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郭光灿院士为我们解读今年的诺贝尔物理学奖

atlas

2012/10/22

我来谈一下关于2012年诺贝尔物理奖的情况，题目叫做《量子调控新纪元》，这个物理奖和量子调控非常有关系。这个奖给了两位科学家，一位是法国的阿罗什，第二位是美国的瓦恩兰，诺贝尔奖对他们的评价是，在实验方法上的基础性突破，使得单量子操作和单量子测量成为可能。非常简短，但是非常中肯，关键词是实验方法，这个实验方法不是一般的实验，而是基础性的突破。

为了讲清究竟为什么给他们诺贝尔奖，他们的工作到底有多大的意义，我们要讲一下量子是什么，这样才能理解这个背景。我们知道，我们的世界叫经典世界，满足牛顿力学的经典物理，这个世界的特点就是确定性，轨道确定、位置确定。当微观到了一定尺度的时候，这个世界叫做量子世界，不再是确定的了，所以这两个世界规律不一样。而诺贝尔奖给了在量子世界做了一种基础性的实验方法的两名科学家。

量子世界到底有什么特点，为什么诺贝尔奖给了量子世界基础研究的方法呢？在经典世界的一个位置确定，如果有两条路，A和B，轨迹是确定的，要么选择其中一条。但是量子世界不一样，如果从这儿走到那儿，量子世界证明它是两条路同时走。所以量子世界很多是奇怪的，是不一样的，是概念性的。所以它遵从了一个定律，叫叠加原理。一个微观世界所允许的态，二是另外一个可以允许的态，所有允许的态加起来，那也是允许的，这叫叠加原理。这样一种状态的描述是量子世界的特点，也是基本的一个量，这个决定量子要调控什么？就是调控量子态，一旦调控了，量子的性质就不同，工作性质是瞄准微观世界的调控。但是怎么调控是一个新的领域。

我们分开讲单子量子调控的时限。法国的阿罗什做了什么工作？他在一个腔里面，把单个光子囚禁在光腔里，就是量子的操控。再把腔里放单个原子，使单个原子和光子相互作用，通过腔的损耗来调控他们俩的状态，所以他的实验是从这儿出发的。他构造了这样一个想法，来调控微观粒子的状态，这是他的起点。1996年，他已经调控到原子在一个光子作用下，原子会上下跳，光子好象来回跳舞。这证明光子是量子的，第一次用他发明的这个办法做出来。另外把里德堡原子和光子纠缠，用消相干的过程看原子状态发生的变化。在一个微波腔里面来一个受控位门，如果有一个光子、原子的位相是什么样，两个光子位相怎么样，所以实现光子数的态和原子的受控位门，这是量子计算的一个基本原件，他在这个实验上面演示出来了。

另外他做了介光原子和里德堡原子的纠缠。这是法国科学家所做的主要工作。美国的科学家叫做瓦恩兰，他做的工作是离子，把单个离子囚禁在一个阱里面，再把它冷却到非常低的温度，用激光操控离子的状态，所以他们两个都是单一量子体系的操控和测量，但一个是原子一个是量子。首次实验设备让两个离子纠缠起来，这是他的操控，两个离子纠缠在一起，最后扩充到四个离子纠缠。证明这个办法可以让更多离子纠缠，导致量子计算的产生，这是他们所做的前期工作。后来把单离子的量子操控门做出来，实现远程离子之间的传送。在以前人们是用光子把一个量子信息从一个地方传到另一个地方，但是光子不传过去叫做量子隐型传态，这个传态是幽灵般的操控，在实验上做成了，它的任务是用离子的办法来做，这是2004年的工作。

他的工作最重要的应用是时间标准，这个时间标准非常重要，大家都知道。从1950年开始，10的10次方，越来越高。到了1995年左右，用光学的办法把原子冷却，用单一的离子精度可以更高，他们用量子纠缠，2005年把两个离子，一个离子做平均标准，另外一个离子和他纠缠，操控单个离子，然后测量另一个离子使精度提高到10的负8次方，这些工作是他们两个最大的贡献，最早期两个单一离子操作，使的整个量子调控成为可能。这是它的意义。

我们的工作和法国的有点关系，下面的PPT是我2003年写的，那时候申报国家自然基金二等奖，我把其中的内容给摘下来了。我们做的工作是：做量子计算机，单个原子和单个光子纠缠，碰到的困难是腔有损耗，呆不住，如果要呆住，腔要做得非常好，但当时的技术根本做不出来，所以这个方案虽然很理想，但是往下做不下去。我们提了一个新的方案，我们用两个原子，非共振，我们算出来不需要这个腔非常好，现在的腔就可以做出来，这是理论的方案。一年之后，我们证明了我们这个方案还可以做两个原子纠缠，可以做受控非门，可以做量子隐形传态，我们把它的信息功能从里面算出来，这篇文章到现在已经引用600多次。

第一个在实验上做出来的就是阿罗什，就是得诺贝尔奖的阿罗什。他做出来以后给我发了E-mail，我第一次知道有人做我们的实验，他说我们在实验上验证了你们的理论，所以他成功地做了这个工作。他的文章摘要上首先说，我们将报道，按照郑和郭所提出的方案，做出来两个原子的纠缠，这个方案有主观性，可以做很多信息的功能。这是诺贝尔奖解读的大概情况。

这个领域已经发展得非常快，当然现在的技术已经超过当初的技术，但是起点是他们。我们现在关注的不是单个，而是多个离子的纠缠，比如两个腔怎么连在一起，这是将来要做的。有各种各样腔的办法，还有光学腔，物体腔，超导腔也在做。现在做量子计算机，实际上就是芯片，把很多离子纠缠在一起，分到各个区里面，如果这个能实现，量子计算机有希望从这儿走。所以他们两个的工作就是开创了这样一个领域，最原始的实验。

这是我要介绍的。谢谢大家。

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