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[10]IBM所宣称的1000亿赫兹其实是“适度浮夸”的结果，实际试验中所达到的频率约为300亿赫兹。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611307]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 囚禁的量子，开放的应用[1]
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2012年10月9日，一位68岁的法国老人与妻子在街头散步，当他们路过一条街边的长椅时，电话忽然响起，老人被告知获得了诺贝尔物理学奖。同样被“搅扰”的还有大西洋彼岸的一位也是68岁的美国老人，电话响起时他还在睡梦中，但无论什么梦也没有电话里的消息更美：他也获得了诺贝尔物理学奖。
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这两位天各一方，但恰巧同岁的老人分别是法国物理学家阿罗什（Serge Haroche）和美国物理学家维因兰德（David Wineland），之所以获奖，是因为他们实现了“使得对单个量子体系的测量与操控成为可能的突破性实验方法”（for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems）。他们将共同分享崇高的荣誉，以及虽因金融危机而缩水，但数量依然可观的800万瑞典克朗（约合110万美元）的奖金[2]。
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在本文中，我们将对这两位物理学家的工作及其意义作一个简单介绍。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611308]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 一、小有小的麻烦
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美国物理学家费恩曼曾以一个有趣的问题作为《费恩曼物理学讲义》（The Feynman Lectures on Physics）的开篇，那就是：假如因为某种灾变，在所有科学知识中只有一句话能传之于后代，什么话能用最少的文字包含最多的信息？费恩曼认为，那应该是所谓的“原子假设”，即所有物质都是由原子组成的[3]。不过，这句话包含的信息虽多，要想破译却并不容易。事实上，早在两千多年前的古希腊就有先贤猜测过物质是由原子组成的（“原子”一词的英文atom就来自希腊文，含义为“不可分割的”），但直到18世纪才开始有了现代意义下的原子理论，而原子的真正奥秘，则直到20世纪才开始揭晓。
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为什么呢？因为原子实在太小了，既看不见，也摸不着。
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如今我们知道，原子并非是“不可分割的”，它由更基本的粒子所组成，并且与那些粒子一样，遵守一种被称为量子力学（quantum mechanics）的奇妙规律。这种规律与我们习以为常的宏观世界的规律完全不同，在发现之初曾带给物理学家们极大的震动。直到很多年后，当那种规律逐渐褪去新鲜的外衣，甚至已变成物理系学生的常识时，想在最直接的意义上体验它们仍是极为困难的事情。
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为什么呢？依然是因为原子实在太小了，既看不见，也摸不着。
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由于这一原因，物理学家们对原子——或者更一般的，对量子体系——的很多观测都不是针对单个原子（或量子体系）的。比如他们观测的原子光谱乃是由很多原子共同发射的。而在有条件观测单个原子（或量子体系）的实验中，由于观测对象太小，往往观测一结束，观测对象本身也就“人间蒸发”或“香消玉殒”了，比如用云室或气泡室（这两者的发明者分别获得了1927年和1960年的诺贝尔物理学奖）观测粒子，或用照相设备观测光子就都是如此。
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那么，有没有什么办法，能够观测甚至操控单个量子体系，同时还让它继续存在（从而还可以继续观测或操控）呢？维因兰德和阿罗什——在他们各自同事的鼎力合作下——所解决的正是这个问题。他们凭借高超的实验技巧，将单个量子体系囚禁起来，然后用细微而巧妙的“探针”去观测甚至操控它，从而完成了近乎“不可能任务”（mission impossible）的壮举，为上述问题提供了肯定答案（图12）。
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图12 维因兰德和阿罗什完成了近乎“不可能任务”的壮举
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下面我们就对他们的方法做一个简单介绍。
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611309]
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因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、囚禁的量子
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维因兰德采用的方法是将单个的离子（离子是失去或得到若干电子——从而带电——的原子），比如铍离子Be+（它是失去一个电子的铍原子），利用其带电的特征，囚禁在用电磁场组成的“牢笼”中，然后以光子作“探针”去探测和操控它。这话说起来简单，实现起来却极不容易，单是那“牢笼”——它的“学名”叫做离子阱（ion trap）——本身就已是一个诺贝尔奖级别的成就（它的实现者获得了1989年的诺贝尔物理学奖）[4]。为了确保被囚禁的是单个（或少数几个）离子，还需要辅以超高真空（以便排除其他粒子的干扰）和超低温（以便排除热运动的干扰）等技术。其中后者采用的乃是维因兰德与同事亲自参与研发的绝活：边带冷却技术（sideband cooling）[5]。当这些极不简单的配置完成之后，维因兰德又通过激光脉冲（光子），将被囚禁离子的内部状态（即电子能态）叠加起来。这种状态叠加是量子力学有别于经典物理的奇妙特征，科普读物中常见的诸如“粒子既在这里，又在那里”，“猫既是死的，又是活的”，等等吸引眼球的表述都源自于此。但维因兰德能做到的还不止这些，通过对激光脉冲的巧妙选择，他还可以对状态叠加的方式进行操控，比如将离子内部状态的叠加转变为外部状态（即离子在“牢笼”内的振动状态）的叠加，甚至将一个离子的状态叠加转变为另一个离子的状态叠加。
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与维因兰德的方法几乎恰好相反，阿罗什的囚禁物是被维因兰德当作“探针”的光子，而“探针”则类似于维因兰德的囚禁物，是一种被称为里德堡原子（Rydberg atom）的特殊原子，它的电子处于很高的能态上，从而使整个原子“发胖”到惊人的程度。比如阿罗什所用的铷（Rb）原子就“发胖”到了普通铷原子的500倍左右[6]。在阿罗什的方法中，囚禁光子所用的是以超导材料铌（Nb）制作的一对相距2.7厘米的球面镜，这对球面镜的工艺极为高超，构成了一个反射性质近乎完美的空腔（cavity）。光子在其中可以被反射十几亿次而不被吸收（在这过程中走过的总距离可以绕地球一圈）。在这些同样极不简单的配置完成之后，阿罗什又通过特殊空腔中的电磁波，使作为“探针”的里德堡原子处于两个电子能态的叠加之中，并使之以可控制的速度穿越囚禁了光子的空腔。在这里，阿罗什做了另一个巧妙安排，使被囚禁光子的能量与里德堡原子所能吸收的能量稍稍错开，从而保证光子不会被里德堡原子所吸收（别忘了，这一整套方法的使命之一就是保障量子体系继续存在）。而更巧妙的是，尽管光子不会被吸收，它与里德堡原子的相互作用仍能对后者产生影响，改变后者那两个叠加能态间的相位。这样，阿罗什就可以通过研究穿越后的里德堡原子那两个叠加能态间的相位，而获得有关被囚禁光子的某些信息（比如光子的数目）。
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