2012年諾貝爾物理學獎：操縱微觀世界的單個粒子.pdf

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1、．暴．．2012年諾貝爾物理學獎操縱微觀世界的單個粒子一云凡與人們熟知的世界截然不同，自然界還存解釋量子世界的經(jīng)典。量子理論認為，單個原在著另類世界，被稱為量子世界。一個世紀子的狀態(tài)其實并非“非此即彼”，或者說，箱子前，物理學研究進入了微觀的粒子世界，這些里的原子既衰變又沒有衰變，表現(xiàn)為一種概粒子，包括原子、離子和光子。物理學家將物率；對應到貓，則是“既死又活”。和其他現(xiàn)代質(zhì)分割成一個一個的微小單位(能量包)，并稱物理理論一樣，這說法與日常經(jīng)驗相去甚遠，為量子。在量子世界中，粒子行為不遵從經(jīng)典讓人摸不著頭腦。兩位科學家的成就終于可以物理學規(guī)律，人類對量子的觀測更是難上加告訴人們：薛定諤的

2、那只貓究竟是死是活。難。科學家面對的最大難題，就是難以將個別量子力學長期存在爭議的一個重要原因就粒子孤立于周圍環(huán)境而不破壞粒子的量子特是難以觀測——在過去，一旦將粒子和它們所質(zhì)，以致他們無法直接觀察粒子活動，只能憑在的微觀環(huán)境分離，它們便會失去神秘的量子空猜想。愛因斯坦就曾夢想將一粒光子困在特性。阿羅什的工作便是解決這一問題。他將“盒子”內(nèi)觀察，即使幾秒也好。今天，兩位物一些光子捕捉在一個兩側(cè)置有高反光鏡的“陷理學家終于實現(xiàn)了愛因斯坦當年的夢想，并因阱”中，讓它們在兩個鏡子間跳動，光子在這此獲得了2012年諾貝爾物理學獎，他們是法國個裝置中能保持長達十分之一秒而不衰減，這科學家塞爾日·阿

3、羅什和美國科學家大衛(wèi)·維因給了阿羅什足夠的時間來觀察它們的量子特蘭德。他們通過巧妙的實驗方法，成功地實現(xiàn)性。他將一個極為活躍的“里德博原子”送入了對單個量子系統(tǒng)的測量和控制，顛覆了之前“陷阱”人們認為的其無法被直接觀測的看法。他們的中，它在突破性研究，讓原本神秘的量子世界不再“與捕獲光子世隔絕”，并將能給世界帶來超快的量子計算機后能將它和超準的光鐘。們的量子信息呈現(xiàn)從“薛定諤的貓”到量子計算機出來，就如同x光如果你看過美劇《生活大爆炸》，可能聽說描繪出人過一個詞：薛定諤的貓。那是一只被關在黑箱體的內(nèi)部子里的貓，它的生死取決于箱子里一個獨立原構造一子的狀態(tài)：如果原子衰變，會引發(fā)箱內(nèi)毒氣泄樣

4、。露，貓死；反之，貓活。奧地利物理學家薛定他的諤在上世紀構想的這個思想實驗，被后人引為這一構想塞爾日·阿羅什．爨贏?提出于上世紀80年代，然而當時的設備條件認為量子計算機無法達到這一實驗的要求。他所在的卡斯特勒距離真正成熟還布魯塞爾實驗室花了很長時間來打造并改進能有很長的路要夠捕捉光子的設備，他也先后到斯坦福大學、走。在獲獎后召麻省理工學院、哈佛大學、耶魯大學等美國頂開的新聞發(fā)布會尖名校訪問學習。隨著實驗條件的不斷改進，上，維因蘭德表阿羅什的團隊得以觀測處于量子疊加狀態(tài)下的示：“我對這項光子——此時光子會在同一時刻向兩個相反的技術將隨著時間方向運動，他們基于薛定諤的假設將這個狀態(tài)推移不斷

5、進步表稱為“貓態(tài)”。他們通過偵測原子記錄下光子示樂觀，量子計呈現(xiàn)貓態(tài)的時間，并研究出了讓這一時間延長算機的確會帶來的技術。獨特的計算能成功操控貓態(tài)粒子意味著量子計算機將成力。也許在下一大衛(wèi)·維因蘭德為可能。與普通的計算機不同，量子計算機最個十年，我們將小的單位為“量子位”——如同薛定諤的貓呈能夠跨越這個門檻，(用量子計算機去)解決經(jīng)現(xiàn)“既死又活”的疊加態(tài)一樣，一個量子位能典計算機難以應付的問題?！蓖瑫r呈現(xiàn)0和1的疊加態(tài)，這將極大地提升計算相比還有些遙不可及的量子計算機，維因機的運算能力，密碼破譯等復雜運算的工作效蘭德巨大的貢獻更在于為世界上最準確的時鐘率將實現(xiàn)飛躍。的誕生奠定了基礎。這種

6、理論不僅能使鐘表的也許就在這個世紀，量子計算機將徹底改準確性得到很大的提高，還有助于大幅提升GPS變我們，如同經(jīng)典計算機在上個世紀改變了我導航的準確性。現(xiàn)代原子鐘用的是銫原子，這們的生活那樣。種原子在微波頻率范圍內(nèi)振動，但可見光的振動頻率遠高于微波，每一次振蕩都是完美時鐘世界上最精準的時鐘將誕生的一次“滴答”。當前使用較為普遍的銫原子鐘能將誤差控制在百萬年至千萬年不超過1秒的水讓維因蘭德榮獲2012年諾貝爾物理學獎的平。但在維因蘭德看來，由于銫原子釋放的微成果同樣是成功操控單個量子系統(tǒng)，不過他所波的震動頻率不如可見光，原子鐘的準確程度采用的方法與阿羅什卻恰好相反——他捕捉和仍有很大的提升

7、空間。一種基于可發(fā)出可見光觀測的是離子(帶電的原子)，借助的則是激的鋁離子的新型光學時鐘，其精確度勝過銫原光。為觀測粒子的量子特性，維因蘭德同樣設子時鐘的100倍左右。維蘭德說，這種新型光學置了“陷阱”，并將一些鈹離子捕捉到陷阱中，時鐘擁有驚人的精確度，宇宙誕生至今137億年而他觀測離子的方法是使用激光對它們進行冷的時間長河里只有5秒誤差。卻，使它們不再頻繁運動、易于觀測。維蘭德利用如此精確的時鐘，可以觀察到一些極捕獲離子的方法，是