解读2012年诺贝尔物理学奖

法国物理学家 Serge Haroche 和美国物理学家 David Wineland 分享了2012年诺贝尔物理学奖。本届诺贝尔物理学奖再次与激光有关,属于物理学三个最大的领域(粒子物理,原子分子和光物理,凝聚态物理)中的“原子分子和光物理”部分,简称 AMO。

图解2012年诺贝尔物理学奖

图解2012年诺贝尔物理学奖

今天得知法国物理学家Serge Haroche和美国物理学家David Wineland分享了2012年诺贝尔物理学奖。

他们两人的工作属于物理学三个最大的领域(粒子物理,原子分子和光物理,凝聚态物理)中的“原子分子和光物理”部分,简称AMO。其中有关分子物理学的主要课题习惯上都被归属到化学领域,于是留给物理学家的主要是原子物理和光学,最热的方向是激光与原子的相互作用。

不同于粒子物理学那样魅力无限地研究物质世界最基本构成,也不同于凝聚态物理学那样一直展示着令人激动的应用前景。原子分子和光物理处于一个尴尬的“夹心层”地位,无法像另外两个大方向那样吸引众多的目光。于是你会看到,截止到今天为止,网络上关于Serge Haroche以及David Wineland的介绍少之又少。当然明天就会不一样了,诺贝尔奖的宣传效应无以伦比。

即使是主要从事冷原子物理和量子光学的我,对二人的印象也颇为模糊,只隐约记得Wineland是NIST一个组的老板,他的名字在我的大脑中淹没在相关方向的众多大牛里面,如T. Hanesch(激光冷却原子原理的最早提出者,以光频梳技术获得2005年诺贝尔物理学奖),D. Prichard(中性原子磁阱囚禁的开拓者),朱棣文,Cohen-Tannoudji和W. Phillips(三人因实现激光冷却原子技术获得1997年诺贝尔物理学奖),C. Wieman,E. Cornell,和W. Ketterle(三人利用激光冷却和磁阱囚禁实现冷原子的玻色-爱因斯坦凝聚,获得2001年诺贝尔物理学奖)。

用一句关键的话概括两人的工作,就是“少量原子或离子体系的囚禁与操控”。诺贝尔奖官方给出了“他们突破性的实验方法,令操控和测量单个量子体系成为可能”的评价,其中提及的“单个量子体系”,就是Haroche用光学微腔囚禁的单个原子,以及Wineland用Paul阱囚禁的单个或少量离子。

Haroche的贡献在Cavity-QED上。这里的QED(量子电动力学)不是指粒子物理标准模型中的QED,而是指专门研究原子与光相互作用的量子电动力学,其中最简单的情况是单频率的激光与单原子相互作用,通过Jaynes–Cummings模型来描述。由于现实光与原子相互作用系统存在不可控制的自发辐射,Jaynes–Cummings模型就成为稍复杂的光学Bloch方程。无论是原子钟,还是原子的激光冷却,但凡涉及到原子与单频率光相互作用系统都用光学Bloch方程来描述。如何实现一个简单干净,单原子系统来符合Jaynes–Cummings模型是个难题。Haroche带领他的团队开拓了用微米量级的高反射Cavity(光学微腔)囚禁原子,从而解决了这个问题。通过调整光学微腔的腔长,可以有效控制原子在某个光频率上的自发辐射,使腔内的单原子和该频率的光子不断地相互作用,从而很完美地实现Jaynes–Cummings模型的预言。简单来说,在这个光学微腔内,原子辐射出一个光子,经过腔内表面反射后由被原子吸收,再辐射出一个光子,反射回来再被吸收,周而复始,直到原子脱离这个微腔为止。这个Cavity-QED系统一可以有效囚禁单原子,二可以直观的测量光子的粒子性。

最近Cavity-QED研究的热点在实现单原子量子计算上,但是它不是最有希望的量子计算方向,因为他的对手更有前途,这就是Wineland团队的贡献,用Paul阱囚禁的少量离子实现量子逻辑门。

提到Paul阱不得不先提他的孪生兄弟Penning阱。Penning阱用交变电场结合静磁场囚禁离子(甚至可以囚禁质子),离子在里面的路径是震荡绕圈。Paul阱用四根彼此平行的柱子产生的四极交变电场来囚禁离子。由于可结合激光冷却技术,同样的离子在Paul阱里要比在Penning阱里老实很多,可以呆在阱的中心一动不动。一串相同的离子可以同时囚禁在四根柱子的中心,并连成一线,同时静电排斥力让他们彼此有关联。这就是一个较为理想的实现量子计算的系统。该量子计算方案最早由两位理论物理学家I. Cirac和P. Zoller在1995年提出,很快在1995年年底Wineland的团队就在实验上实现了它。这得益于Wineland的团队多年积累的离子阱技术。值得一提的是,Penning阱的发明人H. Dehmelt ,Paul阱的发明人W. Paul,和原子钟的发明人D. Ramsey分享了1989年的诺贝尔物理学奖,其中D. Ramsey正是Wineland的博士导师,而H. Dehmelt正是Wineland博士后期间的合作导师。Wineland得奖自然在情理之中。

Haroche和Wineland的得奖连同1997年朱棣文等人和2001年Ketterle等人得奖,标志着原子分子和光物理(AMO)的最大特色——量子操控。它没有粒子物理那样直面物质世界最基本构成的伟大理想,也没有凝聚态物理那样用超导体和纳米等技术改变世界的雄心勃勃,但是它可以利用人类已经充分了解的原子和光子来制造理想干净的量子系统,不但是量子信息和量子模拟的最佳选择,同时也提供了精密测量各种物理量的最佳环境。

转自:科学松鼠会
文字作者:@九维空间Sturman
图片编译 :Ent
原文:图文解读物理学诺奖©

本文发表于水景一页。永久链接:<http://cnzhx.net/photonics/news/2012-nobel-physics-prize/>。转载请保留此信息及相应链接。

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