把玩单个微观粒子的量子系统——2012年诺贝尔物理学奖介绍.pdf 5页

第32卷第1期大学物理V01．32NO．12013年1月COLLEGEPHYSICSJan．20l3把玩单个微观粒子的量子系统——2012年诺贝尔物理学奖介绍王义遒(北京大学信息科学技术学院，北京100871)摘要：2012年诺贝尔物理学奖因发明测量与操控单个量子系统的方法而授予了S．Haroche和D．J．Wineland．本文简单介绍这两位得主的主要贡献，对Haroche主要是利用微波腔测量单个光子，对Wineland则是利用离子阱囚禁并冷却了单个离子．文章介绍了这些方法的基本原理，同时指出了他们对阐释和验证量子力学理论，以及对实现量子计算机和特高精度原子钟等实际应用中的重要意义．关键词：诺贝尔物理学奖；单个微观粒子；量子系统中图分类号：O413文献标识码：A文章编号：1000—0712(2013)01．0001—04科学上常常会发生这样的事：一个蓬勃发展的尔物理学奖，标志着原子物理学领域的又一次新领域在持续一段高涨时期后会逐渐枯竭，以为有关开拓．问题已经解决殆尽了，新的生长点再也不见了；可是大家知道，要探索一件事物的真相和特性，就一旦遇到新的方法和技术突破，就会像枯木逢春，开要把这件事物从周围环境及其他事物的作用中孤辟出新的天地，枝叶繁茂，又是一个朝气蓬勃的新学立起来，以免受后者的干扰和影响；还要使它基本科!原子物理学就是这样，上世纪5O年代，人们以上停止运动，以免它一晃而过，做不了仔细把玩和为原子结构已经完全清楚了，高分辨率光谱虽然还详尽观测．1997年的诺贝尔物理学奖授予了发明能提供一些新信息，但都已是细微末节，难以有思想和发展了激光冷却和陷俘原子方法和技术的s．概念上的新突破了．但是，由于光抽运方法和激光技Chu(朱棣文)、C．Cohen—Tannoudji和W．D．Phil．术的发明和发展，人们找到了操控原子分子的手段1ips，他们的开创性工作可以使原子孤立起来，并和技术，忽然发现原子物理学还有不少新殿堂，蕴藏且将其速度降低到接近静止的程度．冷却原子温着大量珍宝．于是原子物理学得到了新生，并极大地度可以使原子进入到一种称为“玻色一爱因斯坦凝推进了整个物理学的发展．1981年以来获得的6个聚”的状态，它具有许多奇妙特性，现在已经开辟了一门新的物理研究领域，叫做“冷原子物理学”．诺贝尔物理学奖见证了原子物理学的新进展，今年这个领域使原子物理与凝聚态物理紧密结合，大由法国和美国物理学家阿罗仕(SergeHaroche)和怀大扩展了物理研究的视野．原子物理学的许多信因兰特(DavidJ．Wineland)(图1)共同获得的诺贝息是通过原子、分子、离子、电子等粒子与光(光子)的相互作用，即所谓量子系统的相互作用而取得的．现在，阿罗仕和怀因兰特则能分别将光子和离子孤立起来，无破坏性地对它们进行检测，把原子物理和这种量子系统的研究带向一个新的高端．这类研究所涉及的量子系统不能用经典物理来描述，必须求助于量子力学，因此，它们对量子力学理论给出了新的检验，带来了新的解释；它们还将催促新型超高速量子计算机和极端精确的原阿罗仕怀因兰特子钟的诞生，因此，应用前景也非常迷人．图12012年诺贝尔物理学奖获得者收稿日期：2012—12～18作者简介：王义遒(1931。一)，男，浙江宁波人，北京大学信息科学技术学院电子学系教授、博士生导师，主要研究方向：波谱学与量子电子学原子频率标准，原子的激光冷却与冷原子物理． 第1期王义遵：把玩单个微观粒子的量子系统3在l。)态，到达检测腔R，那里再经受一次w／2脉从而实现单离子操控．这种方法原理很简单(见图冲的作用，原子就变为l)态，发生一个完整的跃5)：由于阱中离子振动，它的电子激发光谱带有一迁．在一个跃迁中有两次相互作用，它们之间的干系列振动边带，处于中央谱线的两侧，使用极窄激涉会使跃迁谱线宽度变得极窄，这成为实现高分辨光谱线激发低频边带，离子从一个较高的振动态率谱的一种巧妙方法，发明者N．Ramsey因此获得被激发到电子激发态，而自发发射回到基态时则了1989年诺贝尔物理学奖．若测试腔内含有一个光平均会到中央频率的态，即低振动态．这样的过程子，由于交流斯塔克效应，这个电子叠加态变成叫做拉曼过程，在此过程中，由于低频激发光子的l，)=(1)+eJf))／√2态，咖是叠加态通过测能量低于自发发射的光子能量，离子有净的能量试腔时积累的相位移动．适当调节微波腔的谐振频损失，这要靠离子振动能来补偿，这种过程不断进率，可使咖=竹，这样到达R：的原子就处于态l)=行，离子就可被冷却而达到零振动态．(I)一lT))／√2中，在那里受到R内另一个订／振动态2脉冲的电磁场作用后，就成为I)=lf)态了，回归原态．这个原子态可在检测器D上记录，从而知道测试腔中有无光子．这过程不像一般与光作用的原子跃迁伴随着光子的吸收或发射，这里失谐的2光子只是改变原子态的相位，其本身未受破坏(被振动态吸收或产生)，这样就对测试腔中的光子进行了量子非破坏性的检测(QND，QuantumNon—demolition二[[[Detection)．这样，一个光子可相继与多个原子作用．0—～00+u态发激子电T●●上态基子电而且，如果控制得当，还可识别腔内存在几个光子．图5边带冷却原理：激发低频边带(箭头向上这种实验后来还被推广到光频腔内实现．这个研究线)：发射中央线(箭头向下线)，发射光子能领域称为腔量子电动力学(cavityquantumelectrody．量大于激发光子；高频边带未用(虚线)namics)．怀因兰特则是把单个离子囚禁在电磁阱中．怀因兰特组的另一个突破性贡献是把离子的电离子带电，在由适当几何形状的电极构成的静态子量子叠加态转换为振动叠加态，然后又可将其转和交流电磁场结合的电磁阱中，可以把它悬浮起移给阱中另一个离子，(如果它存在的话)，并再进来，并与外界环境隔离．图4显示了一种线性离子行相反的转移．这对量子计算和光钟很有用．这个技阱的结构，它由四片刀片状电极和两个端帽组成，术的原理如下：设阱中离子处于能量最低的电子内相邻电极的电荷相反．正是因为发明了这类囚禁态l』)和振动外态10)，整个量子系统可由态离子的方法，使Dehmeh和paul与Ramsey分享了l。)=l)l0)来描述(图6A)．激光脉冲可把离1989年诺贝尔物理学奖．在低温下，阱中离子做着子态带向一个电子叠加态l)=(l)+量子化的振动，同时通过与光的相互作用可以将IT))l0)(图6B，S)．再用一个“红”(低频)边带它们激发到电子激发态(原子内态)．怀因兰特组的百脉冲激光作用于此离子，由于离子已经处于最的突出贡献首先在于能把阱中囚禁的离子用边带低振动态，该脉冲只对IT)l0)起作用，就把它转冷却方法使它们冷却到最低振动量子态(外态)，化为I)l1)(图6c，S)．这样，l，)就转换为l)=l)l0)+f)1)：l)(10)+l1)，其中I1)是量子数为1的振动态，于是电子叠加态就变成了振动叠加态．如果阱内被陷俘的还有另一个离子(图6中的L)，这个离子通过同在一个阱中的振动耦合，也共享此振动态(图6A)，就可以把这个振动叠加态再转移给另一个离子．同理，还可以把这个振动叠加态转移给第二个离子的电子叠图4线性离子阱和囚禁离子加态(内态)．这种在不同离子之间实现量子态转移 4大学物理第32卷的技术称为“量子逻辑光谱技术”，通过这种技术，可以将因技术原因(如找不到合适频率的激光器进行冷却和检测等)而不容易探测的被测离子的态通过“逻辑”离子来检测．图6说明难以检测的铝离子的状态可以通过与逻辑离子——铍离子的耦合来进行检测，在实现当下最准确的铝离子光钟中它发挥了重要作用．SLS’LSLSL图7“薛定谔猫态”图6量子逻辑光谱技术：两种不同离子纠缠在一加态(由于随着原子处于1』)还是lT)态的不同，起，S：光谱离子Al十，L：逻辑离子Be微波辐射光子的相位移动相反，光子也处在两种不A．两种离子都处于电子和振动基态，两种离同相位状态的叠加态中，光子与原子状态两者“纠子振动耦合在一起；B．光谱离子被激发到电子激发态，振动态缠”在一起)的退相干状况．怀因兰特组则在离子阱不变；中用囚禁离子实现了这类“猫态”．总之，能够操控c．用低频边带盯脉冲作用将光谱离子的电单个微观粒子就朝解决这个问题迈进了一大步．这子叠加态转变为振动叠加态；个问题的解决将对科学，甚至经济和文化的发展带D．用低频边带1T脉冲作用将逻辑离子的振来巨大影响．关于这一点，阿罗仕在诺贝尔奖宴会上动叠加态转变为电子叠加态．致辞时说，薛定谔对于他的猫的实验曾这样说，“我们从未对只有一个电子、原子或小分子做过实验．但上述两组实验都涉及量子叠加态．这是一种经我们假设可以做想象实验，而其结果必然会是荒谬典宏观世界中从未见到过的、为微观量子世界所特的”．阿罗仕说：“尽管我们钦佩薛定谔，在这一点有的状态：就是说，一个量子粒子可以同时处在这个上，我的朋友怀因兰特和我是不会同意他的，对于我和那个状态．只有测量可以使这样一种叠加态“坍们，今天这个盛大晚会上无上光荣的结果远不是荒缩”到一个确定的态．这是测量过程与粒子相互作谬的!”用的结果．但是，在测量之前，粒子处在哪一个态是离子阱中对单个离子的控制和操纵在量子计算不确定的，这说明微观世界与宏观世界是不相容的．机和原子钟上有重要应用．现在计算机是二进位的，为了说明这个问题，量子力学创始者之一薛定谔于信息基本单位是一个位0或1．这可利用两种量子1935年提出了一个想象实验：一个盒子里有一只态的l)和lt)，或l0)和l1)来表示以作为量子猫，同时有一包剧毒物质和放射性元素，只要放射性位(qubit)．微观粒子可以同时存在两种状态的叠加元素衰变，就会立即释放剧毒物质，猫就即刻毙命，态，因此两个位可同时存在．两个离子就可以提供具在盒子未被打开之前，猫处在死和活的叠加态中，人有4个值的量子位，n个离子可提供2“个值，这就们不可能知道盒中的猫是死是活(图7)．但当你一可以极大地加快计算速度．现在这种计算机的研究打开，或“窥探”一下，这一“测量”相互作用立即使进展迅速，有希望在本世纪内做出先进的实用量子叠加的猫态坍缩，猫就成为或死或活．能否说清或弥计算机．至于用离子阱做原子钟则早在上世纪80年合宏观经典与微观量子这两种描述之间的界限，是代就已经实现了．当时做的是处在微波波段汞离子物理学家长期试图解决的问题．对这个问题，阿罗仕钟．现在，随着T．H~insch和J．Hall发明了光梳和光和怀因兰特两个组都做出了贡献．阿罗仕组从上述频测量技术(他们荣获了2005年诺贝尔物理学实验中逐个通过测试腔的原子状态，就可知道腔中奖)，光频标(光钟)已经成为现实可能．光频标的频光子(测试腔中的光子是由黑体辐射自发偶然产生率比微波频率高10～10数量级，相应地，光钟的准(下转8页)的)的诞生与死亡，并探测上述处于原子与光子叠 8大学物理第32卷wavefunctionsofthegroundstateoftwo—electronatoms参考文献：[J]．PhysRev，1966，146(1)：46-49．[5]CoulsonCA．NeilsonAH．Electroncorrelationinthe陈冠军．氦原子基态能量的Hylleraas变分计算[J]．大学物理，2010，29(11)：14—15，35．groundstateofHelium[J]．ProcPhysSoc，1961，78[2]陈冠军．氦原子基态能量的Roothaan—Hartree—Fock计(5)：831．[6]GriffithsDJ．IntroductiontoQuantumMechanics[M]．算[J]．大学物理，2010，29(12)：7-9，30．[3]陈冠军．氦原子基态能量的组态相互作用计算[J]．大NewJersey：PrenticeHall，1995：261—265．学物理，2011，30(9)：15一l7，21．[7]FischerCF．TheHartree—FockMethodforAtoms[M]．NewYork：JonhWiley，1977：28．[4]FrankowskiK，PekerisCL．LogarithmictermsintheWavefunctionandCoulombcorrelationefectofHeliumgroundstateCHENGuan-jun，HUANGShi—zhong。(1．DepartmentofPhysics，TaiyuanNormalUniversity，Taiyuan，Shanxi030031，China；2．CollegeofPhysicsandElectricalInformation，AnhuiNormalUniversity，Wuhu，Anhui241000，China)Abstract：BycomparingthedifferencesbetweentheRoothaan—Hartree—Fockfunction．configurationinterac—tionwavefunctionandHylleraas—typewavefunctionofHeliumgroundstate，wepresentintuitivefigurestoshowthereasonwhyHylleraas-typewavefunctionismoreaccuratethantheothersisthatitreflectstheCoulombcorrela—tionbetweenelectronscorrectly．AcarefulanalysisofHylleraasfunctionindicatesthatCoulombcorrelationtendstomakethetwoelectronsontheoppositesideofnucleus；asimplemodelofHeliumisproposedaccordinglywhichcanproducethegroundstateenergyagreementwiththeexperiment．Keywords：Helium；Hylleraas-typewavefunction；Coulombcorrelation；Coulombhole(上接4贞)确度和稳定度也有可能提高到同样的量级．目前利度可达到10量级(30亿年不差1秒)．使用这样用逻辑光谱技术，可以通过用Be(或Mg)做逻辑的钟可以极大地提高目前时间频率测量的精度，这离子，使难以冷却和检测的A1(钟离子)得以成功无论对于提高定位、导航的精度，还是检验如相对论地实现和应(协同)冷却，并可易于检测．现在已经等基础物理理论，都具有极其重要的意义．得到了世界上准确度最高的单个铝离子光钟，其精●笔者有幸于1983年、1984年在法国、美国做访问学者时与两位获奖者相识，1997年还曾接待Haroche来华参加国际会议．本文根据笔者对两位获奖者工作的了解，以及诺贝尔奖网页(http：／／www．nobelprize．org／)上对两位获奖者背景资料的介绍编写而成．上述对阿罗仕实验中原子态的描述与原文(S．Gleyzes，S．Kuhr，C．Guerlin，J．Bernu，S．Del6glise，U．BuskHof，M．Brune，J．M．Raimond，SHaroche，Nature446，297(2007))正好相反，对怀因兰特组工作的描述也与原文(P．0．Schmidt，T．Rosenband，C．Langer，W．M．hano，J．C．Bergquist，D．J．Wineland，Science309，749(2005))不同，但物理图像大体一致．文中除图5由笔者自制和图6采自上述Science之外，其余图均采自该网站．