楊先碧

在野外挖個(gè)陷阱，一些野生動(dòng)物就可能陷在其中難以逃脫。這是一種常見的捕捉野生動(dòng)物的方法。這種方法看似十分古老且平常，卻可以用于尖端的量子物理學(xué)研究領(lǐng)域。2012年10月9日，來自法國(guó)和美國(guó)的兩名“粒子獵手”一起獲得了2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。他們采用的就是設(shè)置陷阱的方法來捕捉粒子，只不過要設(shè)置這樣一個(gè)高科技陷阱，可比在野外挖坑難多了。

所謂粒子，是指能夠以自由狀態(tài)存在的最小物質(zhì)組分?？茖W(xué)家最早發(fā)現(xiàn)的粒子是電子和質(zhì)子，1932年又發(fā)現(xiàn)中子，確認(rèn)原子由電子、質(zhì)子和中子組成。以后這類粒子發(fā)現(xiàn)得越來越多，累計(jì)已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢(shì)。后來，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，微觀世界的粒子所遵循的物理規(guī)律和宏觀世界有所差異。宏觀世界的能量是連續(xù)的，而微觀世界的能量是按照最小的單元跳躍式增長(zhǎng)。這種能量的最小單元稱為量子，在此基礎(chǔ)上建立起來的物理學(xué)稱為量子物理學(xué)。

我們知道，在傳統(tǒng)物理學(xué)領(lǐng)域，我們要了解某個(gè)物體的特征，可以直接觀測(cè)單個(gè)的物體。比如，我們要總結(jié)滾動(dòng)摩擦的特性，可以用一輛帶輪子的小車來做實(shí)驗(yàn)。但是，量子物理學(xué)家不直接觀測(cè)單個(gè)粒子的微觀量子特征，而是先觀測(cè)一片粒子的宏觀活動(dòng)，然后推測(cè)出這些粒子的微觀量子特征。這是因?yàn)閱蝹€(gè)粒子實(shí)在太小且太活潑了，找到單個(gè)的粒子很不容易；即使找到它們，它們也不會(huì)按照某種規(guī)律停留在某個(gè)地方或某個(gè)軌跡上。

于是，科學(xué)家自然而然就想到設(shè)置個(gè)陷阱去困住這些粒子。這個(gè)思路聽起來很簡(jiǎn)單，但是，設(shè)置這個(gè)陷阱卻是個(gè)高難度的事情，一度被科學(xué)界認(rèn)為是不可能的事情。法國(guó)物理學(xué)家賽日爾·哈羅什率先完成了這個(gè)似乎不可能完成的任務(wù)。從1990年開始，他就在設(shè)法完成這個(gè)任務(wù)。最終，他在接近絕對(duì)零度（-273℃）的溫度條件下，用兩個(gè)高性能超導(dǎo)體充當(dāng)?shù)姆垂忡R組成了一個(gè)光學(xué)陷阱。這種陷阱的科學(xué)術(shù)語為高反射光學(xué)微腔，或光子阱。

接下來，哈羅什成功地把一些光子引入到光子阱中。這些光子被困在反光鏡陷阱中的時(shí)間僅僅為0.1秒。這個(gè)時(shí)間對(duì)我們普通人來說實(shí)在太短了，也不過一眨眼的工夫。但是，對(duì)于量子物理學(xué)家來說，這個(gè)時(shí)間已經(jīng)足夠長(zhǎng)了。這期間，光子不斷反彈的總移動(dòng)距離高達(dá)3萬千米，足以做很多測(cè)量和操控動(dòng)作。哈羅什就是抓住了這個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的機(jī)會(huì)，將一個(gè)極為活躍的“里德博原子”送入“陷阱”中作為探針。這個(gè)原子在捕獲光子后，將單個(gè)光子的量子信息呈現(xiàn)出來，就如同X光描繪出人體的內(nèi)部構(gòu)造—樣。

雖然哈羅什早在20年前就設(shè)置出光子阱，但是他一直堅(jiān)持從事這個(gè)領(lǐng)域的研究，并不斷獲得新的突破。2011年，哈羅什在光子阱實(shí)驗(yàn)中引入反饋機(jī)制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)光子阱中的光子數(shù)變少時(shí)，他就注入新光子，令光子阱中保持固定數(shù)目的光子。采用這樣的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，這超越了愛因斯坦希望光子困住幾秒的設(shè)想。

在哈羅什的實(shí)驗(yàn)中，光子是被囚禁的粒子，原子是探針。而美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)正好與之相反，他把離子（即帶電的原子）囚禁起來，用光子作為探針去探測(cè)和操控它。哈羅什用光學(xué)陷阱來囚禁光子，維因蘭德則用電磁場(chǎng)作為陷阱囚禁離子，這個(gè)陷阱的科學(xué)術(shù)語因此稱為離子阱。為了確保被囚禁的是單個(gè)離子，這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要在超高真空和超低溫的條件下進(jìn)行，這又是一個(gè)超級(jí)苛刻的要求。最終，維因蘭德完成了對(duì)單個(gè)離子的囚禁，測(cè)得了單離子的量子信息。

目前，離子阱和光子阱已被廣泛應(yīng)用于科學(xué)和技術(shù)研究的各個(gè)領(lǐng)域。尤其是近幾十年來，人們以離子阱為工具，把激光冷卻技術(shù)應(yīng)用于離子阱，為精密測(cè)量、制造新材料、觀察新現(xiàn)象、獲得新知識(shí)提供了廣泛的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

離子阱的研究還可以用來建造超高精度的原子鐘。在這種新型的原子鐘里，科學(xué)家用囚禁起來的離子取代了傳統(tǒng)原子鐘所采用的銫原子。目前，這種新型時(shí)鐘已經(jīng)達(dá)到了比傳統(tǒng)銫原子鐘高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的精度。在那樣的精度下，哪怕從宇宙大爆炸之初開始計(jì)時(shí)，迄今的累計(jì)誤差也只有區(qū)區(qū)幾秒。

和實(shí)現(xiàn)精密的測(cè)量、制造更精確的原子鐘相比，諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)可哈羅什和維因蘭德的原因，是他們開啟了量子計(jì)算機(jī)時(shí)代的大門。由于量子計(jì)算機(jī)在理論上要比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)快上成千上萬倍，人們十分期盼它能盡快變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。量子計(jì)算機(jī)研究面臨的難題之一就是如何操控單粒子的量子狀態(tài)，而兩位科學(xué)家的研究讓量子計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)變得扎實(shí)起來。目前，科學(xué)家最樂觀的預(yù)測(cè)是10年后才出現(xiàn)量子計(jì)算機(jī)。雖然量子計(jì)算機(jī)離實(shí)用還比較遙遠(yuǎn)，但是那一天一旦來到，新的技術(shù)革命也將隨之出現(xiàn)。

鏈接：

2012年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者簡(jiǎn)介

賽日爾·哈羅什，1944年生于摩洛哥的卡薩布蘭卡，現(xiàn)為法國(guó)籍。他1971年在巴黎第六大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)為法蘭西學(xué)院和巴黎高等師范學(xué)院教授。

大衛(wèi)·維因蘭德，1944年生于美國(guó)的密爾沃基，1970年在哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)任職于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和科羅拉多大學(xué)博爾德分校。