法国与美国的物理学家因在量子光学领域对光与物质间的密切关系和相互作用的研究中做出巨大贡献荣获2012年诺贝尔物理学奖，他们是法国巴黎法兰西学院和高等师范学院68岁的物理学家塞尔日·阿罗什（Serge Haroche）、美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学的68岁物理学家大卫·瓦恩兰（David Wineland）。这两位科学家将平分800万瑞典克朗（约合120万美元）的诺贝尔奖金，并于12月10日在斯德哥尔摩参加颁奖仪式。

 

　　由于单个粒子很难从周围环境中隔离观测，使得量子物理学中很多奇特现象无法被观测到。但这两位获奖者通过实验，发现了能够直接观察单个粒子却不对其产生破坏的方法，使得科学家能够直接对微观过程进行量子模拟（如亚原子模拟），并可能最终导致产生量子计算机和超精确的时钟。

 

　　过去一百年里，科学家们已经知道原子的行为颇为古怪。然而，在自然的微观世界里，一些科学常识方面的定律被其内部奇怪的量子力学规律所颠覆，比如，被称为波函数的数学公式为代表的一些物理事件或对象就包含了各种各样的可能性。

 

　　光或如电子这样的亚原子粒子可能是种波或者种粒子，取决于你想怎么看它，而且因与果之间并不一定有关系。一个电子可以同时出现在两个地方，或无处不在，直到有人检测到它为止。海森堡的不确定性原理曾令爱因斯坦抱怨“上帝不和我们的世界玩掷骰子游戏。”

 

　　量子力学的奠基人之一薛定谔曾解释道，根据量子原理，在箱子未打开观测前，箱中之猫处于“既是死的又是活的！”要待箱子打开后才能确定。直到几年前，这个问题还是一个哲理问题。

 

　　对于物理学家们来说，量子力学是如此奇妙，每次当你打开电脑时，你就会感受到这种类似的奇妙感觉。但一些物理学家觉得，真正的问题是，为何在我们普通的世界里就不是这样的呢？例如，当你要拿你的太阳镜时，它不可能同时既在车上，又在避暑小屋里，或在搁架上，它只能静静地躺在其中的某个地方。

 

　　如今，由于这两位物理学家的发现，科学家们能够直接进行实验或捕捉到自然界中的量子行为，从而探索量子现实和普通生活中的界线在哪里，直至将自然界中的某些物质――如传输光的原子和粒子――分离出来，观察它们的行为和互相之间的关系。

 

　　阿罗什博士和瓦恩兰博士是一双合作了25年的好朋友，他们以独特的方式来探索光与物质的“舞蹈”，阿罗什利用经过精细抛光的镜像腔捕捉光子，在光子逃逸或被吸收之前，一个光子来回反弹的时间为十分之一秒――在原子物理学中这就是光子的一生――然后，他放出一个“间谍”原子，与光产生相互作用。

 

　　通常情况下，检测到光就意味着摧毁了它，检测到的光子会被我们的视网膜或被相机的芯片所吸收，但在某种例外的情况下，阿罗什通过观察光在原子上产生的微妙影响，可以对光子进行计算而不会导致光子被摧毁。“就好像它们是放在盒子里的弹珠一样。”

 

　　1996年，阿罗什将他们的实验比作薛定谔的猫，即装在“盒子”里的光子就像“薛定谔的猫的状态”，同时在两个相反的方向之间摆动，然后他们通过发送“间谍”原子，测定这样的“猫态”存在多长时间才衰减，或重新回复到量子状态。

 

　　在最近的实验中，他们已经开发出让“猫态”维持更长时间的反馈技术，这种技术将是实现量子计算机梦想的关键，即以所谓的量子比特来解决超越普通电脑能力之外的一些超巨大数据的计算。量子计算机与周围环境分离的“量子比特”拥有神奇的计算能力，但同时必须找到一种测量量子比特的方法，以读出它们的答案。

 

　　瓦恩兰的工作主要集中于接受光子的物质材料方面，过去15年内，诺贝尔物理奖多次授予美国国家标准与技术研究所内涉及原子捕获和测量研究的科学家，今年已经是第四次了。瓦恩兰和他的同事在电场中捕获带电铍原子或离子，并在特别调谐激光器中加以冷却，使它们几乎不发生移动。

 

　　多年来，瓦恩兰所从事的研究是出于人类对更精确时钟的需要。他在接受采访时说道：“从历史上看，有更好的时钟，就意味着有更好的导航能力。”任何原子的振动和发光都有非常精确的频率，瓦恩兰及其同事用捕获的离子，制造出了世界上最精确的时钟。

 

　　现代原子钟用的是铯原子，这种原子在微波频率范围内振动，但可见光波的振动频率速度远快于微波，每一次振动都是完美时钟的一次“滴答”声。一种基于可发出可见光的铝离子的新型光学时钟，其精度胜过铯原子时钟10倍左右。瓦恩兰认为，这种新型光学时钟拥有惊人的精度，从宇宙诞生至今137亿年的时间长河里只有5秒误差。

 

　　美国标准和技术研究所的工作同时也推动了量子计算机研究的发展，前景更为看好。量子计算机是以离子，即悬浮在太空中的带电原子作为计算元素量子比特的。瓦恩兰将电子比作在一个碗里来回滚动的弹珠，“在某些瞬间，某颗弹珠可以同时在左侧和右侧。”

 

　　1995年，瓦恩兰的研究小组用捕获的一对离子作为量子比特进行了一次量子计算，最近，研究人员已经实验成功多达14个量子比特。有科学家们指出，在真正的量子计算机问世之前，他们仍有大量的工作要做。

 

　　“这是一个长期而缓慢的过程，”瓦恩兰在接受电话采访时说道，“塞尔日和我们小组正在做的是技术进步的一部分，虽然在量子计算上我们还没有取得突破性的进展，但随着我们的努力，成功的希望正越来越大。”