衔接量子与经典物理：２０１２年物理诺贝尔奖介绍

从上世纪二十年代奠定理论基础以来，量子力学成为了现代物理的基石之一。它的应用也催生了包括半导体，激光等突破性技术。可以说，今天世界上所有的人，不管是否听说过量子力学，都是它的受益者。然而，量子力学的基本原理中仍然有不少悬而未决的问题，特别是量子力学与经典物理的关系。历史上人们已经进行了很多实验工作检验这些基本原理，但这个努力还远远没有结束。 为了在实验上研究量子与经典的关系，就需要有一个简单的量子系统（例如少量的光子或原子，电子），这样它的行为可以用量子理论来预测。而这个系统与周围环境（经典世界）的相互作用必须是能控制的。这个要求很难达到，因为简单的量子系统都是微观的，必须高度隔离才不会被干扰。而对这样的体系的操控和观察又必须非常精细。在这方面，几十年来出了很多精彩的工作。２０１２年诺贝尔奖就是嘉奖了其中之一。 ２０１２年得奖的是法国的阿罗什（Serge Haroche）和美国的维因兰德（David J. Wineland）。他们可说是研究量子体系工作的代表人物，而且他们自身的工作也是长长一串。诺贝尔委员会所嘉奖的，就是他们通过这些工作发展起来的独特有效的实验技术。有趣的是，这两个人同年出生，也是好朋友。在他们同台领奖的时候，我就来介绍一下他们在同一年（１９９６年）发表的两个同一类型的工作：通过光子和原子的相互作用来证明和探索量子态的相干效应。通过这两个例子，我们可以看到他们操控量子系统的深厚功力。 量子力学的基本原理中，其中有两个问题是最令人迷惑的。一个是量子系统的“态”的问题。一个普通经典物体的状态是由它的位置，速度等参数来描写的，这些参数在任何时刻都是确定的值。而量子物体的描写语言是“量子态”。一个量子物体可以同时在不同的“量子态”中，或者说它的状态是多个量子态的迭加，而这些量子态之间保持着确定的相位关系（或曰相互相干）。更为诡异的是，一个“量子物体”可以包括在空间上分隔很远的“子物体”。早在１９３５年，爱因斯坦等人就提出了EPR佯谬揭示这个违背直观的现象。假如一个量子过程产生两个相互飞离的光子，那么不管相距多远，它们都属于同一个量子态，因而它们的状态保持着相关性。这从经典的眼光看是违反相对论的“超光速”现象。但后来实验证实了量子力学的说法是正确的。至于“超光速”问题，一般认为由于不涉及信息和能量的传递，所以并不违反相对论。但至于这两个光子间的影响是怎样传递的还是根本无需传递，至今尚无定论。 另一个令人迷惑的问题是所谓“测量问题”。我们可以用经典仪器去观察量子系统。例如，当我们用荧光屏去捕捉具有量子特性的电子时，会得到一个光点。也就是说，量子力学里没有确定位置的电子会给我们一个位置的“答案”。这种现象是不能用量子力学的方程本身来导出的。因此，在量子力学里引进了另一个概念叫“塌缩”（collapse）。在“测量”过程中，量子态会发生塌缩而造成经典上确定的状态（位置）。当然到达哪一个位置是由量子力学给出的几率决定的。我们常说的“测不准原理”就是与此有关。在EPR佯谬提出的同年，量子力学的鼻祖之一薛定谔提出了“薛定谔猫”的佯谬。设想把一个猫关在一个盒子里，里面有个毒气源，是由原子核的衰变来控制的。于是，“量子王国”中的原子核衰变通过毒气阀决定了“经典王国”中那个猫的生死。根据量子力学，原子核应该处在“衰变”和“不衰变”两个状态的迭加态。但是猫应该是非“生”即“死”，而不是在迭加态中。那么与测量相关的“塌缩”是在哪一步发生的呢？ 其实严格地说，这两个佯谬是一个基本问题的两面，而这个基本问题就是量子理论与经典理论的关系。我们的宏观世界应该符合经典理论。但是另一方面，这个宏观世界是由无数微观的量子物体组成的，因而也遵循量子理论。所谓的经典理论应该是量子理论的一个近似。然而，在量子系统与经典系统的相互作用（例如测量）中会发生“塌缩”，而这不在量子力学的方程之中。那么这个神奇的“塌缩”为何能“超越”量子方程呢？至今人们还是没有确定的答案。同时，EPR佯谬中的那种远距相关的系统在经典世界也是没有的。如何认识经典与量子这两个世界的本质不同呢？主流的观点是：因为经典体系（包括测量仪器）太复杂，它与量子物体的相互作用带有随机性，所以结果也就成了不可预知的“塌缩”，而且远距的相关性也因此遭到破坏。但这个观点也有些弱点，所以还有其它竞争理论存在。而这些理论问题，归根结底需要由实验来裁决。这方面更详细的解释和介绍，请见文末所引的张天蓉的科普文章。 阿罗什的实验是基于一个高质量的光子共振腔（两个相对的半球形镜面，光可以在其内部来回反射）。微波频率的光子在其中可以生存超过０.１秒，相当于光绕行地球一周的时间。与光子相作用的是处于高激发态的原子。这种原子的电子轨道很大，与光的相互作用也强。这个实验用的原子有两个能量相近的态，不妨称为A和B。在通过光子共振腔时，A态和B态的原子会给光子造成不同的相位移，它们自己也会受到相应的影响。我们不仿把A态原子造成的光子相位称为a态，B态原子对应的称为b态。这样，当原子离开共振腔后，它在光子的量子态上留下了自己的“脚印”。 在阿罗什实验中，进入共振腔的原子通过激光操控被制备成A和B的迭加态。这样留下的光子也是一个a和b的迭加态。通过共振腔后的原子状态可以被测量，而测量结果是A或B，也就是发生了“塌陷”：原子的状态从迭加态变成了纯粹的A态或B态。按照量子力学理论，这时共振腔里光子也会从迭加态变成相应的a态或b态，虽然它与原子已经超出了相互作用范围。也就是说，光子与原子的状态是相联系的，即使发生塌陷也是如此。这种联系称为“纠缠”。这也就是EPR佯谬的主题：超出相互作用范围的光子和原子，一个发生塌缩真的会瞬间影响到另一个的状态吗？ 但在阿罗什实验中，并不直接测量通过共振腔后的原子，而是用另一束激光将它的迭加态“转动”一下再测量。经过如此转动后，测量结果的A态或B态就会把光子“塌缩”成a和b的两个不同的迭加态，姑且称为c和d。原子塌缩后，它以前留下的“脚印”也就变掉了。 然后，再让第二个同样制备的原子通过这个共振腔。它又与光子发生相互作用。如果光子处于c态，出来后的原子就会是纯A态。如果光子处于d态，出来的原子就在纯B态。而光子在c还是d是由第一个原子的测量结果（塌缩）决定的。所以两个原子最后的状态结果就有相关性：或者都是A，或者都是B。本来根据原子的量子态，它们的测量结果是不可预计的。但现在，这两个原子通过共振腔里的脚印 “串供”了，总是给出相同的结果。 当然，这样的理论假定了一点，就是光子在塌缩后会保持其迭加态（也可说是相干性），直到第二个原子通过。但实际上，这个相位关系在与周围经典环境作用的过程中会被打乱，也就是被“去相干”（decoherence）。去相干后，c和d态就没有区别。这样第一个原子的“脚印”就消失了，所以两个原子的测量结果就没有关系了。 以上是理论预言。而阿罗什实验的结果表明，两个原子最终态的测量结果的确有相关性。这就证明了光子和原子间的纠缠的确存在，从而回答了EPR佯谬提出的问题。而且，这个相关性随着两个原子通过时间的间隔的增大而减少。这显示了光子系统去相干的过程。这个实验是“去相干”（也就是相干程度随时间减少）这个过程的首次观察。由于去相干是量子与经典衔接中的关键概念，对这个过程的直接观察具有重大意义。 阿罗什的实验使用的是光子系统，用原子来制备和探测它的状态。而维因兰德组的实验却是相反：他们的系统是被捕捉在离子阱中的单个离子（丧失了一个电子的原子），而用激光来作为制备和探测的工具。这时的离子有两套状态，一套是内部电子的状态（不妨称为电子态），一套是在离子阱中运动的状态（不妨称为运动态）。 运用巧妙的激光操控，维因兰德等人让离子处于两个电子态的迭加中，而且这个迭加与外部运动态纠缠在一起。也就是说，离子有两个“分身”，每个处于不同的电子态上。而从外部看，这两个“分身”又具有不同的运动态，它们的波函数在空间上是分离的。然而即使在这种分离的状况，这两个分身仍然保持相干性。所以当另一束激光把它们的空间波函数合到一起时，我们可以观察到它们相互干涉的效应。而且这种相干性也会随时间而衰减。但他们这个实验对外部条件的控制不是很好，所以没有观察到衰减的细节。 其实，这两个工作的结果都在目前量子理论的预言内，而且这些理论以前也被证实过。但是这些工作展示了实验技术的突破：对单个光子或原子的量子态进行相当复杂的操控和观察。所以诺贝尔奖的嘉奖词提到的是“在测量和操控单个量子体系方面的突破性实验方法”。以上介绍的两个工作只是例子而已，还有很多有趣的工作已经完成或正在进行。运用这些方法不但可以深入研究量子体系，还可以开发尖端的应用技术。例如，维因兰德组演示了离子组成的量子计算机雏形，并声称可以扩展到几十个离子的系统。这样的规模应该可以演示一些非平庸的算法了。他们操控离子的高超技术还导致了超精确的原子钟。这种原子钟即使从宇宙诞生时就开始运行，到现在也不过误差几秒钟。运用这种原子钟，他们在实验室里展示了广义相对论效应：把实验台抬高３３厘米后，发现时钟速度改变了几十亿亿分之一（１０的负１７次方）。 这样的实验技术并非一蹴而就，而是几十年努力的结果。阿罗什与维因兰德都是从上世纪七十年代研究生时期就在这个领域工作了（他们的导师都是这个领域的诺贝奖得主）。阿罗什改进能“保存”光子的共振腔，花了二十多年时间。他们最后的解决方案是非常精密地加工的铜镜，上面涂上超导材料并在极低温下操作。除了验证量子去相干现象外，他们还作出了很多有趣的工作，开创了称为“空腔量子电动力学”的新领域。例如，他们证明了原子从高能级到低能级的自发跃迁可以被制止，如果共振腔不允许相应频率的光子生存的话。他们还能通过多个原子“探针”的协同测量，数出腔内光子的数目但不毁灭那些光子。维因兰德开创了利用激光让离子在内部电子态和外部运动态之间交换能量，从而最后达到基态（最低能量的状态）的“边带冷却”技术。处于基态的离子为量子基础研究开创了一片新天地。他很幸运，本来以应用技术为主的美国国家标准技术研究所（NIST）的长年支持他所最热衷的基础研究。而他也给雇主带来了巨大的回报。除了诺贝尔奖牌外，单是上面提到的原子钟可能就值回票价了，而且维因兰德作出重大贡献的量子计算机也是NIST的一个重点领域。可见，具有重大影响的实验能力不是花钱就能得来的，还需要科研人员明智的眼光和不懈的努力。 关于量子系统的调控，已经有好几个诺贝尔奖了（其中包括华人科学家朱棣文）。这是一个具有重大理论意义和应用前景的渐进领域。从长远看，这次诺贝尔奖所认可的工作，也将成为人们认识量子世界，驾驭量子世界的万里长征中的一步。 作者感谢张天蓉关于本文的讨论，并对本文内容负全责。 References 张天蓉关于量子力学的长篇科普　http://blog.creaders.net/tianrong1945/user_blog_diary_list.php?act=class&cid=15918 卢昌海介绍２０１２年物理诺贝尔奖：http://www.changhai.org/articles/science/physics/nobel2012.php 岳东晓 捕获量子猫--科普2012诺贝尔物理奖http://blog.sciencenet.cn/blog-684007-621291.html Haroche, Serge. "Entanglement,Decoherence and the Quantum∕ Classical Boundary." Physics today 51(1998): 36. Davidovich, L., et al. "Mesoscopicquantum coherences in cavity QED: Preparation and decoherence monitoringschemes." Physical Review A 53.3 (1996): 1295. Brune, M., et al. "Observingthe progressive decoherence of the “meter” in a quantum measurement." PhysicalReview Letters 77.24 (1996): 4887-4890. Monroe, C., et al. "A"Schrödinger cat" superposition state of an atom." 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