2012年诺贝尔物理学奖：操纵微观世界的单个粒子.pdf

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1、．暴．．2012年诺贝尔物理学奖操纵微观世界的单个粒子一云凡与人们熟知的世界截然不同，自然界还存解释量子世界的经典。量子理论认为，单个原在着另类世界，被称为量子世界。一个世纪子的状态其实并非“非此即彼”，或者说，箱子前，物理学研究进入了微观的粒子世界，这些里的原子既衰变又没有衰变，表现为一种概粒子，包括原子、离子和光子。物理学家将物率；对应到猫，则是“既死又活”。和其他现代质分割成一个一个的微小单位(能量包)，并称物理理论一样，这说法与日常经验相去甚远，为量子。在量子世界中，粒子行为不遵从经典让人摸不着头脑。两位科学家的成就终于可以物理学规律，人类对量子的观测更是难上加告诉人们：薛定谔的

2、那只猫究竟是死是活。难。科学家面对的最大难题，就是难以将个别量子力学长期存在争议的一个重要原因就粒子孤立于周围环境而不破坏粒子的量子特是难以观测——在过去，一旦将粒子和它们所质，以致他们无法直接观察粒子活动，只能凭在的微观环境分离，它们便会失去神秘的量子空猜想。爱因斯坦就曾梦想将一粒光子困在特性。阿罗什的工作便是解决这一问题。他将“盒子”内观察，即使几秒也好。今天，两位物一些光子捕捉在一个两侧置有高反光镜的“陷理学家终于实现了爱因斯坦当年的梦想，并因阱”中，让它们在两个镜子间跳动，光子在这此获得了2012年诺贝尔物理学奖，他们是法国个装置中能保持长达十分之一秒而不衰减，这科学家塞尔日·阿

3、罗什和美国科学家大卫·维因给了阿罗什足够的时间来观察它们的量子特兰德。他们通过巧妙的实验方法，成功地实现性。他将一个极为活跃的“里德博原子”送入了对单个量子系统的测量和控制，颠覆了之前“陷阱”人们认为的其无法被直接观测的看法。他们的中，它在突破性研究，让原本神秘的量子世界不再“与捕获光子世隔绝”，并将能给世界带来超快的量子计算机后能将它和超准的光钟。们的量子信息呈现从“薛定谔的猫”到量子计算机出来，就如同x光如果你看过美剧《生活大爆炸》，可能听说描绘出人过一个词：薛定谔的猫。那是一只被关在黑箱体的内部子里的猫，它的生死取决于箱子里一个独立原构造一子的状态：如果原子衰变，会引发箱内毒气泄样

4、。露，猫死；反之，猫活。奥地利物理学家薛定他的谔在上世纪构想的这个思想实验，被后人引为这一构想塞尔日·阿罗什．爨赢⋯提出于上世纪80年代，然而当时的设备条件认为量子计算机无法达到这一实验的要求。他所在的卡斯特勒距离真正成熟还布鲁塞尔实验室花了很长时间来打造并改进能有很长的路要够捕捉光子的设备，他也先后到斯坦福大学、走。在获奖后召麻省理工学院、哈佛大学、耶鲁大学等美国顶开的新闻发布会尖名校访问学习。随着实验条件的不断改进，上，维因兰德表阿罗什的团队得以观测处于量子叠加状态下的示：“我对这项光子——此时光子会在同一时刻向两个相反的技术将随着时间方向运动，他们基于薛定谔的假设将这个状态推移不断

5、进步表称为“猫态”。他们通过侦测原子记录下光子示乐观，量子计呈现猫态的时间，并研究出了让这一时间延长算机的确会带来的技术。独特的计算能成功操控猫态粒子意味着量子计算机将成力。也许在下一大卫·维因兰德为可能。与普通的计算机不同，量子计算机最个十年，我们将小的单位为“量子位”——如同薛定谔的猫呈能够跨越这个门槛，(用量子计算机去)解决经现“既死又活”的叠加态一样，一个量子位能典计算机难以应付的问题。”同时呈现0和1的叠加态，这将极大地提升计算相比还有些遥不可及的量子计算机，维因机的运算能力，密码破译等复杂运算的工作效兰德巨大的贡献更在于为世界上最准确的时钟率将实现飞跃。的诞生奠定了基础。这种

6、理论不仅能使钟表的也许就在这个世纪，量子计算机将彻底改准确性得到很大的提高，还有助于大幅提升GPS变我们，如同经典计算机在上个世纪改变了我导航的准确性。现代原子钟用的是铯原子，这们的生活那样。种原子在微波频率范围内振动，但可见光的振动频率远高于微波，每一次振荡都是完美时钟世界上最精准的时钟将诞生的一次“滴答”。当前使用较为普遍的铯原子钟能将误差控制在百万年至千万年不超过1秒的水让维因兰德荣获2012年诺贝尔物理学奖的平。但在维因兰德看来，由于铯原子释放的微成果同样是成功操控单个量子系统，不过他所波的震动频率不如可见光，原子钟的准确程度采用的方法与阿罗什却恰好相反——他捕捉和仍有很大的提升

7、空间。一种基于可发出可见光观测的是离子(带电的原子)，借助的则是激的铝离子的新型光学时钟，其精确度胜过铯原光。为观测粒子的量子特性，维因兰德同样设子时钟的100倍左右。维兰德说，这种新型光学置了“陷阱”，并将一些铍离子捕捉到陷阱中，时钟拥有惊人的精确度，宇宙诞生至今137亿年而他观测离子的方法是使用激光对它们进行冷的时间长河里只有5秒误差。却，使它们不再频繁运动、易于观测。维兰德利用如此精确的时钟，可以观察到一些极捕获离子的方法，是