诺贝尔物理学奖论文.doc

2012诺贝尔物理学奖简介 北京时间2012年10月9日下午5时45分，在瑞典首都斯德哥尔摩的卡罗琳斯卡医学院，2012年诺贝尔物理学奖的获奖者名单揭晓。获奖者为法国科学家沙吉哈罗彻（Serge Haroche）与美国科学家大卫温兰德（David J. Wineland）。 量子理论是现代物理学的两大基石之一。颁奖词称，两位获奖者的研究成果为量子理论研究提供了突破性的研究成果。两位获奖者将分享800万克朗（约合110万美元）的诺贝尔奖奖金。瑞典皇家科学院授予这二人奖项的原因是他们在“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”。塞尔日阿罗什和大卫维因兰德独立地发明并拓展出能够在保持个体粒子的量子力学属性的情况下对其进行测量和操控的方法，而这在之前被认为是不能实现的。在不破坏单个量子粒子的前提下实现对其直接观测，两位获奖者以这样的方式为量子物理学实验新纪元开辟了一扇大门。对于单个光子或物质粒子来说，经典物理学定律已不再适用，量子物理学开始“接手”。但从环境中分离出单个粒子并非易事，而且一旦粒子融入外在世界，其神秘的量子性质便会消失。因此，许多通过量子物理学推测出来的现象看似荒诞，也不能被直接观测到，研究人员也只能进行一些猜想实验，试图从原理上证明这些荒诞的现象。通过巧妙的实验方法，阿罗什和维因兰德与研究小组一起成功地实现对量子碎片的测量和控制，颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测到的看法。这套新方法允许他们检验、控制并计算粒子。他们的方法大同小异，大卫维因兰德是利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者离子，Serge Haroche采取了相反的方法：通过发射原子穿过阱，他控制并测量了捕获的光子或粒子。 两位获奖者均在量子光学领域研究光与物质间的基本相互作用，这一领域自1980年代中期以来获得了相当多的成就。他们的突破性的方法，使得这一领域的研究朝着基于量子物理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步。就如传统计算机在上世纪的影响那样，或许量子计算机将在本世纪以同样根本性的方式改变我们的日常生活。极端精准的时钟在他们研究的推动下应运而生，有望成为未来新型时间标准的基础，而其精准度超越现代铯时钟百倍以上。他们的突破性研究，让原本神秘的量子世界不再“与世隔绝”。与人们熟知的世界截然不同，自然界还存在着另类世界，被称为量子世界。在量子世界中，粒子行为不遵从经典物理学规律，人类对量子的观测更是难上加难。而通过巧妙的实验方法，阿罗什和维因兰德的研究小组成功地实现对单个量子系统的测量和控制，颠覆了之前人们认为的其无法被直接观测的看法。 “这是两种开创性的技术，后来都发展成为量子研究领域新的研究手段和实验技术。” 中科院院士、中科大量子信息重点实验室主任郭光灿在接受中国科学报记者采访时说。阿罗什的工作是打造出一个微波腔，借助单个原子在微波腔中会辐射或吸收单个光子的特性，实现了操纵单个光子。而维因兰德则制造出了一个离子阱，先用光来俘获离子，然后用激光冷却离子，进而对离子进行测量和控制。腔量子电动力学与离子阱系统都是很干净的量子系统，但是腔量子电动力学系统对单个原子的精确操控比较麻烦，需要用光场束缚冷却原子，并精确的操控其位置。所以Haroche选择用原子作为测量器来探测腔中光子的状态。与腔量子电动力学系统不同，离子阱系统对单个原子的操控是比较容易的，改进技术之后，也很容易实现两个原子的操控。因此不难理解离子阱系统能最早在实验上实现量子逻辑门，Wineland也因此获得了诺贝尔物理学奖。经过十几年的发展，人们已经实现了十几个离子阱量子比特的操控。但是进一步扩展遇到了很大的困难，这是离子阱技术本身带来的难以逾越的问题：我们无法无止境的增大离子阱来容纳更多的离子。 在2005年附近，耶鲁有一个研究组提出，在超导电路中，制造一个LC的震荡回路器件，设计好电容和电感的大小，可以操控这个震荡电路的本征频率到微波波段。同时超导电路的损耗也可以降低到几乎可以忽略。这个震荡电路就可以看成是电路上的微波腔。而我们已经可以在电路中利用超导体的量子效应制备出宏观的人工二能级原子，或者说量子比特。把超导量子比特与超导震荡电路集成在一起，我们就得到了超导电路量子电动力学系统。这个系统很类似于Haroche所研究的利用两面高反射镜与理德堡原子耦合得到的腔量子电动力学系统，可以算是Haroche实验装置的改进升级版。在这个改进升级了的超导微波腔量子电动力学系统中，我们获得的额外在于：可以任意操控人工原子的频率、位置以及与腔中微波光子的耦合强度。而最吸引人的地方是：这是一个电路系统，我们可以很容易的扩大系统的规模，我们在超大规模集成电路中积累的技术也可以应用在这里。 离子阱自然也不会坐以待毙。既然单个离子阱无法容纳太多的离子，那么我们也改进设计。目前人们正在研究在固体表面形成的表面离子阱，可以做得非常小，一个芯片上可以做出离子阱的阵列来，而且可以引入离子阱之间的耦合。但是，要真正的扩大离子阱量子计算的规模，还是得引入量子网络技术。利用光作为媒介形成相互远离的离子阱之间的全量子网络，整个量子网络可以看成一台大的量子计算机。即使每个离子阱内的量子比特数很少，但是整个网络的计算能力可以很强悍。 “在科学上，他们的研究标志着人类对物质的操控能力大大提高了。”中科院院士潘建伟在接受中国科学报记者采访时评价，“具备这一能力后，量子计算和精密测量便有了变为现实的可能性。”比如，用于制造卫星导航、飞机上GPS所需要的精确时钟。 山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室教授张天才对中国科学报记者说，这些实验方法在单原子、单离子和单光子的水平上深刻地揭示了微观量子世界