阿羅什和維因蘭德證明，他們能夠觀(guān)測(cè)單個(gè)量子體系而不會(huì)破壞它們，從而為量子物理實(shí)驗(yàn)打開(kāi)了通向新紀(jì)元的大門(mén)。通過(guò)他們天才的實(shí)驗(yàn)方法，已經(jīng)能夠設(shè)法測(cè)量和操控非常脆弱的量子態(tài)，使得他們的研究領(lǐng)域向著建造新型的超快量子極端及邁出了最初一步。這些方法還幫助科學(xué)家造出了極其精確的時(shí)鐘，也許將成為未來(lái)新的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，比我們現(xiàn)行的銫原子鐘要精確好幾百倍。
來(lái)自法國(guó)的科學(xué)家塞爾日·阿羅什和來(lái)自美國(guó)的大衛(wèi)·維因蘭德因分別獨(dú)立發(fā)明并拓展了在保持單個(gè)粒子量子力學(xué)特性的前提下，測(cè)量和操縱它們的方法，而獲得諾獎(jiǎng)垂青。
對(duì)此，中山大學(xué)物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師姚道新表示，此項(xiàng)成果實(shí)現(xiàn)了從理論到現(xiàn)實(shí)的重大突破，大大提升了人類(lèi)對(duì)整個(gè)量子體系的操縱能力，其對(duì)量子物理學(xué)界具有劃時(shí)代意義。
活捉“粒子”
在量子力學(xué)的世界里，很多現(xiàn)象與我們?nèi)庋塾^(guān)察到的相反，其中最引人驚嘆的莫過(guò)于一個(gè)量子可以同時(shí)處在多個(gè)狀態(tài)上：量子可以同時(shí)是“這樣”的，也是“那樣”的。
奧地利物理學(xué)家薛定諤形象地用自己的貓來(lái)闡述這種在微觀(guān)世界中的奇妙景象：貓被放在與周?chē)h(huán)境完全隔離的箱子里，這個(gè)箱子內(nèi)置有致命毒藥，還有一些處于發(fā)射狀態(tài)的放射性原子衰變。放射性衰變遵循量子力學(xué)定律，因而它處于發(fā)射和未發(fā)射的疊加狀態(tài)。因此，貓?zhí)幱诨钪退懒说寞B加狀態(tài)。因?yàn)榱孔盈B加態(tài)對(duì)環(huán)境作用非常敏感，當(dāng)窺視箱子內(nèi)部、觀(guān)察貓的瞬間，貓的“世界線(xiàn)”會(huì)“塌縮”到出現(xiàn)死或者活兩種結(jié)果中的一種。
長(zhǎng)久以來(lái)，這只微觀(guān)世界中的“貓”只存在于科學(xué)家們的思想實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，而獲獎(jiǎng)的兩位科學(xué)家則巧妙地通過(guò)操縱單個(gè)量子的方式將勢(shì)阱中的離子放入薛定諤假設(shè)的疊加態(tài)中，“窺測(cè)”映射到當(dāng)外界環(huán)境參與時(shí)量子的狀態(tài)，成功捕獲了薛定諤理想實(shí)驗(yàn)中的“量子貓”。
“阿羅什借助原子在微波腔中會(huì)輻射或吸收單個(gè)光子的特性，解決了光子不能長(zhǎng)久存在的難題，實(shí)現(xiàn)操縱單個(gè)光子；而維因蘭德則將離子進(jìn)行隔離，通過(guò)光場(chǎng)制造離子阱，進(jìn)而對(duì)離子進(jìn)行測(cè)量和控制。”中山大學(xué)的姚道新教授向我們?cè)敿?xì)解釋了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新之處。
引領(lǐng)變革
下班后你急著小跑回家，而這一過(guò)程將導(dǎo)致時(shí)間變慢。這一相對(duì)論提出的奇異現(xiàn)象將有可能因?yàn)榭梢圆倏貑蝹€(gè)量子系統(tǒng)這一革命性的突破而使觀(guān)測(cè)這一變化變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。
姚道新介紹，一旦科學(xué)家能夠按照意愿調(diào)控單個(gè)量子系統(tǒng)的震蕩頻率，精確度就會(huì)大大提高?！岸柚@種精密度極高的時(shí)鐘，GPS技術(shù)將實(shí)現(xiàn)定位精確度的極大提高，從而大大服務(wù)人類(lèi)生活。”據(jù)了解，目前處在實(shí)驗(yàn)室中的這種光學(xué)鐘比之前的銫原子鐘精確數(shù)百倍。而兩位科學(xué)家的獲獎(jiǎng)成果，正是成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)單量子系統(tǒng)的操縱，這一成果不僅能夠促使高精密時(shí)鐘的研制，更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)量子力學(xué)基本原理的檢測(cè)。
更“迷人”的莫過(guò)于推進(jìn)了量子計(jì)算機(jī)的誕生。據(jù)了解，量子計(jì)算機(jī)是一類(lèi)遵循量子力學(xué)規(guī)律進(jìn)行高速信息處理和儲(chǔ)存的物理裝置。普通計(jì)算機(jī)處理信息的基本信息單位是比特，也就是0和1，就像是一個(gè)電燈，可以打開(kāi)和關(guān)閉。對(duì)于量子比特來(lái)說(shuō)，它的值除了0和1外，還可以處在它們的“迭加”態(tài)上，允許量子計(jì)算機(jī)一次進(jìn)行數(shù)百萬(wàn)項(xiàng)計(jì)算，計(jì)算速度將遠(yuǎn)超目前的計(jì)算機(jī)水平。姚道新表示，雖然整體上量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)用還要較長(zhǎng)時(shí)間，但兩位科學(xué)家的關(guān)于單量子系統(tǒng)的操控實(shí)驗(yàn)極大地促進(jìn)了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。在可以預(yù)期的將來(lái)，量子計(jì)算機(jī)帶來(lái)的計(jì)算機(jī)革命將可能實(shí)現(xiàn)。
目前，我國(guó)在量子物理領(lǐng)域的研究也取得較大進(jìn)展，中國(guó)科技大學(xué)、山西大學(xué)、武漢物理與數(shù)學(xué)研究所等單位對(duì)于量子體系的操控在某些方面已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。中山大學(xué)和華南師范大學(xué)等單位也在理論和實(shí)驗(yàn)方面開(kāi)展這些方面的研究。此次阿羅什還利用獲獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)幫助驗(yàn)證了中國(guó)科技大學(xué)郭光燦院士的相關(guān)論文，從中得到啟發(fā)。
