2012诺贝尔物理学奖得主

    当年10月9日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，由于在量子光学领域所取得的杰出成就，法国科学家塞尔日·阿罗什和美国科学家大卫·瓦恩兰共同获奖。

薛定谔的猫

     那是一只非常著名的被关在黑箱子里的猫，它的生死取决于箱子里一个独立原子的状态；如果原子衰变，会引发箱内毒气泄露，猫死；反之，猫活。

奥地利物理学家薛定谔在上世纪构想的这个思想实验，被后人引为解释量子世界的经典。量子理论认为，单个原子的状态其实并非“非此即彼”，或者说，箱子里的原子既衰变又没有衰变，表现为一种概率；对应到猫，则是“既死又活”。

    英国理论物理学家霍金很干脆：往箱子里开一枪，管它猫死猫活。但这只是个玩笑。其实，猫的问题最让人头大的是你没法打开箱子看。

量子框架下的世界

    量子力学框架下的世界既神奇又脆弱。神秘之处在于，微观粒子通常表现为两种截然不同的状态的纠结。日常经验中所谓的“确定性”，其实是亿万个微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。但这种“既黑又白”的量子状态又非常脆弱，一旦用宏观方法观察，比如打开装猫的箱子，哪怕只是掀开一角，神奇的叠加态就会立即被干扰、破坏——物理术语叫“塌缩”。换句话说，打开箱子那一刻，猫的生死突然由量子的叠加状态，变成宏观的确定状态。

    除了不能被百姓理解，量子学家的苦恼更在于，因为找不到一个既不破坏量子状态、又能实际观测它的实验方法，长期以来他们只能在头脑中推演结论，种种精妙的预言无法得到验证。

塞尔日·阿罗什和大卫·瓦恩兰的实验

    光子和原子是量子世界中的两种基本粒子。光子形成可见光或其他电磁波，原子构成物质。用实验研究量子，首先要捕获单个的量子。

    两人的方法殊途同归，一位用离子调控光子，另一位相反，用光子调控离子（带电原子）。

    阿罗什将两面极为精巧的镜子平行放置，镜子之间是真空的空腔，温度接近绝对零度（约零下273℃）。一个光子进入空腔后，在两个镜面间不断反射。阿罗什实验中，光子在空腔中来回运动了0.1秒——对量子研究而言，这已足够漫长。实际上被捕获的光子在空腔中跑了4万公里，相当于绕地球一周。

    瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球；而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。

    阿罗什的高明之处在于，他在捕获单个光子后，引入了一种特殊的原子——里德伯原子，作为观测工具。里德伯原子的电子能量极大，运行轨道离原子核极远，因而比通常的原子大1000倍。它进入双镜空腔后，有更大概率与被捕获的光子“碰撞”、耦合。之后，只要观测里德伯原子，就能得到光子的数据。至于瓦恩兰，他向“电场碗”发射激光，通过观测光谱线，便能得到碗底那颗冷离子的数据。

    这两个实验都史无前例地在不破坏量子特性的前提下，实现了对单个光子和离子的观测和操控。

量子计算机

    量子计算机最基本的数据单位依然是比特——0或1。但与常规计算机不同，一个量子构成的量子比特，可以同时表现为0和1，两个量子比特就是00、01、10、11四种状态。以此类推，300个量子比特承载的数据量便可达到2的300次方，超过整个宇宙的原子数量总和。同时，它的运算速度极快。张卫平说，虽然整体上量子计算机与实用还有很远的距离，但既然其最基础的部分——得到1个量子比特已获成功，那么，说不定本世纪内相关技术就能成熟，从而给人类带来新的计算革命。

光钟

    与量子计算机相比，光钟更接近现实。正因为可以操控单个量子，科学家就能按意愿调控量子的振荡频率，直到光频段。量子振荡相当于钟摆，频率越高，精度越高。目前，实验中的光钟比此前最先进的铯原子钟精准数百倍——若这座钟从宇宙发端之日起运行，至今的误差只有5秒。借助这样的钟，GPS卫星能更精确地进行全球定位，科学家甚至可以用它来观测因为步行导致的时间变慢——相对论认为，运动会导致时间变慢；接近光速时，时间将趋于停止。