David Wineland 教授与巴黎法兰西学院的 Serge Haroche 教授因"建立了能够测量和操控单个量子系统的开创性实验方法"而共同获得 2012 年诺贝尔物理学奖。

微小粒子的世界

原子与亚原子粒子的世界极为丰富且迷人。这个世界中存在许多奇特的现象, 源自日常生活的惯性直觉在这里根本行不通。人们口中的这个量子世界有个很有趣的特征, 就是明显的不连续性。与我们的日常世界不同, 粒子世界似乎并非连续, 仿佛在不同状态之间时不时地跳来跳去。例如, 我们知道原子中的电子只能占据原子核周围的特定区域, 即原子轨道。[根据量子力学, 电子的行为并非像绕核旋转的点状粒子（如同行星绕太阳运转）。实际上, 它们的运动状态可称为"波函数", 其位置在空间中是弥散的]。在每个原子轨道中, 电子都拥有一定的能量, 即能级。当原子发射一个名为光子的光粒子来释放能量时, 原子内部某个电子的能量会瞬间从一个能级跳跃到另一个更低的能级。同样, 当原子吸收一个光子来获得能量时, 某个电子似乎会突然从原本的轨道跳跃到一个具有更高能级的轨道。这些" 跳跃"其实并非瞬时完成, 但在某些情况下, 它们仅需极短的时间, 差不多十亿分之一秒。

最能解释原子与亚原子粒子奇妙世界的物理学理论被称为量子力学。这一理论的基础奠定于近一个世纪前, 但关于粒子作为物质世界基本构成元素的基本行为, 仍有一些尚未完全破解的谜题。不过, 目前已有许多技术可帮助我们更好地理解和控制粒子的行为。下文将简要介绍其中两种技术——一种用于将粒子（哪怕是单个粒子）囚禁在特定位置, 另一种用于减缓其运动, 即让它们冷却。

囚禁多个粒子

粒子通常四处乱跑。当我们研究粒子时, 总希望将它们限制在特定位置。我们经常研究受电场影响的电子和原子离子。通过以特定几何方式排列电极并施加电压, 可产生将电子或离子束缚在特定位置的电场 [1, 2]。打个比方: 粒子就像弹珠, 电场就相当于装弹珠的碗（图 1A）。碗底如同电场"陷阱"的中心: 如果粒子从陷阱（或碗）底部向任何方向移动, 它们都会感受到一股将其推回中心的力量。就像重力使弹珠留在碗底一样, 电场将粒子限制在陷阱中心附近。Wolfgang Paul 教授和 Hans Dehmelt 教授因开发离子和电子陷阱而共同获得了1989 年的诺贝尔物理学奖[1, 2]。

囚禁单个粒子

有时我们需要极其精确地控制粒子。研究粒子群（或称"系综"）有时更方便, 因为一次性囚禁多个粒子更容易, 而且多个粒子共同产生的更大信号（由电荷运动在电极中产生的电流）比单个粒子的微弱信号更容易测量。不过, 当研究多个粒子时, 很难像单个粒子那样精准控制。这就像在课堂上关注一个孩子和同时关注许多孩子, 后者当然要困难得多。

我们可以高精度地控制单个粒子的速度, 包括使其几乎完全停下来, 但要以同样的精度控制群体中众多单个粒子的速度则难得多（当群体中的粒子发生碰撞时, 会以不可控的方式扰动内部能级）。因此, 如果需要极高的控制和精度（正如下文介绍的原子钟）, 我们有时得从单个粒子入手, 精细控制粒子运动, 并尽可能减少处理多个粒子时产生的误差[3]。

为了囚禁单个带电粒子, 我们可先如图 1A所示囚禁多个粒子。然后, 我们对这些粒子施加一个振荡电场, 使某个粒子偶尔"飞出"陷阱。用碗和弹珠的类比来理解, 这就好比让碗里的弹珠动得更剧烈, 直到一颗弹珠"跳出"碗的边缘（图 1B）。每次有粒子跳出碗时, 我们都能测量到电极中的总振荡电流突然出现不连续的下降（参阅[3]）。我们重复这个过程, 直到系统的电流等于单个粒子的电流, 这样陷阱中就只剩一个被囚禁的粒子[1]。 然后, 我们可研究其特性和/或利用已知特性做一些特定应用[1, 2]。 处理某些原子离子时, 我们可以用激光照射它们；观测到的总散射光量与离子数量成正比, 这样我们就能够判断陷阱中何时只有一个离子。

用激光束冷却原子

另一种控制粒子的重要技术是利用激光将其减速或冷却至极低温度, 使粒子几乎不再运动。这称为激光冷却。如你所知, 电子仅在特定能级上绕核运动。当一个光子靠近原子时, 只有当其携带的能量恰好能将电子从一个能级跃迁到另一个能级时, 才会被原子吸收；否则, 光只是穿过原子。你可能知道, 光子携带的能量与光的另一个属性——频率（波在1秒内完成的周期数）直接相关, 能量更高的光子具有更高的频率, 反之亦然（更多关于频率与能量的知识, 可参阅此处）。

与远离光源的原子相比, 朝着激光束等光源方向运动的原子所感受到的光波频率更高, 因此"能量更大"（图 2）。这便是多普勒效应。因此, 如果将激光频率略微调低至原子静止时在两个电子轨道之间跃迁所需的频率（或能量）以下, 那么当原子朝着激光运动时, 它会感受到更高的频率并吸收光（图 2中的红色原子）, 然后原子会因传入的光子动量削弱自身动量而减速。这就像两名橄榄球运动员迎面跑, 碰撞后各自减速。反过来, 如果原子远离激光运动（图 2中的绿色原子）, 原子感受到的激光束频率会变低, 激光束光子被原子吸收的概率就会降低。因此, 原子将大致以相同速度继续运动（更多关于激光冷却的知识, 请观看此视频）。这种原子朝向与远离激光运动时的差异效应意味着我们有办法使沿特定方向（朝向激光）运动的原子减速。将从不同方向发射的多束激光组合起来, 我们就可以让各个方向上运动的原子都减速。

原子钟: 精准计时

时钟在日常生活中太过寻常, 以至于我们很少停下来思考一些根本问题, 例如时间是如何测量的, 以及限制计时准确性的因素有哪些。对于美国国家标准与技术研究院（NIST）时间与频率部等实验室的科学家和工程师来说, 这正是他们成天思考的问题！他们的使命是不断提高时钟的精度, 更精确地测量时间。与大多数实验物理学家一样, 这些科学家扮演着侦探的角色, 仔细识别所有限制计时准确性的重要因素和环境效应, 然后尽可能减小这些效应, 以持续提升时间测量准确性。自 20 世纪 50 年代第一批原子钟问世以来, 这些研究时钟的科学家们一直致力于这项工作（更多关于原子钟的历史及工作原理的信息, 请参阅这篇文章）。

一般来说, 测量时间间隔本质上是统计一个参考频率源的周期数, 例如机械摆或压电石英晶体振荡器（手机中一种靠电压驱动的机械振荡装置）的振荡运动。如果我们知道频率源的频率, 就能统计在某个时间间隔（即两个时间点之间的持续时长）内完成了多少个周期, 从而算出过去了多长时间。例如, 如果频率源频率为 100 赫兹（每秒周期数）, 那么每个周期的时长就是 1/100（即 0.01）秒。频率源的频率越高, 我们能定义的时间间隔就越精细。

使用原子钟作为频率源, 我们就能非常精确地测量时间间隔。这意味着我们可以利用与引发原子不连续能级跃迁的光子频率相对应的极高频率, 而不是使用机械摆的低频率或石英晶体振荡器的频率。例如, 我们可以将一束激光照向处于最低能态的原子, 并观察激光束的吸收量。当吸收量最大时, 我们知道激光束频率与对应两个原子能级之间能量差的光子频率相匹配。如果激光束吸收量未达到最大, 我们便稍微改变其频率, 直到吸收量达到最大并满足该条件。然后, 通过计算激光振荡的周期数, 我们便能精准确定时间间隔（图 3）。

例如, 原子钟被用于卫星, 通过智能手机中的全球定位系统（GPS）来定位你的位置。利用已知的光速以及同步的原子钟来测量光从卫星传播到智能手机所花的时间, 软件便能准确计算出你与卫星之间的距离。使用时间同步的卫星网络便可确定你的三维位置。卫星中的原子钟必须非常精确, 因为哪怕是时间测量上的极小误差（即便仅有百万分之一秒）也会导致 GPS 定位出现数百米的大偏差。

多年来, 最好的原子钟都是基于特定元素中的特定跃迁（中性铯原子中的"超精细"微波跃迁, 其频率约为 9.2千兆赫兹, 即约 9.2×10⁹ 赫兹）。但在过去几年中, 最精确的频率标准是基于那些频率接近光波（对应人眼所见的光色）的跃迁, 约为每秒 10¹⁵ 次[4]（更多关于光学原子钟的信息, 请参阅这篇文章）。这些频率因环境扰动而产生的不确定性约为 10¹⁸ 分之一, 这意味着基于这些跃迁的时钟在整个宇宙年龄（约 137 亿年）内的误差还不到一秒。

先进的激光冷却技术的一个重要潜在应用是量子计算。它利用原子、离子或更宏观器件的量子特性, 以比经典数字计算机高效得多的方式执行某些复杂计算。简要介绍请参见附录。

给青少年的建议

我们觉得, 自己所做的工作更像是一种爱好, 因为即使不以此为职业, 我们很可能仍会对同样的事情感兴趣。这也是我们对你们的期望。我们认为, 你们应该找到自己真正喜欢的事情。只要热爱, 就会愿意为之努力并投入大量时间, 那么就很可能取得成功。即使后来热爱或兴趣转移了也没关系, 没人愿意把时间花在与真正的爱好相差太远的事情上。保持眼界开阔, 并在需要时修正自己的决定, 这一点当然也很重要。

对于那些选择投身科学事业的人来说, 耐心和毅力同样必不可少。在科学领域, 尤其是做科研, 努力往往不会立竿见影。积累开展高质量研究所需的知识和技能, 并获得对世界的新见解, 这需要时间。科研工作者需要熬得住, 在进展不顺的时候坚持住。如果能做到这一点, 你们最终会收获努力的成果, 并体验到发现的奇妙。

还有一点必须强调, 我们觉得冲着赚钱来选择职业或人生道路是一个错误。如果只关注经济上的自足, 很可能既不会感到满足, 也很难取得成功。同样, 如果一味追逐奖项和荣誉, 那也多半不会走得长远。我们建议选择自己喜欢的事情, 并投入必要的努力, 朝着有意义的目标前进, 而不是把心思放在薪水或社会认可上。

最后, 我们对各位打算上大学的同学有一些建议。当进入研究生院后, 你将被分配到一个特定的项目组工作。根据我们的经验, 有一点总是很有帮助: 不要只盯着自己手头的研究课题, 还得稍微拓展一下, 更广泛地阅读相关材料。当初 David 正是读了与他的项目并不直接相关的论文, 才获得了激光冷却的灵感。这最终成为他科学生涯中的一个重要里程碑。

附录: 未来进展与应用

原子钟的性能将持续提升。由于多种环境扰动（如局部杂散电场和磁场）对原子造成频率偏移, 需要以更高的精度加以校正。在比对不同原子钟时, 还需要考虑来自爱因斯坦相对论的两种额外效应, 它们是"时间膨胀"（一个参考系相对于另一个参考系的时间变慢）的不同形式。

首先, 爱因斯坦告诉我们, 比起我们这些实验室里的静止观察者所经历的时间, 相对于我们运动的参考系（例如随运动原子或离子一起运动的参考系）中的时间走得更慢。这种偏移与离子的平均运动能量成正比, 因此激光冷却的益处之一是: 与室温下的离子或原子相比, 我们可以将这种偏移减小约一百万倍。

爱因斯坦告诉我们的第二种时间膨胀是: 在引力存在的地方, 时间会走得更慢[所谓的"引力势红移" [5–7]]。这种效应在我们的日常体验中并不明显, 如下例所示: 假设你和你的双胞胎兄弟姐妹一出生就分开了。你生活在海平面, 而你的兄弟姐妹生活在海拔 1.6 公里的地方（例如科罗拉多州博尔德市）。80 年后, 你的兄弟姐妹只比你年老约 0.001 秒。

当然, 就常见的人类活动而言, 这是一个可以忽略不计的效应, 但它可以用精确时钟观察到, 并且在 GPS 导航等比较不同地点的时钟时必须加以考虑。

为简单演示该效应, 位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究院对两台基于相同离子原子跃迁的独立原子钟进行了对比[5]。 起初, 两台钟处于相同高度, 但水平相隔数米。两台钟的频率比在约 10¹⁸ 分之一的精度内为 1。然后将其中一台钟升高 33 厘米, 再次测量两台钟的频率比。升高后的时钟的频率增加了约 10¹⁷ 分之四, 接近预期结果。

近期, 两个研究小组利用中性原子进行了更为震撼的引力势红移演示, 在毫米尺度上观测到了引力红移效应 [6, 7]。

除了更精确的时钟之外, 基于控制和操纵单个量子系统的另一个重要潜在应用是量子信息处理, 其中包括量子计算（使用量子元件执行计算机计算）和量子模拟（利用量子效应来理解物理现象的计算机模拟）。虽然这个主题超出了本文探讨范围, 但我们可以为你们简单介绍一下这个重要领域及其发展方向。

为此, 我们首先需要解释量子粒子世界中的另一个奇特现象, 称为"叠加"。叠加指的是粒子可以同时代表两个不同能级。以单个被囚禁的离子为例, 把它想象成碗里的一颗弹珠。我们可以用振荡电场来激发离子运动, 创造出一种类似经典物理的状态, 即弹珠在碗的左右两侧之间来回滚动。不过, 借助量子工具, 我们还可以创造出一种情况, 让弹珠在特定时刻同时处于碗的左侧和右侧, 这就是"叠加"状态。这非常违反直觉, 在我们日常习惯的经典世界中说不通, 但这正是量子科学家们深入研究的世界。

将这一想法延伸到单个原子的能级, 我们可以制造出一种叠加状态, 使原子同时处于较低和较高的能态。这事做起来相对容易。之前我们谈到, 一个原子离子吸收一个光子, 会从低能级跃迁到高能级。但研究发现, 如果我们所用的激光束由许多在空间上沿垂直于光束方向向各个方向弥散的光子组成, 并且我们只照射特定时长, 就可以让原子处于"半激发"状态。也就是说, 在激光束关闭后, 原子便处于较低电子能级和较高电子能级的叠加状态。因此, 叠加意味着一个粒子可以在任何给定时刻同时处于多个状态（上述例子中是两个状态）。

量子计算部分就是基于量子系统两个态（如上例中的原子离子）的叠加。你们或许知道, 普通计算机由名为"比特"的基本单元组成, 每个比特只能处于两种状态之一, 即 "0" 和 "1"。

这种两态系统与其他类似的两态系统相结合, 就能执行传统计算机的所有计算。量子计算的构想是: 每个"量子比特"可以处于叠加态, 即同时处于多个状态。

为了将量子比特的状态表示为量子态 "0" 和 "1" 的叠加, 我们常用符号 "|0〉" 和 "|1〉"。一个量子比特的一般叠加态写作 α|0〉 + β|1〉, 其中 |α|² 是测量量子比特处于"0" 态的概率, |β|² 是测量量子比特处于''1''态的概率。当这些概率相等, 即等概率叠加时, 量子比特的一个可能叠加态是 $\frac{1}{\sqrt{2}}$|0〉 + $\frac{1}{\sqrt{2}}$||1〉（其中 |α|² = |β|² $=\frac{1}{2}$）。

现在, 我们来看看更大的系统。观察一个两比特的经典系统, 每个比特处于"0" 或"1"态, 总共可以表示 2² = 4 个数, 即: 00、10、01 或 11。一个等效两量子比特系统的一般状态为 α|00〉 + β|01〉 + γ |10〉 + δ|11〉, 其中测量到态 |00〉、 |01〉、 |10〉 和 |11〉 的概率分别为 |α|²、 |β|²、| γ| ² 和 |δ|²。这四个态的叠加态之一是 $\frac{1}{2}$|00〉 + $\frac{1}{2}$|01〉 + $\frac{1}{2}$ |10〉 + $\frac{1}{2}$|11〉, 每个态的测量概率都是 ${\left(\frac{1}{2}\right)}^2=\left(\frac{1}{4}\right)$）。由此可见, 两量子比特系统的叠加态同时包含（或存储）了四 (2²)个两比特数。相比之下, 经典两比特系统一次只能存储一个两比特数（即 00、10、01 或 11 中的一个）。

再将这一概念扩展到更大的系统, 我们会发现: 一个经典 n 比特系统可以存储一个由 "0" 和 "1" 组成的 n 比特二进制数。然而, n 个量子比特的叠加态可以同时存储 2ⁿ 个 n 比特数（即数据量是同规模经典系统的 2ⁿ 倍）。这意味着, 当我们对 n 量子比特叠加态中的某个量子比特执行操作时, 实际上是同时对全部 2ⁿ 个 n 量子比特态进行操作。所以说, 量子计算机能够存储和处理的信息量远大于同规模的经典计算机, 这是"指数级扩展"的一个例证。更令人震惊的是: 如果我们拥有 300 个量子比特, 就可以同时存储 2³⁰⁰ 个 300 比特数。要造出这么大容量的经典存储器, 所需粒子数将超过宇宙中的粒子总数！利用囚禁离子创造这样的态相对容易, 但为此规模的系统构建实用的逻辑门则困难得多[量子逻辑门的创建超出了本文探讨范围, 但一些基本理念可参阅[8]]。

因此, 对于某些问题, 量子计算机原则上可以比经典计算机效率更高、速度更快, 有望解决当前传统计算机无法解决的问题。除了高效的质因数分解（由 Peter Shor 提出）之外, 量子计算机的另一个备受期待的应用是能够模拟复杂量子系统的动力学或行为, 例如可用于药物疗法的化学分子作用, 无需在实验室中合成即可通过计算机模拟进行研究。类似的模拟也可能为我们揭示物理学的未知领域, 或解决经典计算机无法攻克的物理难题。

许多人都在好奇: 第一台量子计算机何时会问世？答案是: 我们已经拥有量子计算机；但迄今它们所能解决的问题要么是经典计算机也能解决的（可能效率稍低）, 要么是缺乏实际应用价值的问题。量子计算机的建造与改进很可能是一个渐进的过程——最初的量子计算机只能解决简单的实用问题, 而随着整个领域的发展, 它们将能处理更复杂的任务。也许在未来十年内, 我们将能用量子计算机做一些有用的事情, 比如发现未知的规律, 或为实际应用模拟一个有用的系统。这些美好的愿景让人充满期待。

术语表

能级 (Energy Level): ↑ 量子系统可以拥有的特定离散能量值, 例如原子中电子的能量值。

量子力学 (Quantum Mechanics): ↑ 物理学中描述原子及其他粒子, 以及更宏观系统（如微型机械振荡器的振动）的行为与性质的理论。

电子 (Electrons): ↑ 原子中带负电荷的基本粒子。

电极 (Electrodes): ↑ 通常为金属结构, 能够导电并用于产生电场。

激光冷却 (Laser Cooling): ↑ 一种利用激光束使原子和离子减速并冷却的技术。

光子 (Photons): ↑ 光的基本粒子, 携带与其频率成正比的特定离散能量。这个概念由马克斯⋅普朗克（Max Planck）首先提出, 随后由爱因斯坦加以发展。

动量 (Momentum): ↑ 粒子质量与其速度相乘而得出的物理量。粒子的动量越大, 它能施加于其他粒子的作用力就越强。

补充资料

David Wineland 教授与 Noa Segev 的访谈记录可在此处查阅。

致谢

感谢 Sharon Amlani 为本文提供插图。

AI 人工智能工具使用声明

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利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

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参考文献

[1] ↑ Paul, W. 1990. Electromagnetic traps for charged and neutral particles. Rev. Modern Phys. 62:531. doi: 10.1103/RevModPhys.62.531

[2] ↑ Dehmelt, H. 1990. Experiments with an isolated subatomic particle at rest. Rev. Modern Phys. 62:525. doi: 10.1103/RevModPhys.62.525

[3] ↑ Wineland, D., Ekstrom, P., and Dehmelt, H. 1973. Monoelectron oscillator. Phys. Rev. Lett. 31:1279. doi: 10.1103/PhysRevLett.31.1279

[4] ↑ Diddams, S. A., Bergquist, J. C., Jefferts, S. R., and Oates, C. W. 2004. Standards of time and frequency at the outset of the 21st century. Science. 306:1318–24. doi: 10.1126/science.1102330

[5] ↑ Chou, C. W., Hume, D. B., Rosenband, T., and Wineland, D. J. 2010. Optical clocks and relativity. Science. 329:1630–3. doi: 10.1126/science.1192720

[6] ↑ Bothwell, T., Kennedy, C. J., Aeppli, A., Kedar, D., Robinson, J. M., Oelker, E., et al. 2022. Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample. Nature. 602:420–4. doi: 10.1038/s41586-021-04349-7

[7] ↑ Zheng, X., Dolde, J., Lochab, V., Merriman, B. N., Li, H., and Kolkowitz, S. 2022. Differential clock comparisons with a multiplexed optical lattice clock. Nature. 602:425–30. doi: 10.1038/s41586-021-04344-y

[8] ↑ Monroe, C. R., and Wineland, D. J. 2008. Quantum computing with ions. Sci. Am. 299:64–71. Available online at: https://www.scientificamerican.com/article/quantum-computing-with-ions/