王力軍

（清華大學(xué)物理系；精密儀器與機(jī)械學(xué)系；中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院－清華大學(xué)精密測(cè)量聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 從研究光到認(rèn)知量子世界

人類追求對(duì)光的本質(zhì)的理解，由來(lái)已久.1814年前后，夫瑯禾費(fèi)發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)譜線（Fraunhofer lines）.這是人類科學(xué)史上的一個(gè)里程碑.這個(gè)發(fā)現(xiàn)直接導(dǎo)致了在19世紀(jì)60年代?ngstr?m 等人發(fā)明了光譜學(xué)的方法，繼而很多物質(zhì)的光譜被測(cè)量.例如，大家熟知的巴爾末譜線則成為后來(lái)玻爾原子模型所解釋的重要現(xiàn)象之一.當(dāng)然，在現(xiàn)代，光譜學(xué)一直是天文學(xué)最重要的實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)方法.

回顧早期量子物理理論的建立，在眾多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的積累中，如下的幾項(xiàng)可能是最根本的.從19世紀(jì)60年代Kirchhoff開(kāi)始的對(duì)于黑體輻射的研究導(dǎo)致了經(jīng)典理論無(wú)法精確解釋測(cè)量到的光譜分布—進(jìn)而導(dǎo)致了普朗克提出量子論.1887年赫茲觀察到光電效應(yīng).1888 年P(guān).Lenard開(kāi)始研究陰極射線，繼而于1902年實(shí)驗(yàn)確定了光電效應(yīng)中光電子的最大能量與光強(qiáng)無(wú)關(guān)，而與照射光的顏色有關(guān).1905年愛(ài)因斯坦給出了這一發(fā)現(xiàn)的量子解釋.1897 年J.J.Thompson 發(fā)現(xiàn)電子.而Lenard與Thompson的實(shí)驗(yàn)中都觀測(cè)到電子散射，這提示了電子是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于當(dāng)時(shí)人們模糊接受的“原子”的尺寸.另外一個(gè)提示就是：這些組成物質(zhì)的基本單元“原子”里面大部分地方是空的.之后，1913年密立根的油滴實(shí)驗(yàn)明確給出了電子所攜帶電荷是分立的，更加強(qiáng)了“量子”的概念.1910年前后，基于1896年貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的鈾放射性，盧瑟福的一系列α－粒子實(shí)驗(yàn)指向了原子核的存在和原子的基本模型.這就是大家耳熟能詳?shù)牟栐幽Ｐ?1912～1914 年的Franck－Hertz實(shí)驗(yàn)可能是當(dāng)時(shí)對(duì)玻爾模型的最重要的證實(shí).至此，光的粒子性和量子理論、原子的基本模型就都建立了.量子力學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)表達(dá)的建立雖然還需些許時(shí)間，但是，框架已經(jīng)都搭起來(lái)了.

這是近代物理學(xué)最光輝的歷史，也是一段驚心動(dòng)魄的過(guò)程：因?yàn)榱孔诱摰慕⒆允贾两K是個(gè)猜謎的過(guò)程.而且，在這個(gè)過(guò)程中也曾經(jīng)有過(guò)錯(cuò)誤的模型出現(xiàn)并在新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和發(fā)現(xiàn)面前被放棄.所以，物理學(xué)家們才會(huì)不斷地設(shè)計(jì)各種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證量子理論的正確性.

此后，原子核模型的建立也是一個(gè)類似的過(guò)程.一方面是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和事實(shí)的大量積累，另一方面是模型的建立和檢驗(yàn).而貫穿其中的是新實(shí)驗(yàn)手段、方法和儀器的發(fā)明.

第二次世界大戰(zhàn)中，戰(zhàn)爭(zhēng)的需要帶來(lái)了應(yīng)用物理學(xué)的高速發(fā)展.兩個(gè)重要的方面就是核物理（原子彈）和微波技術(shù)（雷達(dá)）.各國(guó)在此方面都培養(yǎng)了大批的年輕科學(xué)家.戰(zhàn)后，很多人又重新回到大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)，開(kāi)創(chuàng)了新的領(lǐng)域.

這又是一段物理學(xué)蓬勃發(fā)展的階段.在核物理方面，一方面是對(duì)各類原子核的深入研究，另一方面基于加速器的發(fā)明，高能粒子物理飛速發(fā)展.同時(shí)，基本粒子的物理理論也紛紛產(chǎn)生、完備.

在微波波譜方面，各國(guó)也有著長(zhǎng)足的發(fā)展.微波激射器（Maser）的發(fā)明源于對(duì)高譜純度微波源的需求.而基于同樣原理的激光的出現(xiàn)，則給傳統(tǒng)的光譜學(xué)帶來(lái)了第二個(gè)春天.射電天文學(xué)觀測(cè)方法的發(fā)明，宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)，衛(wèi)星通信等等，都是那個(gè)階段微波科技發(fā)展的杰出范例.同時(shí)，核物理與微波譜學(xué)的結(jié)合：核磁共振則是一個(gè)重要的基礎(chǔ)研究熱點(diǎn).其應(yīng)用——核磁共振成像，在今天已經(jīng)是人類診斷疾病的最重要手段之一.

特別值得一提的是微波原子鐘.自1930年I.Rabi提出利用磁共振作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)后，第一臺(tái)實(shí)用的銫原子鐘于1955年由L.Essen 在英國(guó)首先實(shí)現(xiàn).原子鐘的出現(xiàn)，改變了人類計(jì)時(shí)的方法，改變了人類對(duì)時(shí)間（秒）和長(zhǎng)度的定義.進(jìn)而，使得全球衛(wèi)星定位（如GPS，北斗，等等）成為可能.

2 QED—量子理論的精密檢驗(yàn)

光、微波等電磁場(chǎng)與原子、原子核等物質(zhì)粒子的相互作用，始終是物理學(xué)研究的重點(diǎn).光譜等波譜學(xué)，不僅僅是探測(cè)物質(zhì)粒子的手段，也逐漸成為精密檢驗(yàn)物理理論的重要方法.1947年Lamb 對(duì)于氫原子能級(jí)移動(dòng)的精密測(cè)量不僅檢驗(yàn)了對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的更深刻的理論，更重要的是指出了用波譜學(xué)檢驗(yàn)物理理論的道路.

同期，1949年N.F.Ramsey發(fā)明了他著名的“分離振蕩場(chǎng)”方法，大大提高了原子微波譜學(xué)測(cè)量的精度，為銫束原子鐘奠定了基礎(chǔ).

另外的一個(gè)研究方向是利用電磁場(chǎng)“操控”物質(zhì)粒子的量子狀態(tài).這方面的一個(gè)杰出代表是20世紀(jì)50年代初期，A.Kastler在“光泵浦”方面的工作：通過(guò)施加外加光、微波輻射場(chǎng)可以改變?cè)拥膬?nèi)在量子態(tài).當(dāng)然，后來(lái)我們知道，當(dāng)這些原子共同通過(guò)受激輻射再次產(chǎn)生光的時(shí)候，就可以形成激光.

所以，在20世紀(jì)50年代，物理學(xué)家們就意識(shí)到了光與原子相互作用是物理學(xué)中一個(gè)最重要的方法.但是，這個(gè)方法使用起來(lái)碰到了兩個(gè)麻煩.第一個(gè)困難：沒(méi)有高強(qiáng)度的相干光源.當(dāng)然，這一點(diǎn)在Maser和激光發(fā)明后得到了較快的解決.雖然研究者不斷發(fā)明或期盼更好的激光光源，但相比于以前使用的燈一類光源和更早的陽(yáng)光分光光源要好得太多了.然而，第二個(gè)困難要大得多：多普勒頻移和展寬.為了更精確地測(cè)量原子等物質(zhì)粒子的譜線，就必須剔除由于其運(yùn)動(dòng)而引起的多普勒頻移.

R.Dicke在1953年指出，一級(jí)多普勒效應(yīng)可以通過(guò)將物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)范圍限制在遠(yuǎn)小于輻射場(chǎng)波長(zhǎng)的范圍內(nèi)消除.這個(gè)被稱為“Dicke narrowing”的效應(yīng)早期往往通過(guò)加強(qiáng)與緩沖氣體原子的碰撞來(lái)實(shí)現(xiàn).這個(gè)效應(yīng)與1958 年發(fā)現(xiàn)的M?ssbauer效應(yīng)很類似：就是將粒子的運(yùn)動(dòng)限定在很小的區(qū)域并且將其反沖動(dòng)量轉(zhuǎn)移給一個(gè)宏觀體系.但是，碰撞的方法無(wú)法用來(lái)控制一個(gè)單個(gè)的粒子.

這就要提起一位德國(guó)原子與原子核物理學(xué)家H.Kopfermann（Franck 的學(xué)生）.他在二戰(zhàn)之中參與了當(dāng)時(shí)納粹德國(guó)的核計(jì)劃，試圖用電磁方法分離鈾.他的兩位弟子W.Paul和H.Dehmelt于1989年分享了當(dāng)年一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（另一半表彰N.Ramsey）.Paul發(fā)明的離子阱方法使用交變電磁場(chǎng)人為地制造出囚禁帶電粒子的空間勢(shì)阱，應(yīng)用于粒子囚禁.此外，這個(gè)方法現(xiàn)在廣泛地應(yīng)用于質(zhì)譜儀，是當(dāng)今最重要的分析手段之一.Dehmelt精密地測(cè)量了囚禁中電子的g－因子（電子反常磁矩），至今是QED 最精密的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

他們發(fā)明的離子囚禁方法使得研究單一的量子體系（單個(gè)或幾個(gè)離子）成為可能.

3 操控單個(gè)量子體系

今年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的兩位科學(xué)家Serge Haroche 和David J.Wineland 成 功 地 測(cè)量、操控了單個(gè)量子體系.

Wineland博士師從Ramsey，精密地測(cè)量了氘原子的超精細(xì)頻移.之后在Dehmelt組做博士后研究期間，成功地利用Penning離子阱囚禁單個(gè)電子，為后來(lái)該組成功地測(cè)量電子反常磁矩奠定 了 基 礎(chǔ).1975 年，T.Haensch 和 A.L.Schawlow 與D.J.Wineland和H.Dehmelt分別提出激光冷卻中性原子和囚禁離子的方案.

1978年4月，德國(guó)海德堡大學(xué)P.Toschek組（他曾師從Paul，Dehmelt也參與了實(shí)驗(yàn)）和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局（NBS，現(xiàn)為NIST）的Wineland組同時(shí)投稿報(bào)道實(shí)現(xiàn)了囚禁離子的激光冷卻［1，2］（圖1）.最初的激光冷卻是在離子云上實(shí)現(xiàn)的.之后，兩個(gè)組又分別于1980 年和1981 年觀測(cè)到單個(gè)囚禁離子.Wineland這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)是利用鎂離子完成的.之后，實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)移到汞離子上.因?yàn)槠銿－型能級(jí)結(jié)構(gòu)，汞離子可以是很好的一臺(tái)光頻原子鐘的選擇.1986年，Dehmelt，Toschek，和Wineland 三個(gè)組同年實(shí)驗(yàn)演示了利用“quantum jump”的方法高效地探測(cè)離子是否從基態(tài)躍遷到亞穩(wěn)態(tài).1987 年，他們又成功地演示了對(duì)于人為囚禁的離子，其空間運(yùn)動(dòng)是量子化的.1989 年，Wineland成功地將其囚禁離子的空間運(yùn)動(dòng)量子態(tài)冷卻到了基態(tài).

圖1 摘自D.J.Wineland［2］：激光冷卻過(guò)程中測(cè)量到的離子云溫度與冷卻激光開(kāi)啟、關(guān)閉前后的演變.

經(jīng)過(guò)30余年的不懈努力，2008年，Wineland組使用鎂、鋁離子協(xié)同冷卻和量子邏輯探測(cè)的方法，在第17位有效數(shù)字上比較了鋁離子與汞離子的躍遷頻率［3］.之后，他們又測(cè)量了此光頻原子鐘因?yàn)?3cm 高度變化而引起的引力紅移，與廣義相對(duì)論預(yù)言的結(jié)果相符.

通過(guò)離子阱囚禁和激光冷卻的方法，以Wineland為代表的一代科學(xué)家們?cè)谶^(guò)去的30～40年內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單一物質(zhì)粒子的俘獲和操控.將此粒子孤立于外界，而通過(guò)人為施加的外界電磁場(chǎng)，成功地操控粒子的量子態(tài).而且，還能夠使用該孤立粒子的量子態(tài)間的躍遷頻率作為下一代、超高精度光頻原子鐘的鑒頻器.

相比于孤立一個(gè)物質(zhì)粒子，人們也可以將一個(gè)單一的光子“俘獲”或者“囚禁”于一個(gè)有限的空間內(nèi).一個(gè)非常出色的例子是將一個(gè)微波光子囚禁于一個(gè)波長(zhǎng)尺寸的諧振腔內(nèi)（圓柱體腔或者F－P腔）.使用超導(dǎo)體作為諧振腔的材料，腔的Q 值經(jīng)?？梢赃_(dá)到～109［4，5］，光子存儲(chǔ)時(shí)間可達(dá)0.1s！

如果仔細(xì)調(diào)諧腔的本征頻率，則可以與一些堿金屬（例如Rb）的里德堡原子共振.而諧振腔的作用之一就是使得腔內(nèi)很少（甚至平均少于1個(gè)）的光子反復(fù)與進(jìn)入腔內(nèi)的單個(gè)里德堡原子相互作用.當(dāng)相互作用的強(qiáng)度（Rabi頻率）大于原子相關(guān)能級(jí)的線寬和腔的損耗線寬，那么，就達(dá)到了所謂的“強(qiáng)耦合”極限.

在“強(qiáng)耦合”的情形下，一個(gè)極限就是單個(gè)原子與單個(gè)光子相互作用.這樣的體系是量子物理早期所沒(méi)有的.光電效應(yīng)是光子一個(gè)個(gè)地與多個(gè)原子相互作用.而測(cè)量原子光譜則是假設(shè)原子都是相同的，一個(gè)個(gè)地與含有許多光子的光場(chǎng)相互作用.如今，這樣一個(gè)人造的，反常干凈的體系則允許我們對(duì)單個(gè)光子與單個(gè)原子的QED 相互作用進(jìn)行實(shí)驗(yàn).首先達(dá)到了強(qiáng)耦合極限的是1984年馬普量子光學(xué)所H.Walther教授組里實(shí)現(xiàn)的“單原子Maser”5.很多QED 預(yù)言的現(xiàn)象可以在這樣一個(gè)體系內(nèi)得到驗(yàn)證.

一個(gè)直接的結(jié)果就是：這時(shí)光場(chǎng)也必須量子化.而取決于光場(chǎng)中有幾個(gè)光子，原子的反應(yīng)也不一樣——即Jaynes－Cummings模型.這在腔QED中極其典范地驗(yàn)證了.另外，通過(guò)探測(cè)原子的反應(yīng)，也就可以探測(cè)（或者說(shuō)反推）腔內(nèi)光場(chǎng)里有幾個(gè)光子.圖2顯示了2007年Haroche組演示單個(gè)光子非破壞性探測(cè)的實(shí)驗(yàn)4.

圖2 摘自Gleyzes［5］：上圖，單個(gè)光子非破壞性探測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.一束里德堡原子在B處被制備到量子疊加態(tài)后，依次經(jīng)過(guò)兩個(gè)Ramsey分離振蕩場(chǎng)區(qū)域R1，R2，及處于其間的高品質(zhì)諧振腔C.取決于C 內(nèi)是否存在單個(gè)光子［下圖］，相應(yīng)的里德堡原子量子疊加態(tài)的相位將會(huì)不同.因此，測(cè)量此相位即構(gòu)成了對(duì)腔內(nèi)光子數(shù)的非破壞性測(cè)量.

Haroche博士期間在法國(guó)Kastler實(shí)驗(yàn)室?guī)煆腃.Cohen－Tannoudji（1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）.之后他又于1972～1973 年在Stanford的Schawlow 教授（1981 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）組做博士后.他的杰出工作，在很大程度上，也是沿著A.Kastler（1966年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者）首先展示的道路：通過(guò)光與物質(zhì)粒子的相互作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)量子態(tài)的測(cè)量和操控.Haroche教授，Walther教授，還有同一個(gè)時(shí)期的Kimble教授等若干知名學(xué)者對(duì)于腔內(nèi)量子電子學(xué)，特別是關(guān)于單個(gè)光子與單個(gè)原子的量子相互作用的研究，開(kāi)拓了人類操控單個(gè)量子態(tài)的物理基礎(chǔ)，積累了大量的實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法.

4 展望

光與物質(zhì)粒子的相互作用是早期探索物理本質(zhì)的重要方法.隨著科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，人類開(kāi)始發(fā)明并掌握了操控量子體系的能力.這個(gè)從上世紀(jì)中期開(kāi)始出現(xiàn)的現(xiàn)象，隨著技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)更加普遍.

從Wineland，Toschek 等首次演示激光冷卻囚禁離子后，激光冷卻的方法已經(jīng)普及到世界上眾多的實(shí)驗(yàn)室.這方面的進(jìn)展是驚人的.中性原子的冷卻提供了制作BEC、光晶格等一系列人為實(shí)驗(yàn)條件的可能，而由此產(chǎn)生的極端實(shí)驗(yàn)條件也會(huì)繼續(xù)發(fā)展.一方面，這個(gè)進(jìn)展會(huì)提供更多的機(jī)會(huì)，在更多的極端條件下檢驗(yàn)我們對(duì)于自然界的基本理論和理解.另一方面，激光技術(shù)的進(jìn)步和超冷物質(zhì)粒子的制備，使得在更高精密度上測(cè)量各類物理量成為可能，提供更高精度的檢驗(yàn).

一個(gè)重要的發(fā)展方向是應(yīng)用.最直觀的發(fā)展就是對(duì)于時(shí)間基本單位：秒的定義.能夠制備完全不受外界影響的物質(zhì)粒子，那么，其內(nèi)部的本征量子態(tài)間躍遷的本征頻率就是最好的頻率參考和秒定義的基礎(chǔ).

其次，假如我們首先制備與外界完全隔離的量子體系，然后再人為地允許其與某個(gè)單一的外界物理量（例如靜磁場(chǎng)）耦合，那么，通過(guò)探測(cè)該量子體系相應(yīng)物理量的變化，就構(gòu)成對(duì)外界物理量的絕對(duì)測(cè)量.這是近年來(lái)計(jì)量學(xué)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)：盡量將各種元基準(zhǔn)定義于最基本的量子物理過(guò)程——量子計(jì)量學(xué).這個(gè)發(fā)展方向也是源于多年來(lái)對(duì)量子物理研究而產(chǎn)生的一個(gè)信心：孤立的量子體系，當(dāng)加以適當(dāng)修正后（例如對(duì)原子鐘需要加以引力紅移修正），其可重復(fù)性是不受時(shí)間和地點(diǎn)影響的.當(dāng)前的挑戰(zhàn)是如何進(jìn)一步提高測(cè)量精度.

再次，從20世紀(jì)90年代中期興起的量子信息研究，經(jīng)歷了10余年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展.雖然其最終的應(yīng)用前景還有待時(shí)間來(lái)證實(shí)，但是，這是量子技術(shù)應(yīng)用的又一次嘗試.量子相干性和量子糾纏是否能夠真正轉(zhuǎn)換成信息科學(xué)上有效的應(yīng)用，還需拭目以待.但是，至少在原子鐘等技術(shù)上，量子相干性已得到了廣泛的應(yīng)用.

［1］W.Neuhauser，M.Hohenstatt，P.Toschek，and H.Dehmelt，Optical－Sideband Cooling of Visible Atom Cloud Confined in Parabolic Well，Phys.Rev.Lett.41，233（1978）

［2］D.J.Wineland，H.E.Drullinger，and F.L.Walls，Radiation－Pressure Cooling of Bound Resonant Absorbers，Phys.Rev.Lett.40，1639（1978）

［3］T.Rosenband et al.，F(xiàn)requency Ratio of Al＋and Hg＋Single－Ion Optical Clocks；Metrology at the 17th Decimal Place，Science 319，1808（2008）

［4］S.Gleyzes1，et.al.，Quantum jumps of light recording the birth and death of a photon in a cavity，Nature，446，297（2007）

［5］D.Meschede and H.Walther，G.Muller，One－Atom Maser，Phys.Rev.Lett.54，551（1985）