关于 2012 年诺贝尔物理学奖研究报告

2.2 重要装置——特制微波谐振腔
微波谐振腔的特性： 电磁场被限制在腔体内， 振荡是电磁波在腔壁上来回反射而形成的 驻波。 衡量一个微波谐振腔的的性能的参数为品质因数 Q， Q 越大表示微波谐振腔损耗越小。 Q 的大小与腔中磁场大小成正比于腔体表面切向磁场大小成反比。 若采用超导材料， 由于超 导材料的迈斯纳效应，会使该谐振腔 Q 值特别高，因此可以让一个光子在里面存活时间更 长。因此，实验所用微波谐振腔：腔壁上下高度为 2.7cm，将微波光子在相距 2.7 厘米的镜 片之间反弹，镜片用超导材料制作，这是世界最闪耀的超导镜片，单个的光子在它们之间的 空腔反弹超过十分之一秒的时间， 直到它丢失或被吸收。 这意味着光子能够穿越 40000 千米 的长度，相当于环绕地球一周。整个装置被冷却到很低很低的温度，大约为 0.8K。
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介绍的工作就是，科学家用巧妙的方法“窥测”映射到当外界环境参与时量子的状态，成功 捕获了薛定谔理想实验中的“量子猫” 。他们的工作使得人们能够观测单个量子体系而不会 破坏它们，从而为量子物理实验打开了通向新纪元的大门。
2 阿罗什的实验简介
2.1 特定探针——里德伯原子
由于用普通的测量方式去测量光子，光子会被破坏掉。为了保证在测量时不破坏光子， 我们选择一种特定的原子束作为探针。 这种特定的原子被称为里德伯原子。 里德伯原子有以 下优点：寿命长，在腔中作用后出来有足够的时间探测；结合能小 n 很大时，能级间隔小， 灵敏；高激发态的电子又离原子中心很远，所以易受外加电场、磁场的影响，产生塞曼效应 和斯达克效应。 在如图 1 所示的装置 B 中， 用激光激发原子， 使之达到 f 态 （如图 2 所示） 。 在 R1、 R 2 中使处于 f 态的里德伯原子跃迁到 e 态。在实验中，用的是最外层电子处于 e 的能 级的铷原子。腔中光子的频率ω=51GHz ，和铷原子 e 到 i 能级的跃迁频率ωie 几乎一致（δ= ω-ωie） 。这个δ的大小足够阻止光子被处于 e 态的里德伯原子吸收。在空腔中，处于 e 态 的里德伯原子会受到光波场的影响而产生动力学的斯达克效应，即 e 能级发生能级移动。
3 实验意义
两位获奖者均在量子光学领域研究光与物质间的基本相互作用，这一领域自 1980 年代 中期以来获得了相当多的成就。 他们的突破性的方法， 使得这一领域的研究朝着基于量子物 理学而建造一种新型超快计算机迈出了第一步。 就如传统计算机在上世纪的影响那样， 或许
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量子计算机将在本世纪以同样根本性的方式改变我们的日常生活。 并且极端精准的时钟在他 们研究的推动下应运而生， 有望成为未来新型时间标准的基础， 而其精准度超越现代铯时钟 百倍以上。
( r , N ) [ E 2 ( r ) d 2 /
2
]N
（1）
其中， E(r)是与位置有关的腔中光波长的电矢量。 d 为从 e 到 i 跃迁的电偶极子矩阵元， δ=ω-ωie ,N 为光子数目。易知光子的数目与相移量成正比。 考虑到一个原子以速度 v0 穿过长度 Lc =1cm 的微波腔时，可以得出每个光子所引起的相 移为φ=[Δ(r,1)]Lc /v0 。 适当控制速度即可方便地算出光子前后相移的变化。 经过多次试验 可知， 入射的里德伯原子速度越小， 发生的相移越大。 当初速度 v0 =35m/s， d=10-26 cm,E0 =4.35 ×10-3 V/m,δ=4.2×106 s-1 时，单个光子的相移为φ=2π。 现假定 C 中仅有一个光子或者没有光子， 则当处于叠加态的原子进入空腔中后， 与空腔 C 中的光子相互作用成为相互纠缠态。当原子从 C 中出来之后进入 R2 ， 在 R2 中对原子施加π /2 的脉冲，使其由|Φ2>变为|↑>或|↓>。若在 D 中探测到大部分原子处于|↓>，则表示空 腔中没有光子，反之则有光子存在。 借助这个方法，阿罗什和他的团队设计后期方案一步一步实现单个量子状态的测量。
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4 一些疑问
（1） 在 R1 中如何使里德伯原子进入 e 和 f 的叠加态？ （2） 阿罗什与维因兰德的实验有何不同？ （3） 光子的量子状态还有哪些？ （4） 一个看似简单的实验为什么会有如此大的影响以至于超过 2012 年另一个重要发现： “上帝粒子的发现”而获得诺贝尔物理学奖？
参考文献
[1]百度百科： 《2012 诺贝尔物理学奖》 [2]百度百科：求知， 《人类如何捕捉并控制量子》 [3]环球科学网： 《解读 2012 年诺贝尔物理学奖：操纵单个量子粒子》 [4]the Class for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2012, MEASURING AND MANIPULATING INDIVIDUAL QUANTUM SYSTEMS, 2012. [5]南方日报： 《中山大学教授解读 2012 诺贝尔物理学奖：捕获“薛定谔之猫” 》 [6]S. Osnaghi, P. Bertet. Coherent Control of an Atomic Collision in a Cavity. Phys. Rev. Lett. 87, 3(2001) [7]M. Brune, S. Haroche. Quantum Nondemolition Measurement of Small Photon Numbers by Rydberg-Atom Phase-Sensitive Detection. Phys. Rev. Lett. 65, 8(1990)
正文
1 难以进行的量子实验
对于单个光子或物质粒子来说， 经典物理学定律已不再适用， 量子物理学开始 “接手” 。 但从环境中分离出单个粒子并非易事， 而且一旦粒子融入外在世界， 其神秘的量子性质便会 消失。因此，许多通过量子物理学推测出来的现象看似荒诞，也不能被直接观测到，研究人 员也只能进行一些猜想实验，试图从原理上证明这些荒诞的现象。 量子世界中最神奇的现象是，一个量子可以同时处在多个状态上：量子可以同时是“这 样”的，也是“那样”的。我们认为它处在两种状态的叠加，这种状态称为叠加态。 物理学家薛定谔曾经做过一个著名的假想实验： 把一只猫放进一个不透明的盒子里， 然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核 和一个装有有毒气体的容器的实验装置。 设想这个放射性原子核在一个小时内有 50%的可能 性发生衰变。如果发生衰变，它将会发射出一个粒子，而发射出的这个粒子将会触发这个实 验装置，打开装有毒气的容器，从而杀死这只猫。根据量子力学，未进行观察时，这个原子 核处于已衰变和未衰变的叠加态。因此，在未进行观察时，处在盒子中的猫也处于活着和死 去的叠加态。 但是， 如果在一个小时后把盒子打开， 实验者只能看到 “衰变的原子核和死猫” 或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。在打开盒子的一瞬间，本处于叠加态的猫会立即 与外界环境作用而坍缩为“生”或“死”之中的一种状态。 薛定谔用这样一个假想实验原本是为了驳倒量子力学中出现的这种“奇怪”的叠加态， 然而这个实验却成为量子力学的经典实验，不断地为人们所探讨。 长久以来，这只微观世界中的“猫”只存在于科学家们的思想实验当中，接下来我们要
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图 1. 实验装置示意图
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图 2. 里德伯原子能级示意图
2.3 作用原理：
首先在 B 装置中产生处于状态为|↑>（即 f 态）的原子，再在 R 1 中加一个为π/2 的脉 冲，使得原子处在|↓>（即 e 态）和|↑>的叠加态上，即为|Φ1 >=（|↓>+|↑>）√2。 当处于|Φ1>的原子经过空腔 C 之后，原子的状态变为|Φ2>=（|↓>+ei φ|↑>）√2，其 中φ表示在通过空腔这段时间内， 光子所产生的相位变化。 一个里德伯原子经过空腔时是不 会吸收和发射光子， 但是 e 能级会由于产生 Stark 效应而产生移位。 由于 e 能级发生斯达克 效应所引起的光子频移Δ（r,N）可用如下公式计算：
关于 2012 年诺贝尔物理学奖研究报告
徐荣幸
厦门大学物理与机电工程学院物理学系 简介： 2012 年诺贝尔物理学奖获得者法国科学家塞尔日·阿罗什与美国科学家大卫·维因兰 德。 瑞典皇家科学院授予这二人奖项的原因是他们在 “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” 。 阿罗什和维因兰德独立地发明并拓展出能够在保持个体粒子的量子力学属性的情况下 对其进行测量和操控的方法，而这在之前被认为是不能实现的。通过巧妙的实验方法，阿罗 什和维因兰德与研究小组一起成功地实现对量子碎片的测量和控制， 颠覆了之前人们认为的 其无法被直接观测到的看法。这套新方法允许他们检验、控制并计算粒子。 他们的方法大同小异。大卫·维因兰德是利用光或光子来捕捉、控制以及测量带电原子或者 离子。阿罗什则采取了相反的方法：通过发射原子穿过阱，他控制并测量了捕获的光子或粒 子。 本文主要介绍阿罗什的研究方法。