诺贝尔物理学奖得主如何囚禁亚原子粒子

无论是通过粒子隐形传态实现的安全通信，还是超高速计算能力，量子力学，这个令人难以置信的微观世界，都处于现代物理学的前沿。但如果没有今年诺贝尔物理学奖获得者的突破，这项未来技术将无法实现，甚至无法测试。

塞尔日·阿罗什 (Serge Haroche) 和大卫·维因兰德 (David Wineland) 都开发出了控制和测量脆弱、转瞬即逝的量子态的方法，这在以前被认为是不可能实现的。他们的工作不仅使理论讨论成为可能，也使现实世界的研究成为可能，研究光与物质在最小尺度上的关系，而常规物理定律在最小尺度上失效。量子力学的本质使他们的工作看起来不可能实现，但我们却实现了。

要理解量子不确定性，先从薛定谔的猫开始。这只幻想中的猫在一个盒子里同时处于两种可能的状态：它既是死的又是活的，对所有人来说，在所有情况下都是所有的东西。但是，一旦你打开盒子，也就是说，一旦你测量了它的状态，这只猫就只能是其中一种。你的测量迫使你做出选择，这相当于量子系统的变化。所有量子系统都是如此，它们同时处于所有状态，直到你偷看它们。怀恩兰德在美国国家标准与技术研究所的同事、诺贝尔奖获得者比尔·菲利普斯解释说，怀恩兰德和哈罗什都想出了解决这个问题的方法。

他们的方法极其相似，但使用的技术却不同：Wineland 捕获离子并用光或光子进行测量，而 Haroche 捕获光子并用原子进行测量。

Wineland 是第一个描述并演示捕获离子冷却的人，捕获离子是真空中的带电原子。他通过在电场中包围带正电的原子来捕获它们。然后他用激光束照射它们，有效地推动它们，使它们减速。（速度越慢意味着温度越低。）“让它们冷却对于控制它们非常重要；当它们真的很冷时，你可以用它们做一些有趣的事情，”菲利普斯说。以下是几个例子：

极其精确的时钟

每个时钟都需要一个计时器来向前计时，而最好的计时器就是原子本身；甚至更好的计时器是一个原子，独自一人，不受任何其他东西的干扰，甚至不受另一个原子的干扰。NIST 专门制造原子钟，而 Wineland 的陷阱已被用来制造有史以来最精确的时钟。“他能够制造出如此优秀的时钟——这是有史以来最好的时钟——如果它运行很长一段时间，它只会在 30 亿年内快或慢一秒，”菲利普斯说。“这就是我们所说的‘足够接近政府工作’，”他笑着补充道。这款极其精确的时钟已被用来测量爱因斯坦的相对论和引力对时间流逝的影响。

同时在两个地方

激光还可用于将离子置于叠加态——就像薛定谔的猫一样，它可以同时处于两种不同的状态。Wineland 的方法将离子置于两个不同的能级。它从低能级开始，激光脉冲将其推向更高的能级。这样一来，它就成了夹在两个能级之间的混血儿，处于能级叠加状态。

“戴夫可能会说这是一只薛定谔小猫，或者一只小猫胚胎。但这种东西证明了量子力学的奇特之处，”菲利普斯说。“这都是因为戴夫的进步才有可能实现的。”

我们可以研究这种能量边缘，也可以使用激光以可测量的方式散射光子。

哈罗什则使用微波腔捕获光子，也就是光的粒子。然后他使用原子来测量它们在做什么。光子会引起原子能态的变化，从而提供有关光子的信息。这被称为量子纠缠；光子发生的变化也会发生在原子上，这使得哈罗什无需直接测量就可以研究它们随时间的跃迁。菲利普斯解释说，如果你试图用任何类型的探测器观察光子，都是行不通的。

“当你这样做时，探测器会吞噬光子。它们消失了。Haroche 所做的就是将它们放入腔体中，确认它们在那里，然后将一个原子送进去。它看到光——实际上是微波——以及这些微波的特定强度。根据该强度，原子可以开始改变其量子态。”

量子逻辑

菲利普斯指出，叠加也是量子门的基础，量子门是量子计算机的关键元素。怀恩兰德的团队首次展示了两个量子比特的量子操作。有朝一日，这可能会被用来创建一台摆脱二进制代码束缚的量子计算机。量子比特不是一或零，而是零和一。两个量子比特可以同时是四个东西——00、01、10、11——等等，直到你得到一台 300 量子比特的计算机，它拥有比宇宙中所有原子更多的可能状态。

Haroche 还可以构建一个初始状态未知的量子系统。这对于量子计算机和密码学来说非常重要。你可以从不确定数量的光子开始，进行一系列测量，故意对系统造成变化，缩小你猜测可能存在的光子范围。二次测量（可能通过使用不同速度的原子）将提供进一步的见解，并告诉你有多少个原子以及它们在做什么。“你通过测量所做的就是让它选择，选择其中哪一个，”菲利普斯说。“你迫使大自然在它固有的不同可能性中选择哪一个。”

美国物理学会出版副总裁约翰·海恩斯表示，哈罗什和温兰德开展了一些现代物理学中最具影响力的研究。“量子力学曾经只是理论和哲学，但通过这项工作和其他人的持续研究，我们现在正在测试、操纵和建立这些科学原理，”他说。