量子物理学的新曙光

　　两位诺贝尔物理学奖获得者，首次让量子物理领域的研究向应用层面发展，让新一代的超级量子计算机的诞生，有了初步的可能
　　2012年诺贝尔物理学奖结果正式揭晓。10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将2012年诺贝尔物理学奖分别授予法国物理学家塞尔日·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰，以表彰他们在量子物理学方面的卓越研究。
　　这两位物理学家用突破性的实验方法，使单个粒子动态系统可被测量和操作。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质，这一物理学研究的突破在之前是不可想象的。
　　通过巧妙的实验方法，阿罗什和瓦恩兰的研究团队都成功地测量和控制了非常脆弱的量子态，这些新的实验方法使他们能够检测、控制和计算粒子。
　　单个粒子极难俘获
　　在基本粒子所处微观层面上，单个粒子一方面难以与周围环境分离，另一方面是一旦与周围环境相互作用，随即失去量子特性；另外，如果两个粒子相互作用，即使两者分离，互动作用会继续存在。瑞典皇家科学院也认为，单个粒子很难从周围环境中隔离观测，一旦它们与外界发生交互，通常会失去神秘的量子性质，从而无法观测到量子物理学中很多奇特现象。
　　相当长一段时期内，量子物理学理论所预言的诸多神奇现象，难以在实验室环境下直接“实地”观测和验证，只存在于研究人员的“思维实验”中。
　　评委会认定，两位诺贝尔获奖者“开启量子物理学实验新时代的大门，显示不必损毁量子粒子个体，就可以直接观测它们”。
　　两位获奖者的实验方法有很多相似之处，瓦恩兰困住带电原子或离子，通过光或光子来控制和测量它们；而阿罗什却让原子通过一个陷阱，从而控制和测量被困光子和光的粒子。
　　微观与宏观世界有何不同
　　物理世界分成宏观和微观两个层面，宏观是人眼能见到，能够操纵的现实世界，而微观层面则由极小无比的量子构成，在微观世界中的量子，有着宏观世界无法想象的特性。
　　对此，物理学界有一个很著名的说法：“薛定谔的猫”，是关于量子理论的一个理想实验的体论。其中，猫相当于微观世界里的量子，可以同时存在于两个不同的状态中，如“死”与“活”，只有进入宏观世界时，这种状态才会被打破。
　　在量子世界中，量子可以同时处于A地和B地，但在宏观世界中，一个人无法同时存在于左边的屋子和右边的屋子里。
　　目前，获奖的物理学家就在挑战这种极限，试图在微观和宏观之间挂钩，物理学家们的想法是，把微观的系统尽可能做大，先控制一个离子的叠加状态，然后控制几个，再几十个，希望有朝一日，能够足够大到进入宏观层面。
　　如何在微观世界“捕粒子”
　　法国与美国的这两位科学家一同得奖，是因为他们有一个共同性，即能够操纵微观世界里的单个量子。戴维·瓦恩兰所做的工作，是用激光冷却带电的离子，令其处于温度极低的状态，能量也降到最低，这样，原先能量和状态极其不稳定的离子就被“囚禁”了，然后就可以用激光操纵这些单个离子的内部状态。
　　戴维·瓦恩兰做的系统称为“离子井”，就好像把离子陷在井里一样，目前他在这项研究取得的成果，处于世界最高水平。
　　而获奖的法国科学家塞尔日·阿罗什则采用了另一种方式，即微波为主，激光为辅的方式来操纵单个原子的量子状态，其系统被称为“微波枪”。
　　阿罗什与瓦恩兰的研究成果能够检测、控制和计算粒子。以前，粒子被测量和操作只有理论上能够办到。毕竟单个粒子很难从周围环境中隔离观测，一旦它们与外界发生交互，通常会失去神秘的量子性质，使得量子物理学中很多奇特现象无法观测到。
　　两位获奖者通过实验，能够直接观察单个粒子却不对其产生破坏，开辟了量子物理学实验领域的新时代。
　　量子光学研究向应用发展
　　量子光学领域自上世纪80年代之后开始迅速发展。塞尔日·阿罗什和戴维·瓦恩兰两位获奖者在这一领域均研究多年，两位获奖者首次让这个领域的研究向应用层面发展，让新一代的超级量子计算机的诞生有了初步的可能。
　　科学界认为，下一代计算机将是建立在量子层面的，它将比传统的计算机数据容量更大，数据处理速度更快。未来的量子计算机，将彻底改变我们的日常生活，实现对当今的经典计算机“史无前例的超越”。
　　这些研究也在极端精准的光子钟领域有着重大贡献。光子钟是世界上最精准的钟，比目前的最精准的铯原子钟还要精确好几百倍。这种精密测量技术将对未来的“时间”概念提出新的标准。
　　这些研究成果还将在航空航天、GPS导航和军事国防等领域产生深远影响。现今，我国的量子光学在某些方面处于世界领先水平，如实现了量子层面较远距离的“瞬间转移”，但采用的技术总体上还较为简单，不过有些大学已经开始引入“离子井”这样复杂高尖端的系统。（摘编自《新京报》）
　　档案：
　　塞尔日·阿罗什是法国人，现居巴黎，1944年9月11日出生于摩洛哥，1971年他从法国第六大学获得博士学位，现为法兰西学院教授兼量子物理学会主席，同时他也是法国、欧洲和美国物理学会会员。阿罗什的获奖，使法国获得诺贝尔奖的科学家达到了55人。阿罗什主要研究领域是量子光学和量子信息科学。
　　戴维·瓦恩兰是美国物理学家，1944年出生于美国密尔沃基。1970年，他从哈佛大学获得博士学位。现供职于美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学波尔得分校。瓦恩兰现为美国国家标准与技术研究院离子储存组组长。
　　链接：
　　粒子是指能够以自由状态存在的最小物质组分。最早被发现的粒子是电子和质子，1932年又发现中子，确认原子由电子、质子和中子组成，比起原子，是更为基本的物质组分，于是称之为基本粒子。后来被发现的粒子种类越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势；此外这些粒子中有些粒子迄今的实验尚未发现其有内部结构，有些粒子实验显示具有明显的内部结构。看来这些粒子并不属于同一层次，因此基本粒子一词已成为历史，如今统称之为粒