诺贝尔物理学奖2005,2012

2005年诺贝尔物理学奖：精密频率测量技术(2012-10-15 21:33:55)转载▼标签：分类：科学技术教育频率一直是电磁波最重要的参数之一，电磁波在根据频率由小到大分为了无线电波，微波，红外线，可见光，紫外线，X射线和г射线。

每一个频段的电磁波的研究都对人类科技发展起着至关重要的作用，电磁波的频率所对应的时间也成为了人类计量的最新标准。

人类对电磁波频率的精密测量源自20世纪50年代的微波频率测量，那个时候随着原子能级结构的深入研究，以及不久后微波激射器（Maser）的出现，人们能够获得频率分布很窄的微波辐射。

美国物理学家拉姆齐（N. F. Ramsey）在1950年提出分离了振荡场方法，解决了原子钟设计里的关键问题，创制了铯原子钟。

1960年他又提出并建造了氢微波激射器，也就是氢原子钟，使计时的不确定度下降到10-12。

拉姆齐因此获得了1989年诺贝尔物理学奖。

20世纪60年代激光器横空出世，人类又可以获得频率分布很窄的可见光辐射（单色光），随后美国的霍尔（John L. Hall）和德国的汉施（T. W. Hansch）各自发明了“光梳”技术，从而可以精确测量激光频率。

二人也因此获得2005年诺贝尔物理学奖。

两次诺贝尔奖，三位伟大的实验物理学家，电磁波频率精密测量成了实验物理学一个重要的组成部分。

它决定着人类能够测量的时间与空间精度，决定着人类科技的发展水平。

一、拉姆齐与微波频率精确测量拉姆齐的导师拉比（I. I. Rabi，1944年诺贝尔物理学奖）用量子力学的含时薛定谔方程计算二能级与光场相互作用，得到了二能级原子跃迁的动力学过程，在频谱上显示为拉比振荡。

取拉比频率与相互作用时间乘积为π，拉比振荡谱线的峰值便和光场频率精密对应。

原子与微波谐振腔相互作用时，谐振腔的尺度和形状受微波的频率、场分布均匀性的要求限制，而且原子的速度又无法任意控制，这就决定了不可能通过提高微波与原子的作用时间降低谱线宽度。

于是拉姆齐受到麦克尔逊干涉仪的启发，发明了了分离振荡场的方法，就是让原子与微波腔作用两次，作用的时间都是t，两次时间间隔为T，然后探测跃迁信号。

原子经过与微波腔两次作用，拉比振荡信号相互干涉，产生拍频信号，即拉姆齐谱线。

当T>>t时，谱线中心峰值宽度由T确定，T 越大，峰值宽度越窄，测得的频率精度也就越高。

拉姆齐的分离振荡场测量方法无疑是人类测量技术的一个重要里程碑，这项技术直接导致了原子钟的诞生，给定了人类新的时间标准：一秒钟为铯Cs原子精细能级跃迁频率的倒数。

铯原子微波频率标准成为了未来可见光波段频率测量技术的基准。

二、光学频率梳技术与可见光频率测量可见光频率测量方法最早是从铯Cs 原子精细能级跃迁频率开始（微ａ波），经过一系列保持相位锁定的微波谐波振荡器和特殊激光器，将被测光学频率与Cs 原子微波频率标准连接起来，从而实现对光学频率的绝对测量。

然而这种测量方法由于激光器太多，激光间的相互转化积累误差太大，实用性极低，测量精度非常差。

随着基于锁模飞秒脉冲激光的光频梳技术的出现，光学频率的直接测量成为了现实。

光学频率梳技术即在时域内锁模飞秒脉冲激光器输出的一系列等间隔的超短脉冲，脉冲宽度为几到几十飞秒，重复频率为几百MHz到几GHz。

在频率域内其光谱是由一系列规则等间隔光谱线组成的光梳，每个梳齿之间的间隔精确的等于飞秒激光器的重复频率。

光梳技术实现了铯原子的微波频标与光学频率的直接连接。

一台锁模飞秒脉冲激光器就实现了从近红外到可见光区域的所有光学频率的直接绝对测量。

用铯Cs原子的微波频率与临近的光梳齿的频率拍频，从而求得光梳齿的频率基准，利用该基准加上若干个光梳齿间频率间隔，求出与待测光频率相邻的光梳齿的频率，再用两者拍频信号结果反向求出待测光频率，从而测得和Cs原子的微波频率几乎同样精度的激光频率。

霍尔和汉施二人因为在这个领域的开创性贡献二获得了2005年诺贝尔物理学奖。

可以肯定的是，人类对电磁波频率精确测量的路还远远没有走完，更高频率（紫外线、X射线等等）电磁波的精确频率将在人类认识微观世界中发挥不可替代的作用，人类的计量标准也将一次次不断被刷新，一次次建立更为“高，精，尖”的科技领域。

2012诺贝尔物理学奖：首次窥见单个活粒子(2012-10-15 21:26:55)转载▼标签：分类：科学技术杂谈2012年10月9日下午5时45分，在瑞典首都斯德哥尔摩的瑞典皇家科学院，2012年诺贝尔物理学奖的获奖者名单揭晓。

获奖者为法国科学家沙吉•哈罗什（Serge Haroche）与美国科学家大卫•维兰德（David J. Wineland），获奖理由是“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”。

我们所看到的宏观世界，来自于亿万个粒子的相互作用，但深入到微观世界，粒子所呈现的却更多是量子特性。

而遗憾的是，我们一直以来只能从理论上预测粒子的量子行为，从它们的外在表现来验证理论的正确性，从来没有真实的看到单个粒子的状态。

著名的“薛定谔的猫”理论，就是说的在密闭盒子中的猫，由于量子状态的不确定性，人们永远不知道它是死是活。

能够把单个粒子从外部世界分离出来，就是在实验室中创造出这样一只猫，就可以去人为改变它的状态。

在迈向这一目标的道路上，已经有许多科学家获得了诺贝尔奖，比如激光冷却原子原理提出者汉尼希（T.Hanesch），中性原子磁阱囚禁的开拓者普里查德（D.Prichard），实现激光冷却原子的朱棣文。

而在今年获得了诺贝尔奖的两人则最终实现了单个粒子操纵和测量。

诺贝尔奖委员会在颁奖公告中说，哈罗什和维兰德开启了一个量子物理新时代的大门，科学家由此可以在不对单个量子产生破坏的情况下对其进行测量和操作。

他们两人创造的操作脆弱量子系统的天才实验方法，为将来创造超快的量子计算机迈出了第一步。

他们的方法还让制造超级精密的时钟成为可能，其精确程度将比现在的铯原子钟高出上百倍。

从理论到现实身处大西洋两岸的这两位科学家，虽然他们针对的是不同的对象、使用的是不同的方法，但他们实现的是同一个梦想。

中科院高能所研究员孙昌璞告诉财新记者，他们当时的目的是想了解单个粒子的状态，因为我们宏观看到的是大量粒子组成的，统计平均后，单个粒子的特性没有了，如果能做到，靠现有的商用设备是做不到的，必须寻找新的方法，制造新的设备。

其中，哈罗什带领他的团队利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子辐射光子的操作，维兰德的团队利用可结合激光冷却技术，在离子阱中实现的单个离子的囚禁。

孙昌璞说，他们实现了两种不同类型的单个量子的测量和操控。

其中维兰德的边带冷却技术，已经被广泛应用，不仅可以利用到冷却离子，还可以实现中型原子、纳米振子的冷却。

“冷却的目的让粒子接近基态，要研究单个粒子的量子状态，需要看到能级分立结构的存在，接近基态的时候，才能体现量子的状态。

从这个角度上看，维兰德更值得得奖。

”山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室张天才教授告诉财新记者，虽然许多人都在努力实现单个粒子的囚禁，哈罗什和维兰德他们最先做，也做的最成功，而且到现在还在做，他们在这一过程中发展的测量、操控技术，帮助了后来的很多人。

诺贝尔奖是选择最有代表性的来颁奖。

他说，现在大家都在参照他们的方法，研究物质和场相互作用的规律的话，要在单个粒子研究，过去很多模型都是基于理想的，微观世界的量子现象，他们就是开拓性的把原子、粒子从外部环境中分离出来，把以前停留着理论上的抽象的东西真正实现。

目前，离子阱已被广泛应用于科学和技术研究的各个领域。

尤其是近几十年来,人们以离子阱为工具,把激光冷却技术应用于离子阱,为制造新材料、观察新现象、获得新的知识,提供了广泛的实验基础。

量子计算机前景和实现精密的测量、制造更精确的原子钟相比，诺贝尔奖看好这两位科学家的原因，是他们开启了量子计算机时代的大门。

目前，在理论上将比现在的计算机快成千上万倍的量子计算机，是各国科学家竭力攻克的高峰，但这不仅涉及技术问题，也涉及许多基础物理问题。

量子计算机与经典计算机最大的区别，就是它的每个数据用不同的粒子的量子状态表示，而且根据量子力学的原理，粒子的量子状态并不确定，而是不同量子状态的叠加。

对于经典计算机来说，电位的高低决定了数据是0还是1，而对于量子计算机来说，不同量子状态的叠加决定了这个数据是0和1的叠加。

所以量子计算没有一个确定的输出，也没有一个确切的结果。

但是由于这种叠加状态，量子计算机可以同时进行很多条路径的计算，然后给出一个大致的结果，而速度上比经典计算机快的多。

量子计算机需要克服的最大障碍，是让宏观世界的我们如果去操作微观世界的粒子。

从理论上说，只有尺度到了10的负10次方米以下，粒子才能明显出现量子特性。

当然最理想的，是能够操作单个原子。

目前可以作为量子进行研究的对象，包括原子和光腔相互作用、冷阱束缚离子、电子或核自旋共振、量子点操纵、超导量子干涉等。

描述量子状态的方式，可以是粒子自旋的方向，能级的高低。

现在从理论上量子计算机有几十种体系，从实验上也有十几种实现方法。

量子计算机还有几大障碍难以跨越，一是如何让粒子长时间保持量子状态，即保持相干性。

二是如何让尽量多的粒子实现共同计算，即实现量子纠缠。

正是近年来在量子计算机领域突飞猛进的进展，让诺贝尔奖这次对于哈罗什和维兰德上世纪80-90年代的工作进行表彰，他们开创的技术，不仅是对于应用，由于可以看到单个粒子的量子状态，也对基本问题的研究有莫大的帮助。

实际上，也正是维兰德的团队在1995年首先利用离子阱技术实现了量子逻辑操作，开启了量子计算机的大门。

不过，孙昌璞表示，他们当时的技术，还不能实现固态量子计算，因此只能演示量子计算机的原理，不能当作真正的量子计算机，真正的要做固态，要在半导体、超导材料的量子操作上有所突破。