单个微观粒子有可能操控和测量吗？——从2012年诺贝尔物理学奖说起.pdf 4页

35卷第4期物理教学V0I．35NO．42013年4月PHYSICSTEACHINGApt．2013r；～～专～～～论—一1；2、、、，、，、、单个微观粒子有可能操控和测量吗?——从2012年诺贝尔物理学奖说起王义道(北京大学信息科学技术学院北京100084)摘要本文简单介绍2012年诺贝尔物理学奖获得者S．Haroche和D．J．Wineland的主要贡献，前者是利用微波腔非破坏地测量了单个光子，后者则是利用离子阱囚禁并操控了单个离子。文章描述了这些实验方法的基本原理，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高技术具有重要实际应用价值。关键词诺贝尔物理学奖单个微观粒子量子态操控非破坏性检测文章编号1002—0748(2013)4—2中图分类号G633·7文献标识码A围绕着我们周围的物质世界，大都是看得见、摸验，而其结果必然会是荒谬的”。这就是说，人们只得着的宏观物体。可是这些宏观物体却是由看不能对大量粒子及由其组成的宏观物体做实验，这样见、摸不着的微观粒子组成的，它们是分子、原子、离就永远无法确切了解微观世界，并弥合从微观到宏子、电子和光子等。对宏观物体的运动和相互间的观的认识鸿沟为了说明这一点，他特别提出了一作用，物理学家早就很清楚了，其中最基本的就是牛个“薛定谔猫”的想象实验。实验大意如下(见图顿定律。经过物理学家的深入研究，现在已经基本1)：一个黑匣子里装着一只猫，里面还有一包剧毒药上弄清楚了宏观物体是怎样由微观粒子组成的。许物和一块放射性物质，一旦放射性物质衰变释放出多宏观物理理论，称为“经典理论”，也能应用于微观放射性粒子．就会立即打破剧毒物包装，猫即死去；粒子，像一些力学和电磁学的定律。但是，这里有一在人没有打开匣子之前，放射性物质是否衰变了是个很大不同，微观粒子难以用“确定性”来描写，而只无从知道的，因而不可能知道猫的死活，就是说，猫能以“概率”来表示它的存在状态。比如，我们不能只能处在死和活的“叠加态”上。而从宏观看来，这说这个粒子的确切位置是在这一“点”上，而只能说是不可能的，猫要么死去，要么活着，怎么可能会处它在这点上的存在概率是多少。这种描述方法叫做在这种又死又活的“叠加态”呢?至于打开匣子，哪“量子力学”方法。根据这种方法，一个微观粒子既怕是“窥探”一下，这等于是结束了“叠加态”过程，叫可处在这种状态，同时还可处在那种状态，叫做处在做叠加“坍缩”了，那就当然可以知道猫的死活，亦即两种状态的“叠加态”，只是每种状态的概率不同。放射性物质是否已经衰变，依靠这种方法构建了一大套描述微观粒子行为的物就是“概然”成为“已然”。理理论，就是“量子力学理论”。通过对大量(一般都这样似乎就无法说清或消达几万亿以上)微观粒子状态的统计平均处理就能除从微观到宏观之间的界得到人们日常可观察到的宏观物体的行为，所以量限。不过，假如我们能够对子力学理论也建立了从微观到宏观世界的桥梁，而单个粒子进行操控和测量，且奠定了当今高科技元器件，如半导体、激光器等工相当清晰和具体地了解微作原理的基础。那么，我们能不能对单个微观粒子观粒子的状态，就自然离解决这样的问题不远了。图1薛定谔猫进行操控、观察和测量呢?关于这一点，量子力学的发明人之一，提出了描述微观粒子状态变化的著名2012年诺贝尔物理学方程——薛定谔方程，并因而获得1933年诺贝尔物奖就是授予给了两位能够捕捉到单个微观粒子，并理学奖的薛定谔曾认为“我们从未对只有一个电子、加以操控和测量的物理学家阿罗仕(S．Haroche)和原子或小分子做过实验。但我们假设可以做想象实怀因兰特(D．J．Wineland)的，前者是法国人，后者·9‘ 35卷第4期物理教学量子数，轨道量子数z，和磁量子数m。通常铷原动。于是检测器D上就接收到了没有跃迁的g态子基态的主量子数一5，而里德伯原子的可达原子。因此，根据检测器接收到的原子状态就能判5O，这种原子是高度激发的，它的体积要比一般原子断腔内是否存在光子。这种检测不像通过光子吸收大上千倍。这些原子的形状与电子轨道量子数有或发射检测跃迁的办法，光子被吸收就消失了，因。此关，在Z—lmI一一1—49的情况下，这个原子的是破坏性的；现在，光子的存在改变了原子状态，却形状就像一个面包圈(如图3所示)。这样的原子再并不对光子本身产生破坏性的影响。这就是非破坏做一次跃迁，跳到一51的能级上去，吸收的光子频性检测。原子一个个从源中出来，检测器一个个地率差不多就在51GHz左右，接近于腔的谐振频率。相继检测原子，就能知道腔内何时存在光子。而且当原子与腔内光子发生相互作用的时候，交流斯塔一个光子可与多个原子发生相互作用，而并不改变克效应使原子的电子运动产生了一个相位移动。凭光子本身状态。这样阿罗仕组就实现了对光子的产这种移动就可判断腔内是否有光子存在。那么怎样生、存活和死亡的观察，并对其做统计分析。来具体检测这个相位移动呢?我们知道，原子跃迁怀因兰特组则实现了对单离子的操控和测量。是一个过程，需要时间。在这过程中，原子跃迁可以离子具有电荷，可以受到电磁场力作用而发生位置分两次，甚至多次相互作用来完成。这种两次相互和速度的变化。利用适当几何形状的电极，加上一作用的干涉可以使跃迁谱线产生干涉花纹，称为定的静态电、磁场和交变电磁场相结合所构成的电Ramsey花样，其中央谱线的宽度变得极窄，在用原磁阱，可以将离子在空间电磁势能最低处附近悬浮子跃迁来做原子钟的装置中使用Ramsey花样是提起来，并尽可能与周围其他物质相隔绝。图5表示高原子钟准确度和稳定度的重要技术手段l_2J。为一种线型离子阱的结构，在四片对称分布的刀片形此，这种技术的发明人Ramsey获得了1989年的诺电极和一对端帽电极上适当加上电压，中间轴线上贝尔物理学奖。在这种技术中，原子与一个电磁场电势最低，离子就被闪禁在该区域。线型阱可在轴发生两次相互作用，在每次作用时间内原子的电子线上排列几个离子，可用CCD相机观察。离子围绕状态发生丌／2(9O。)的相位变化，两次相加就得到了轴线做微小振动，它们也是“量子化”的，即振动能量7【(180。)的相移，完成两个能级之间的跃迁。一次可以用“能级”来表示，如图6离子阱中电子势能曲丌／2相移相当于把原子带入到两个能级的中间态，线内的小能级。使用与激光冷却原子相似的方法还即电子叠加态上。在这里就是n===50(记做g)和可将它冷却到很低的温度。不过，理想情况是要使一51(记做)两个态的叠加态。为了实现这样一离子处在振动能级最低的状态，这时离子达到最低种跃迁，实验使用了两个辅助腔(见图4中R和温度。为此，怀因兰特提出并实现了“边带冷却”的R)，它们都含有一定幅度和频率的电磁场，当铷的方法。这种方法的原理是：由于振动对电子光谱的里德伯原子以原子束形式从源中出来，一个一个地调制，光谱线会产生调制边带，如图6下面一行所示通过这些谐振腔，在R中完成第一个n／2相移的跃(边带通常不止两边各一条，这里为了简便，只画出迁(也称为,r／2脉冲作用)，成为g和e的叠加态；再一条)。如果离子处在振动高能级，当我们用频率调经过测试腔，如果测试腔中没有光子，原子保持着叠谐到低频(红)边带的激光照射离子时，它就被激发加态；然后在R：腔中进行第二次兀／2跃迁，共发生到振动能级较低的电子激发态(图6向上箭头线)。相移，完成一次跃迁，g态变为e态。原子继续前当从激发态自发发射回到电子基态时，平均最大概进，到达探测器D，就能接收到完成了跃迁的e态原率是回到振动能级相同的电子基态(图中黑向下箭子。现在如果在测试腔中有了一个光子，适当调节头线)。这个过程称为拉曼腔的频率，可以使原子经过该腔时与光子发生的相散射过程，在当下这个具体互作用正好使原子情况下，散射光子能量大于的电子相位移动丌激发光子，振动能级就降低(180。)，加上两个辅了(也可以有激发光子能量助腔两次相互作用大于散射光子的，即蓝边带图5线型离子阱结构图产生总共兀的相移，激发，则振动加剧，这种情原子的总相位移动况这里应该避免)。反复进图4使用里德伯原子检测单个了2Ⅱ，等于原态不光子的实验装置行这种散射过程，离子就会被降低到振动最低态，达到最低温度。·4· 35卷第4期物理教学上面讨论阿罗仕的非电子激发态以操控，而且单个离子，乃至十分脆弱的单个光子都破坏性检测单光子实验可以进行实验，实现操控和测量。这就与距离能说中，提到了光子一原子相互(】I振动态清或弥合从宏观到微观、从经典到量子的物理阐释作用可以使原子处于两个之间的界限不远了。这也大大超出了薛定谔在近态的相干叠加态，并说明80年前所想象的不可逾越的局限。难怪阿罗仕会了它的重要作用。怀因兰电子在诺贝尔奖晚宴演说中针对薛定谔认为单个微观粒0l振动态特组也制造了这样的离子子实验的结果必然会是“荒谬”的说法宣称：“尽管我叠加态。并且，他们还实二[[工=们钦佩薛定谔，但在这一点上，我的朋友怀因兰特和∞0一vm¨(J+∞、现了电子叠加态与振动叠我是不会同意他的，对于我们，今天这个盛大晚会上网6阱巾离子的电子和加态之间的转移，使离子振动能级及谱线无上光荣的结果远不是荒谬的!”操控增加了一个维度(离对单个微观粒子的量子系统进行操控和测量不子内态叠加与外态叠加之间的转移一一电子态是内仅是当今原子物理学的一个前沿领域，而且正迎接态，涉及离子内部能量，振动态是外态，涉及整个离着令人振奋的应用。离子阱中对单个离子的控制和子的运动)。实施方法可以用类似于图6的反过程操纵在量子计算机上得到了重要应用。计算机是二来描述，具体是这样进行的：假定离子已经被制备到进位的，信息基本单位比特可以利用离子的两种量振动基态，如图6下面一0的态。先用一个频率调子态}>和l十)来表示，称为量子比特或量子位谐到共振的光使离子激发电子跃迁(如图6上中间(qubit)。微观粒子可以存在于两种状态的叠加，因较粗的朝下箭头线，要将朝下改为朝上)，但振动态而两个比特可同时存在并进行计算。两个离子就可不变，离子就会处在电子激发态(图上记做l十>)和以提供具有四个值的量子比特，个离子可提供2电子基态(记做}>)两个态的相干叠加态上；这时个值，这就极大地加快了计算速度。现在这种计算再用一个调谐到低频边带(相当于把图6左边第二机的研究进展迅速，有希望在本世纪内做出先进的个箭头改为朝下)的引起电子态兀／2相移的作用，即实用量子计算机。用离子阱可以做成原子钟，早在兀／2脉冲作用，电子激发态上振动态为一0的态就上世纪80年代就实现了微波汞离子钟。因而离子转变为电子基态l>v一1的态了。这样通过两束光阱的发明人Dehmelt和Paul与Ramsey一道分享的作用就把电子基态一0，1两个振动态联系起了1989年的诺贝尔物理学奖。现在，随着T．来，成为两者的叠加态。这就完成了从电子内态的H~insch和J．Hall发明和发展了光梳和光频测量技叠加到振动外态叠加的转移。同样，反过来也可以术(他们因此获得了2005年诺贝尔物理学奖)，光频将振动态的叠加转变为电子内态的叠加。标(光钟)已经成为实际可能。光频标的频率比微波如果同一个离子阱中还存在另外一种离子，它频率高10～10。数量级，钟的准确度和稳定度也有们受到阱中同一电磁势能的作用，通过两种离子之可能相应地提高同样的数量级。目前利用逻辑光谱间的静电相互作用，可以把它们耦合到同一个振动技术，可以通过用Be(或Mg)做逻辑离子，而使状态下。如果乙种粒子处于振动叠加态，另一种离难以冷却和检测的A1。。(钟离子)得以成功地实现冷子也会是这样。于是再通过上述的态转移，也可把却，并进行检测。现在已经得到了世界上准确度最另一种离子处于电子内态的叠加。这种技术称为高的单个铝离子光钟，其精度可达到10数量级“量子逻辑”。利用这种技术，可以把那种由于缺乏(30亿年不差1秒)。利用这种钟可以极大地提高合适激光器(如频率不合适等)而难以在阱中进行激目前时间频率测量的精确度和稳定度，这无论对提光冷却和激光检测的离子通过与一种容易冷却和检高定位、导航和定时的精度，还是检验如相对论、量测的离子(称为逻辑离子)的态的逻辑转移而得以实子电动力学等基础物理理论，都具有极其重要的现冷却和检测。例如，铝离子是很难用通常易于获意义。得的激光器来进行冷却和检测的，但是通过这种量子逻辑技术，可以利用与容易冷却和检测的铍离子参考文献或镁离子的耦合而实现铝离子的冷却和检测，这在[1]王义道．激光致冷和冷原子的应用[J]物理教学，2009(1)：2实现铝光钟中发挥了重要作用。这就又大大拓展了[2]王义道．原子钟及其进展口]．物理教学，2003(4)：2[3]本文图片除图6由笔者制作外都采自诺贝尔奖网页(http：／／量子操控离子的可能性和应用前景。www．nobelprize．org／)上述两类实验说明，现在不仅单个分子、原子可