1707613320
1707613321
1707613322
1707613323
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611309]
1707613324
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 二、囚禁的量子
1707613325
1707613326
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。
1707613327
1707613328
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）。
1707613329
1707613330
上述两种方法的实现无疑都需要极高超的技术。不过，此类“工艺性”的工作要想获得诺贝尔奖，通常还需满足一个额外条件，那就是具有应用价值。此次获奖的工作很好地符合了这一条件，因为其所实现的“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”在理论与实用上都有着重要应用。
1707613331
1707613332
1707613333
1707613334
1707613335
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 [:1707611310]
1707613336
因为星星在那里：科学殿堂的砖与瓦 三、开放的应用
1707613337
1707613338
在理论上，对一个量子体系进行观测或操控，同时还让它继续存在，使得人们设计出了一些巧妙的实验，来观测量子体系状态演变的过程（以往的实验由于是“一锤子买卖”，对被观测体系具有“毁灭性”，从而无法做到这一点），甚至观测使一些物理学家深感困惑的量子体系的状态因为与外部环境的相互作用而往经典状态过渡的过程，其中包括对大名鼎鼎的“薛定谔的猫”（Schrödinger’s cat）的生死过程的观测[7]。那样的实验已经有人做了。比如阿罗什本人的研究组就于2008年做了那样的实验，甚至将观测到的量子状态往经典状态过渡的过程制成了“影片”。
1707613339
1707613340
在实用上，此次获奖工作最引人注目的应用是在量子计算机领域。这是近年来被讨论得很多的领域，在乐观者看来，量子计算机若成为现实，对社会的变革将不亚于如今的计算机在过去几十年所带来的变革。不过，量子计算机的理论虽然美丽，面临的技术困难却极为巨大，其中一个很大的困难就是作为核心元件的量子体系必须能单个地、不受破坏地被测量与操控，而且各个量子体系的状态还必须能相互传递（就像经典计算机必须能在各元件间传递信息一样）。这个困难在过去几乎是难以克服的，此次的获奖工作却为之带来了曙光，比如维因兰德所实现的对状态叠加的操控，以及状态叠加在不同离子间的相互转变，就正是克服上述困难所需要的技术。这一点维因兰德本人也看得很清楚——事实上，他的研究组早已展开了这方面的探索，甚至在一定程度上构造出了量子计算机的雏形，实现了最简单的逻辑运算。一些其他实验组也正在积极努力之中。当然，这一切距离真正有实用价值的量子计算机还相差很远。
1707613341
1707613342
此次获奖工作的另一项很有价值的应用是建造超高精度的新型时钟。这一应用虽不像量子计算机那样富有未来色彩，所取得的进展却要扎实得多。维因兰德所供职的美国国家标准技术研究所正是这方面的“领头羊”。在这一应用中，用维因兰德所实现的方法囚禁起来的工作频率（即作为计时基础的两个能级之间的量子跃迁的频率）在光学波段的离子取代了传统原子钟所采用的工作频率在微波波段的铯（Cs）原子。目前，这种新型时钟已经达到了比传统铯原子钟高两个数量级的精度。在那样的精度下，哪怕从宇宙大爆炸之初开始计时，迄今的累计误差也只有区区几秒。
1707613343
1707613344
这些或已成为现实，或仍处于开放的想象空间里的应用，使此次的获奖工作有可能对未来科学与技术的发展产生深远影响。
1707613345
1707613346
附录：获奖者小档案
1707613347
1707613348
1707613349
1707613350
1707613351
维因兰德
1707613352
1707613353
1707613354
1707613355
1707613356
阿罗什
1707613357
1707613358
1707613359
1707613360
维因兰德（David Wineland）：美国物理学家，1944年2月24日出生于美国威斯康星州的密尔沃基（Milwaukee），1970年获哈佛大学（Harvard University）物理学博士学位，目前在美国科罗拉多州的国家标准技术研究所（National Institute of Standards and Technology）任职。维因兰德的主要研究方向为量子光学（quantum optics）及其应用。 阿罗什（Serge Haroche）：法国物理学家，1944年9月11日出生于当时受法国控制的摩洛哥城市卡萨布兰卡（Casablanca），1971年获巴黎第六大学（Université Pierreet Marie Curie）的物理学博士学位，目前在法国巴黎（Paris）的法兰西公学院（Collègede France）任教。阿罗什的主要研究方向为量子光学及其应用。 2012年10月11日写于纽约
1707613361
1707613362
[1]本文曾发表于《科学画报》2012年第11期（上海科学技术出版社出版）。
1707613363
1707613364
[2]在过去若干年里，每个奖项的奖金为1000万瑞典克朗。
1707613365
1707613366
[3]这里我们稍稍偷了点懒，费恩曼想要传给后代的话还包括了原子处于永恒的运动之中，以及它们太过靠近时彼此排斥，稍稍远离时彼此吸引这几点。
1707613367
1707613368
[4]确切地说，最常用的离子阱有两种，一种叫做彭宁阱（Penning trap），另一种叫做保罗阱（Paul trap），他们的实现者分享了1989年的诺贝尔物理学奖。维因兰德所使用的是保罗阱。
1707613369