兩位獲獎(jiǎng)?wù)呔铝τ诹孔庸鈱W(xué)領(lǐng)域物質(zhì)粒子及光子基本相互作用力的研究工作。這個(gè)領(lǐng)域從20世紀(jì)80年代中期開始有飛躍性的發(fā)展。他們的工作有很多相同之處。大衛(wèi)?維因蘭德將帶電原子或離子置于勢阱中，控制并測量它們的光子。塞爾日?阿羅什則相反，控制并測量勢阱中的離子，通過勢阱向離子注入光子。
在勢阱中控制單個(gè)離子
在科羅拉多州博爾德市，大衛(wèi)?維因蘭德維因蘭德的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，帶電原子或離子被置于電場內(nèi)的勢阱中。該實(shí)驗(yàn)在真空和低溫條件下進(jìn)行，使粒子遠(yuǎn)離熱和輻射干擾。
維因蘭德實(shí)驗(yàn)的一個(gè)秘訣是使用激光脈沖。他用激光壓制離子在勢阱中的熱運(yùn)動(dòng)，使離子停留在最低能量狀態(tài)，從而觀測勢阱中離子的量子現(xiàn)象。一個(gè)細(xì)致調(diào)節(jié)好的激光束可以使離子進(jìn)入疊加態(tài)，該形態(tài)使一個(gè)離子同時(shí)存在于兩種不同狀態(tài)。例如，一個(gè)離子可以同時(shí)處于兩種能量值。它開始處于較低能量的狀態(tài)，激光的作用僅僅是向高能量狀態(tài)輕輕推它，能夠使它停留在兩種狀態(tài)的疊加中，進(jìn)入任何一種狀態(tài)有相等的可能性。這樣可以研究離子的量子疊加狀態(tài)。
在勢阱中控制單個(gè)光子
塞爾日?阿羅什和他的研究小組采取不同的方法揭示神秘的量子世界。在巴黎的實(shí)驗(yàn)室里，微波光子在相距3厘米的鏡片之間反彈。鏡片用超導(dǎo)材料制作，被冷卻到剛剛超過絕對(duì)零度。這是世界最閃耀的超導(dǎo)鏡片，單個(gè)的光子在它們之間的空腔反彈超過十分之一秒的時(shí)間，直到它丟失或被吸收。這意味著光子能夠穿越40000千米的長度，相當(dāng)于環(huán)繞地球一周。
量子操縱可以通過勢阱中的光子演示。阿羅什運(yùn)用特殊調(diào)制的原子，叫做Rydberg 原子（紀(jì)念瑞典物理學(xué)家Johannes Rydberg），完成控制和測量空腔內(nèi)微波光子的任務(wù)。一個(gè)Rydberg原子大致有典型原子1000倍的半徑，在一個(gè)合理選擇的速度下送入空腔，它和光子的相互作用在一個(gè)理想的控制下發(fā)生。
Rydberg原子穿越空腔并離開，留下光子，但之間的相互作用使原子的量子相位發(fā)生改變，就像一陣波。當(dāng)Rydberg原子離開空腔時(shí)，相位改變能測量得到，從而暗示空腔中光子的存在或逃逸。
利用相似的方法，阿羅什和他的團(tuán)隊(duì)可以數(shù)空腔內(nèi)的光子。光子不容易數(shù)，任何和外界接觸就會(huì)破壞。借助這個(gè)方法，阿羅什和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)后期方案一步一步實(shí)現(xiàn)單個(gè)量子狀態(tài)的測量。
量子力學(xué)悖論
量子力學(xué)描繪了一個(gè)肉眼無法觀測的微觀世界，很多與我們的期望和在經(jīng)典物理中的經(jīng)驗(yàn)相反。量子世界本身具有不確定性。例如疊加態(tài)，一個(gè)量子可以有多重形態(tài)。我們通常不會(huì)認(rèn)為一塊大理石同時(shí)是“這樣”也是“那樣”，除非是一塊量子大理石。疊加態(tài)的大理石只能確切地告訴我們大理石是每一種形態(tài)的概率。
我們?cè)谌粘Ｉ钪袨槭裁从^察不到疊加態(tài)，隨機(jī)性的這些方面？奧地利物理學(xué)家及諾貝爾獎(jiǎng)獲得者（1933年）歐文?薛定諤爭辯道。正如其他量子理論的先驅(qū)，他試圖理解和闡釋這些現(xiàn)象。1952年，他寫下：“我們從來沒有用一個(gè)電子、原子或者其他分子做過實(shí)驗(yàn)。在思想實(shí)驗(yàn)中，我們的假設(shè)，這總是導(dǎo)致可笑的后果……”
為了說明將我們的宏觀世界間思想實(shí)驗(yàn)移動(dòng)到微觀量子世界可能產(chǎn)生的荒謬的結(jié)果，薛定諤描述了一個(gè)關(guān)于貓的思想實(shí)驗(yàn)：薛定諤的貓被放在一個(gè)與周圍環(huán)境完全隔離的箱子內(nèi)。這個(gè)箱子內(nèi)有一瓶致命的氰化物，還有一些處于發(fā)射狀態(tài)的放射性原子衰變。放射性衰變遵循量子力學(xué)定律，因而它處于發(fā)射和未發(fā)射的疊加狀態(tài)。因此，貓?zhí)幱诨钪退懒说寞B加狀態(tài)?，F(xiàn)在，如果你窺視箱子內(nèi)部，你等于殺死了貓，因?yàn)榱孔盈B加態(tài)對(duì)環(huán)境作用非常敏感，觀察貓的瞬間，貓的“世界線”會(huì)“塌縮”到出現(xiàn)死或者活兩種結(jié)果中的一種。在薛定諤看來，這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了一個(gè)荒謬的結(jié)論。它在說明他應(yīng)該向出現(xiàn)的量子道歉。
2012年的兩位物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者能夠映射到當(dāng)外界環(huán)境參與時(shí)量子貓的狀態(tài)。他們?cè)O(shè)計(jì)了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)說明觀測這一行為實(shí)際上如何導(dǎo)致量子狀態(tài)的崩潰并失去其疊加特性的。阿羅什和 維因蘭德并沒有用貓，而是將勢阱中的離子放入薛定諤假設(shè)的疊加態(tài)中。這些量子物體盡管宏觀上沒有貓那樣的形狀，但相對(duì)于量子尺度仍然足夠大。
在阿羅什的空腔中，不同相位的微波光子被同時(shí)放置在像貓一樣的疊加態(tài)中，像同時(shí)有很多順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的秒表?？涨挥肦ydberg原子探測。結(jié)果出現(xiàn)了另一個(gè)難以理解的稱為糾纏態(tài)的量子效應(yīng)。糾纏也被薛定諤描述過，可以發(fā)生在兩個(gè)或多個(gè)量子之間，他們彼此沒有直接接觸，卻可以讀取或影響對(duì)方的屬性。微波場中量子的糾纏態(tài)和Rydberg原子的運(yùn)動(dòng)讓阿羅什映射生活和死亡的貓一樣的狀態(tài)，進(jìn)而一步一步，經(jīng)歷了從量子疊加態(tài)到被完全定義的經(jīng)典物理態(tài)的過渡。
新的計(jì)算機(jī)革命的邊緣
很多科學(xué)家預(yù)想的可能實(shí)現(xiàn)的運(yùn)用是量子計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)今的計(jì)算機(jī)，最小的攜帶信息單位是一個(gè)位，置1或清0。而量子計(jì)算機(jī)里，最小單位是一個(gè)量子位。維因蘭德的團(tuán)隊(duì)是世界首次演示一個(gè)量子代替兩個(gè)量子位。如果幾個(gè)量子位的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿?，更多量子位的組合也能夠成功。然而有許多問題，比如相對(duì)立的兩個(gè)問題：量子需要絕對(duì)隔離外界環(huán)境，以保持量子特性；而它們又需要和外界交換它們的運(yùn)算結(jié)果。本世紀(jì)量子計(jì)算機(jī)有可能完成。如果這樣，如同上個(gè)世紀(jì)計(jì)算機(jī)信息時(shí)代，量子計(jì)算機(jī)將帶來計(jì)算機(jī)領(lǐng)域一場全新的革命。
新的時(shí)鐘
戴維?維因蘭德和他的團(tuán)隊(duì)運(yùn)用勢阱中的離子制作了一個(gè)時(shí)鐘，比銫原子鐘精確100倍，它運(yùn)用可見光制作，故稱之為光鐘。一個(gè)光鐘僅包含一兩個(gè)勢阱中的離子。如果包含兩個(gè)，一個(gè)用來做鐘，另一個(gè)用來在不破壞它狀態(tài)的情況下進(jìn)行讀取，或者錯(cuò)過一個(gè)刻度。光鐘的精確度高于10的17次方，這說明如果從大約140億年前的大爆炸開始計(jì)時(shí)，光鐘到現(xiàn)今的偏差僅為5秒。
利用如此精確的時(shí)鐘，可以觀察到一些極其微妙美麗的自然現(xiàn)象，例如時(shí)間流逝，重力的微小變化，時(shí)空的交織。根據(jù)愛因斯坦相對(duì)論，時(shí)間可以被運(yùn)動(dòng)和重力影響。速度越高，重力越強(qiáng)，時(shí)間流逝越慢。通常我們不能察覺到這種現(xiàn)象。運(yùn)用GPS導(dǎo)航時(shí)，我們依賴衛(wèi)星上由于幾百公里外的上空重力變?nèi)醯挠绊懚枰ㄆ谛?zhǔn)的時(shí)間信號(hào)。運(yùn)用光鐘，我們可以測量速度變化小于10米每秒，或者高度差為30厘米處重力改變所引起的時(shí)間流逝變化。
（環(huán)球科學(xué) 張倩羽）
