{"content":"# AI聊诺贝尔物理学奖 | 第112届（2012年）\n\n**获奖者**\n塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）｜法国（生于摩洛哥卡萨布兰卡）｜法兰西学院 / 巴黎高等师范学院｜获奖时 68 岁\n戴维·瓦恩兰（David J. Wineland）｜美国｜美国国家标准与技术研究院（NIST）/ 科罗拉多大学博尔德分校｜获奖时 68 岁\n\n**获奖成果**：提出突破性的实验方法，使测量和操控单个量子系统成为可能\n\n---\n\n## 一、一个不许看的世界\n\n量子力学有一句近乎羞辱实验者的话：你可以算，但你不许看。\n\n这不是修辞。二十世纪的物理学家早就知道，单个原子、单个光子这些\"量子系统\"极其脆——你只要用一束光去照它，想看看它在哪儿、它有多快，那束光里的光子就会撞上去，把它精心准备好的状态撞散。就像你想确认一只蝴蝶还在不在掌心，唯一的办法是握一下拳。\n\n于是有一个漫长的尴尬期：理论一路高歌，实验只能旁观。薛定谔在1935年写下那只既死又活的猫，本意是嘲笑——如果量子力学对宏观物体也成立，猫怎么能既死又活？他其实是在说：这套理论美得可疑，一定是哪里没想透。\n\n七十七年后，2012年10月9日，瑞典皇家科学院把物理学奖发给两位同年出生的实验家——法国的塞尔日·阿罗什与美国的戴维·瓦恩兰，理由是他们\"提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子系统成为可能\"。\n\n说得直白些：他们把\"握拳\"这件事，变成了\"隔空看一眼\"。\n\n## 二、瓦恩兰：用光把一颗离子按住\n\n先看瓦恩兰。他要解决的问题是：怎么让一个带电的原子（离子）老老实实待着，别乱动。\n\n办法叫\"离子阱\"：用交变的电场在真空中造出一个看不见的碗，离子掉进去就出不来了。但光是困住还不够——离子还在里面热得发抖，一抖，量子态就糊了。于是还要\"激光冷却\"：用频率略低于离子跃迁的激光从各个方向照它，离子每次迎着光跑就减速一点点，像被一团极黏的光学糖浆拖住。冷到接近绝对零度，它就几乎静止了。\n\n接下来是最关键的一步：读取，而不破坏。\n\n瓦恩兰的办法极巧妙。他用两束激光，让离子进入两个内态的叠加；然后用一束\"探测光\"去照。奇妙之处在于：如果离子处在其中一个态，它会发荧光，亮；处在另一个态，它不吸收这束光，暗。于是\"亮\"与\"暗\"就成了一个比特——而这个测量只在荧光上留下痕迹，离子本身的量子态没有被撞碎。这就是所谓\"量子跃迁\"的第一次直接观察。\n\n1996年，他的团队更进一步，把一颗离子推入\"两个位置同时存在\"的叠加态，两个位置相隔约80纳米。这是货真价实的薛定谔猫——只不过猫换成了一颗离子。\n\n## 三、阿罗什：让一颗原子从光子身上\"读\"过去\n\n阿罗什走的是完全相反的一条路。瓦恩兰用光子管离子，他用原子管光子。\n\n在巴黎的实验室里，两块超导材料做的镜子相隔约三厘米，面对面悬着，冷却到接近绝对零度。这对镜子被称为\"世界上最亮的镜子\"——光子在两面之间来回弹，平均能活约0.13秒，这段时间它要跑约四万公里，相当于绕地球一圈。一颗微波光子被关在里面，像一个在两面墙之间永不疲倦地弹跳的乒乓球。\n\n怎么数它？总不能拿探测器去接——一接，光子就没了。\n\n阿罗什的答案是：让一颗\"里德堡原子\"从腔里穿过。这种原子被激发到很高的能级，体型膨胀到普通原子的上百倍，对外界电场敏感到近乎夸张。它飞过腔时，光子场会让它的量子相位偏转一点点，偏转量恰好与腔内光子数成正比。原子飞出腔后，再用人造脉冲去读取这个相位——光子数就出来了。\n\n光子没被吸收，没被消灭，只是被\"数了一遍\"。这叫量子非破坏测量。有了它，阿罗什的团队能看着一颗光子从有到无的瞬间，能制备出\"腔内场同时存在两种相位\"的猫态，还能测出这种猫态在环境噪声里一点点溃散的时间——量子退相干，第一次被直接观测。\n\n## 四、为什么这件事值一个诺贝尔奖\n\n因为它把物理学的两条底线同时推进了。\n\n第一条是技术的底线。要操控单个量子，你得同时战胜热噪声、振动、电磁干扰、材料自身的损耗。这不是理论突破，是几十年把误差一项项抠掉的手艺。两位得主从1970年代起步，做到2012年，中间隔着整个量子光学的成长史。\n\n第二条，更深，是概念上的。二十世纪物理学最尖锐的争论是\"测量问题\"：波函数到底什么时候坍缩？是测量的动作造成的，还是我们无知的结果？这场争论此前只能停留在纸上。阿罗什和瓦恩兰把它搬进了实验室——他们造出了可以反复制备、反复读出的单个量子系统，让\"叠加\"\"纠缠\"\"退相干\"这些词第一次有了可测量的数值。抽象的哲学争论，从此变成了一门有刻度的实验科学。\n\n这里我想到《庄子·应帝王》末尾那个故事。南海之帝儵与北海之帝忽，为了报答中央之帝混沌的恩德，说\"人皆有七窍，以视听食息，此独无有，尝试凿之\"。于是日凿一窍。七日，混沌死了。\n\n善意的一瞥，杀死了被看的东西——这个两千三百年前的寓言，几乎就是\"测量扰动量子态\"的东方版本。而阿罗什与瓦恩兰一生的功夫，恰恰是把\"凿窍\"改成\"不凿而见\"：他们让混沌活着，还问出了它的七窍长什么样。\n\n王阳明说\"你未看此花时，此花与汝心同归于寂；你来看此花时，则此花颜色一时明白起来\"。这句话常被当作心学唯心论，可放在量子测量的语境里，它意外地贴切：在\"看\"这个动作发生之前，\"是什么\"根本没有确定的值。古人是从心上推出来的，今人是从镜子和离子上量出来的。路不同，落点竟然不远。\n\n## 五、现实应用\n\n两位得主的方法，今天已经在你的口袋里工作——只是你看不见它。\n\n**其一，授时与导航。** 瓦恩兰实验室打磨的那套\"激光冷却 + 离子囚禁 + 精密谱学\"的手艺，是今天原子钟的直系祖先。他的团队做出的铝离子\"量子逻辑钟\"，精度达到约37亿年误差一秒。你的手机导航依赖卫星上的铷钟、铯钟：光在真空里一微秒走三百米，所以时间差一微秒，定位就差三百米。今天的高铁调度、电网相位同步、金融交易时间戳、乃至跨行转账的先后判定，本质上都在吃这门手艺的老本。更准的钟还带来了意外用途——因为引力会让时间变慢，把两台光钟放在不同海拔，就能测出几厘米的高差，用来监测火山隆起和地下水流失。\n\n**其二，量子计算的离子阱路线。** 瓦恩兰被称作\"离子阱量子计算的实验奠基者\"不是虚名：把离子冷却、用激光做逻辑门、用荧光读出结果，这三步至今是所有离子阱量子计算机的标准流程。今天的 IonQ、Quantinuum，以及国内的离子阱团队，走的都是这条被他趟开的路。\n\n**其三，精密测量。** 阿罗什那套\"把光子关起来、把损耗降到极限\"的超导镜腔技术，和激光稳频、压缩光一起，成了引力波探测的关键零件——2015年 LIGO 第一次听到两个黑洞并合的\"声音\"时，用的正是把量子噪声压到极限的本事。\n\n而最日常的那一层，也许最不容易察觉：每一次你打开手机看时间，背后都有一群原子在被激光照着，安静地数着自己的振荡。薛定谔的那只猫，如今住进了每一座授时台。\n\n---\n\n**出处**\n- Nobel Prize Outreach, *Popular information: The Nobel Prize in Physics 2012* — https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2012/popular-information/\n- Nobel Prize Outreach, *Press release: The Nobel Prize in Physics 2012*（2012-10-09）— https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2012/press-release/\n- 美国物理联合会（AIP）, *2012 Nobel Prize in Physics for Measuring and Manipulating Individual Quantum Systems*（2012-10-09）— https://www.aip.org/news/2012-nobel-prize-physics-measuring-and-manipulating-individual-quantum-systems\n- 中国科学院网站转载《科技日报》，《他们是量子物理实验派双杰——记2012年诺贝尔物理学奖获得者》（2012-10-10）\n- 瑞典皇家科学院（KVA）公告 — https://www.kva.se/en/news/nobelpriset-i-fysik-2012-2/","contentType":"text/markdown","attachments":[],"quotePin":""}