与常见的自由度，如位置和动量不同，自旋是一个量子性质，其取值可以是半整数或整数。
在量子力学中，自旋与粒子的态密切相关，可以被看作是粒子的内禀自由度。
自旋操控技术就是利用外部电磁场等手段对自旋进行操纵和控制。
在量子计算方面，自旋操控技术被广泛应用于构建量子比特。
量子比特是量子计算的基本单位，可以用来表示和存储量子信息。
自旋操控技术可以通过施加射频脉冲、微波场以及静磁场等手段实现对自旋的操作，包括初始化、操作和读出。
这些操作可以用来构建量子门，并实现量子计算中的算法和任务。
自旋操控技术的发展为量子计算的实现提供了新的可能性，也加速了量子计算领域的研究和进展。
除了量子计算，自旋操控技术在量子通信中也具有重要应用。
量子通信是一种基于量子力学原理的通信方式，它可以实现信息的安全传输。
在现实的通信中，信息的传输往往受到窃听和篡改的威胁。
然而，量子通信通过量子纠缠和量子态的测量，可以实现量子比特的安全传输。
自旋操控技术可以用来生成、控制和测量量子比特的自旋态，从而实现量子通信中的安全传输和隐私保护。
此外，自旋操控技术还可以应用于量子传感领域。
量子传感是利用量子系统的特殊性质来实现高灵敏度和高精度的测量。
自旋操控技术可以用来操纵和探测量子比特的自旋态，从而实现对弱信号的敏感探测。
例如，自旋磁共振技术利用自旋与外部磁场的相互作用，可以实现对微弱磁场的高精度测量。
其他应用包括量子陀螺仪和量子加速计等。
在开展自旋操控技术的研究中，面临着一些挑战和困难。
首先，自旋与其它自由度之间的相互作用往往比较弱，需要借助外部手段实现精确的操控。
量子信息处理中的量子态测量与操控技术
量子信息处理中的量子态测量与操控技术在当今科技飞速发展的时代，量子信息处理作为一项前沿且具有巨大潜力的领域，正逐渐引起科学界的广泛关注。
其中，量子态测量与操控技术无疑是实现量子信息处理的关键环节。
要理解量子态测量与操控技术，首先得明白什么是量子态。
简单来说，量子态就像是一个微观世界里的“神秘存在”，它不同于我们日常生活中熟悉的经典状态。
在量子世界里，一个粒子可以同时处于多种状态的叠加，这种奇特的性质为量子信息处理带来了前所未有的可能性，但也给测量和操控带来了巨大的挑战。
量子态测量是获取量子系统信息的重要手段。
然而，与经典测量不同，量子测量会对量子态产生不可避免的干扰。
这是因为量子力学中的一个基本原理——测不准原理。
这个原理指出，我们不可能同时精确地测量一个粒子的位置和动量。
在量子态测量中，这种不确定性也同样存在。
例如，当我们测量一个量子比特（qubit）的状态时，它可能会从原本的叠加态“坍塌”到某个确定的状态，从而改变了系统的原始信息。
为了更精确地进行量子态测量，科学家们发展了多种技术。
其中，一种常见的方法是基于量子干涉的测量技术。
通过巧妙地设计量子系统的干涉路径，使得不同的量子态在干涉过程中产生不同的结果，从而实现对量子态的测量。
另外，还有基于量子纠缠的测量技术。
量子纠缠是指多个量子粒子之间存在一种特殊的关联，利用这种关联可以实现对量子态的间接测量，提高测量的精度和效率。
在量子态操控方面，科学家们同样取得了令人瞩目的进展。
量子态操控的目标是实现对量子系统状态的精确控制和改变。
这就好比在微观世界里“指挥”粒子按照我们的意愿行动。
实现量子态操控的方法有很多，其中之一是利用外部场对量子系统进行调控。
例如，通过施加电磁场可以改变量子粒子的能级结构，从而实现对量子态的操控。
还有一种重要的方法是基于量子门的操控技术。
量子门类似于经典计算机中的逻辑门，它可以对量子态进行特定的变换。
通过组合不同的量子门，可以实现各种复杂的量子态操控操作，为量子计算和量子通信等应用提供了基础。
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单个量子体系的测量与操控王力军【摘要】2012年诺贝尔物理学奖已颁发给Serge Haroche和David J.Wineland,表彰他们“开拓了测量与操控单个量子体系的实验方法”.本文从近代量子物理发展史的角度介绍他们二人工作的意义.【期刊名称】《物理与工程》【年(卷),期】2013(023)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】量子物理;量子光学【作者】王力军【作者单位】清华大学物理系;精密仪器与机械学系;中国计量科学研究院-清华大学精密测量联合实验室,北京 100084【正文语种】中文1 从研究光到认知量子世界人类追求对光的本质的理解，由来已久.1814年前后，夫琅禾费发现太阳谱线（Fraunhofer lines）.这是人类科学史上的一个里程碑.这个发现直接导致了在19世纪60年代Ångström 等人发明了光谱学的方法，继而很多物质的光谱被测量.例如，大家熟知的巴尔末谱线则成为后来玻尔原子模型所解释的重要现象之一.当然，在现代，光谱学一直是天文学最重要的实验、观测方法.回顾早期量子物理理论的建立，在众多实验发现的积累中，如下的几项可能是最根本的.从19世纪60年代Kirchhoff开始的对于黑体辐射的研究导致了经典理论无法精确解释测量到的光谱分布—进而导致了普朗克提出量子论.1887年赫兹观察到光电效应.1888 年P.Lenard开始研究阴极射线，继而于1902年实验确定了光电效应中光电子的最大能量与光强无关，而与照射光的颜色有关.1905年爱因斯坦给出了这一发现的量子解释.1897 年J.J.Thompson 发现电子.而Lenard与Thompson的实验中都观测到电子散射，这提示了电子是远远小于当时人们模糊接受的“原子”的尺寸.另外一个提示就是：这些组成物质的基本单元“原子”里面大部分地方是空的.之后，1913年密立根的油滴实验明确给出了电子所携带电荷是分立的，更加强了“量子”的概念.1910年前后，基于1896年贝克勒尔发现的铀放射性，卢瑟福的一系列α－粒子实验指向了原子核的存在和原子的基本模型.这就是大家耳熟能详的玻尔原子模型.1912～1914 年的Franck－Hertz实验可能是当时对玻尔模型的最重要的证实.至此，光的粒子性和量子理论、原子的基本模型就都建立了.量子力学之数学表达的建立虽然还需些许时间，但是，框架已经都搭起来了.这是近代物理学最光辉的历史，也是一段惊心动魄的过程：因为量子论的建立自始至终是个猜谜的过程.而且，在这个过程中也曾经有过错误的模型出现并在新的实验结果和发现面前被放弃.所以，物理学家们才会不断地设计各种实验验证量子理论的正确性.此后，原子核模型的建立也是一个类似的过程.一方面是实验数据和事实的大量积累，另一方面是模型的建立和检验.而贯穿其中的是新实验手段、方法和仪器的发明.第二次世界大战中，战争的需要带来了应用物理学的高速发展.两个重要的方面就是核物理（原子弹）和微波技术（雷达）.各国在此方面都培养了大批的年轻科学家.战后，很多人又重新回到大学等研究机构，开创了新的领域.这又是一段物理学蓬勃发展的阶段.在核物理方面，一方面是对各类原子核的深入研究，另一方面基于加速器的发明，高能粒子物理飞速发展.同时，基本粒子的物理理论也纷纷产生、完备.在微波波谱方面，各国也有着长足的发展.微波激射器（Maser）的发明源于对高谱纯度微波源的需求.而基于同样原理的激光的出现，则给传统的光谱学带来了第二个春天.射电天文学观测方法的发明，宇宙背景辐射的发现，卫星通信等等，都是那个阶段微波科技发展的杰出范例.同时，核物理与微波谱学的结合：核磁共振则是一个重要的基础研究热点.其应用——核磁共振成像，在今天已经是人类诊断疾病的最重要手段之一.特别值得一提的是微波原子钟.自1930年I.Rabi提出利用磁共振作为时间标准后，第一台实用的铯原子钟于1955年由L.Essen 在英国首先实现.原子钟的出现，改变了人类计时的方法，改变了人类对时间（秒）和长度的定义.进而，使得全球卫星定位（如GPS，北斗，等等）成为可能.2 QED—量子理论的精密检验光、微波等电磁场与原子、原子核等物质粒子的相互作用，始终是物理学研究的重点.光谱等波谱学，不仅仅是探测物质粒子的手段，也逐渐成为精密检验物理理论的重要方法.1947年Lamb 对于氢原子能级移动的精密测量不仅检验了对于原子结构的更深刻的理论，更重要的是指出了用波谱学检验物理理论的道路.同期，1949年N.F.Ramsey发明了他著名的“分离振荡场”方法，大大提高了原子微波谱学测量的精度，为铯束原子钟奠定了基础.另外的一个研究方向是利用电磁场“操控”物质粒子的量子状态.这方面的一个杰出代表是20世纪50年代初期，A.Kastler在“光泵浦”方面的工作：通过施加外加光、微波辐射场可以改变原子的内在量子态.当然，后来我们知道，当这些原子共同通过受激辐射再次产生光的时候，就可以形成激光.所以，在20世纪50年代，物理学家们就意识到了光与原子相互作用是物理学中一个最重要的方法.但是，这个方法使用起来碰到了两个麻烦.第一个困难：没有高强度的相干光源.当然，这一点在Maser和激光发明后得到了较快的解决.虽然研究者不断发明或期盼更好的激光光源，但相比于以前使用的灯一类光源和更早的阳光分光光源要好得太多了.然而，第二个困难要大得多：多普勒频移和展宽.为了更精确地测量原子等物质粒子的谱线，就必须剔除由于其运动而引起的多普勒频移. R.Dicke在1953年指出，一级多普勒效应可以通过将物质粒子的运动范围限制在远小于辐射场波长的范围内消除.这个被称为“Dicke narrowing”的效应早期往往通过加强与缓冲气体原子的碰撞来实现.这个效应与1958 年发现的Mössbauer 效应很类似：就是将粒子的运动限定在很小的区域并且将其反冲动量转移给一个宏观体系.但是，碰撞的方法无法用来控制一个单个的粒子.这就要提起一位德国原子与原子核物理学家H.Kopfermann（Franck 的学生）.他在二战之中参与了当时纳粹德国的核计划，试图用电磁方法分离铀.他的两位弟子W.Paul和H.Dehmelt于1989年分享了当年一半的诺贝尔物理学奖（另一半表彰N.Ramsey）.Paul发明的离子阱方法使用交变电磁场人为地制造出囚禁带电粒子的空间势阱，应用于粒子囚禁.此外，这个方法现在广泛地应用于质谱仪，是当今最重要的分析手段之一.Dehmelt精密地测量了囚禁中电子的g－因子（电子反常磁矩），至今是QED 最精密的实验验证.他们发明的离子囚禁方法使得研究单一的量子体系（单个或几个离子）成为可能.3 操控单个量子体系今年获得诺贝尔物理学奖的两位科学家Serge Haroche 和David J.Wineland 成功地测量、操控了单个量子体系.Wineland博士师从Ramsey，精密地测量了氘原子的超精细频移.之后在Dehmelt组做博士后研究期间，成功地利用Penning离子阱囚禁单个电子，为后来该组成功地测量电子反常磁矩奠定了基础.1975 年，T.Haensch 和A.L.Schawlow 与D.J.Wineland和H.Dehmelt分别提出激光冷却中性原子和囚禁离子的方案.1978年4月，德国海德堡大学P.Toschek组（他曾师从Paul，Dehmelt也参与了实验）和美国标准局（NBS，现为NIST）的Wineland组同时投稿报道实现了囚禁离子的激光冷却［1，2］（图1）.最初的激光冷却是在离子云上实现的.之后，两个组又分别于1980 年和1981 年观测到单个囚禁离子.Wineland这两个实验是利用镁离子完成的.之后，实验转移到汞离子上.因为其V－型能级结构，汞离子可以是很好的一台光频原子钟的选择.1986年，Dehmelt，Toschek，和Wineland 三个组同年实验演示了利用“quantum jump”的方法高效地探测离子是否从基态跃迁到亚稳态.1987 年，他们又成功地演示了对于人为囚禁的离子，其空间运动是量子化的.1989 年，Wineland成功地将其囚禁离子的空间运动量子态冷却到了基态.图1 摘自D.J.Wineland［2］：激光冷却过程中测量到的离子云温度与冷却激光开启、关闭前后的演变.经过30余年的不懈努力，2008年，Wineland组使用镁、铝离子协同冷却和量子逻辑探测的方法，在第17位有效数字上比较了铝离子与汞离子的跃迁频率［3］.之后，他们又测量了此光频原子钟因为33cm 高度变化而引起的引力红移，与广义相对论预言的结果相符.通过离子阱囚禁和激光冷却的方法，以Wineland为代表的一代科学家们在过去的30～40年内实现了对单一物质粒子的俘获和操控.将此粒子孤立于外界，而通过人为施加的外界电磁场，成功地操控粒子的量子态.而且，还能够使用该孤立粒子的量子态间的跃迁频率作为下一代、超高精度光频原子钟的鉴频器.相比于孤立一个物质粒子，人们也可以将一个单一的光子“俘获”或者“囚禁”于一个有限的空间内.一个非常出色的例子是将一个微波光子囚禁于一个波长尺寸的谐振腔内（圆柱体腔或者F－P腔）.使用超导体作为谐振腔的材料，腔的Q 值经常可以达到～109［4，5］，光子存储时间可达0.1s！如果仔细调谐腔的本征频率，则可以与一些碱金属（例如Rb）的里德堡原子共振.而谐振腔的作用之一就是使得腔内很少（甚至平均少于1个）的光子反复与进入腔内的单个里德堡原子相互作用.当相互作用的强度（Rabi频率）大于原子相关能级的线宽和腔的损耗线宽，那么，就达到了所谓的“强耦合”极限.在“强耦合”的情形下，一个极限就是单个原子与单个光子相互作用.这样的体系是量子物理早期所没有的.光电效应是光子一个个地与多个原子相互作用.而测量原子光谱则是假设原子都是相同的，一个个地与含有许多光子的光场相互作用.如今，这样一个人造的，反常干净的体系则允许我们对单个光子与单个原子的QED 相互作用进行实验.首先达到了强耦合极限的是1984年马普量子光学所H.Walther教授组里实现的“单原子Maser”5.很多QED 预言的现象可以在这样一个体系内得到验证.一个直接的结果就是：这时光场也必须量子化.而取决于光场中有几个光子，原子的反应也不一样——即Jaynes－Cummings模型.这在腔QED中极其典范地验证了.另外，通过探测原子的反应，也就可以探测（或者说反推）腔内光场里有几个光子.图2显示了2007年Haroche组演示单个光子非破坏性探测的实验4.图2 摘自Gleyzes［5］：上图，单个光子非破坏性探测的实验装置示意图.一束里德堡原子在B处被制备到量子叠加态后，依次经过两个Ramsey分离振荡场区域R1，R2，及处于其间的高品质谐振腔C.取决于C 内是否存在单个光子［下图］，相应的里德堡原子量子叠加态的相位将会不同.因此，测量此相位即构成了对腔内光子数的非破坏性测量.Haroche博士期间在法国Kastler实验室师从C.Cohen－Tannoudji（1997年诺贝尔物理学奖获得者）.之后他又于1972～1973 年在Stanford的Schawlow 教授（1981 年诺贝尔物理学奖获得者）组做博士后.他的杰出工作，在很大程度上，也是沿着A.Kastler（1966年诺贝尔物理学奖获得者）首先展示的道路：通过光与物质粒子的相互作用，实现对量子态的测量和操控.Haroche教授，Walther教授，还有同一个时期的Kimble教授等若干知名学者对于腔内量子电子学，特别是关于单个光子与单个原子的量子相互作用的研究，开拓了人类操控单个量子态的物理基础，积累了大量的实验技术与方法.4 展望光与物质粒子的相互作用是早期探索物理本质的重要方法.随着科学和技术的发展，人类开始发明并掌握了操控量子体系的能力.这个从上世纪中期开始出现的现象，随着技术的进步，会更加普遍.从Wineland，Toschek 等首次演示激光冷却囚禁离子后，激光冷却的方法已经普及到世界上众多的实验室.这方面的进展是惊人的.中性原子的冷却提供了制作BEC、光晶格等一系列人为实验条件的可能，而由此产生的极端实验条件也会继续发展.一方面，这个进展会提供更多的机会，在更多的极端条件下检验我们对于自然界的基本理论和理解.另一方面，激光技术的进步和超冷物质粒子的制备，使得在更高精密度上测量各类物理量成为可能，提供更高精度的检验.一个重要的发展方向是应用.最直观的发展就是对于时间基本单位：秒的定义.能够制备完全不受外界影响的物质粒子，那么，其内部的本征量子态间跃迁的本征频率就是最好的频率参考和秒定义的基础.其次，假如我们首先制备与外界完全隔离的量子体系，然后再人为地允许其与某个单一的外界物理量（例如静磁场）耦合，那么，通过探测该量子体系相应物理量的变化，就构成对外界物理量的绝对测量.这是近年来计量学的一个重要发展趋势：尽量将各种元基准定义于最基本的量子物理过程——量子计量学.这个发展方向也是源于多年来对量子物理研究而产生的一个信心：孤立的量子体系，当加以适当修正后（例如对原子钟需要加以引力红移修正），其可重复性是不受时间和地点影响的.当前的挑战是如何进一步提高测量精度.再次，从20世纪90年代中期兴起的量子信息研究，经历了10余年的发展，已经取得了长足的进展.虽然其最终的应用前景还有待时间来证实，但是，这是量子技术应用的又一次尝试.量子相干性和量子纠缠是否能够真正转换成信息科学上有效的应用，还需拭目以待.但是，至少在原子钟等技术上，量子相干性已得到了广泛的应用.参考文献【相关文献】［1］W.Neuhauser，M.Hohenstatt，P.Toschek，and H.Dehmelt，Optical－Sideband Cooling of Visible Atom Cloud Confined in Parabolic Well，Phys.Rev.Lett.41，233（1978）［2］D.J.Wineland，H.E.Drullinger，and F.L.Walls，Radiation－Pressure Cooling of Bound Resonant Absorbers，Phys.Rev.Lett.40，1639（1978）［3］T.Rosenband et al.，Frequency Ratio of Al＋and Hg＋Single－Ion Optical Clocks；Metrology at the 17th Decimal Place，Science 319，1808（2008）［4］S.Gleyzes1，et.al.，Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity，Nature，446，297（2007）［5］D.Meschede and H.Walther，G.Muller，One－Atom Maser，Phys.Rev.Lett.54，551（1985）。