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从猫的生死到量子计算机

发布时间:2020-06-29 20:10:41 阅读: 来源:墨水厂家

本报首席记者 张懿

如果你是“科技文青”,看过美剧《生活大爆炸》,那很可能听说过一个词:薛定谔的猫。那是一只被关在黑箱子里的猫,它的生死取决于箱子里一个独立原子的状态;如果原子衰变,会引发箱内毒气泄露,猫死;反之,猫活。

奥地利物理学家薛定谔在上世纪构想的这个思想实验,被后人引为解释量子世界的经典。量子理论认为,单个原子的状态其实并非“非此即彼”,或者说,箱子里的原子既衰变又没有衰变,表现为一种概率;对应到猫,则是“既死又活”。

和其他现代物理理论一样,这说法与日常经验相去甚远,让人摸不着头脑。

昨天,诺贝尔奖评审委员会宣布,今年的物理学奖由法国人塞尔日·阿罗什和美国人戴维·瓦恩兰分享。两位同为68岁的科学家的成就,将能给世界带来超快的量子计算机和超准的光钟;同时,也许终于可以告诉人们:薛定谔的那只猫究竟是死是活。

开启实验量子物理时代

英国理论物理学家霍金很干脆:往箱子里开一枪,管它猫死猫活。但这只是个玩笑。其实,猫的问题最让人头大的是你没法打开箱子看。

量子力学框架下的世界既神奇又脆弱。神秘之处在于,微观粒子通常表现为两种截然不同的状态的纠结。日常经验中所谓的“确定性”,其实是亿万个微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。但这种“既黑又白”的量子状态又非常脆弱,一旦用宏观方法观察,比如打开装猫的箱子,哪怕只是掀开一角,神奇的叠加态就会立即被干扰、破坏物理术语叫“塌缩”。换句话说,打开箱子那一刻,猫的生死突然由量子的叠加状态,变成宏观的确定状态。

除了不能被百姓理解,量子学家的苦恼更在于,因为找不到一个既不破坏量子状态、又能实际观测它的实验方法,长期以来他们只能在头脑中推演结论,种种精妙的预言无法得到验证。

昨天获奖的阿罗什和瓦恩兰,借助两个极为精巧的工具,在单个量子的观测和操控方面实现了突破。诺贝尔奖评审委员会用“开创性”描述他们的工作,认为他们为实验量子物理时代打开了大门。

两个史无前例的实验

华东师范大学物理系主任、国家重大科学研究计划量子调控项目首席科学家张卫平教授用尽可能通俗的方式,向记者解释了两位新晋诺奖得主的实验。

光子和原子是量子世界中的两种基本粒子。光子形成可见光或其他电磁波,原子构成物质。用实验研究量子,首先要捕获单个的量子。

两人的方法殊途同归,一位用离子调控光子,另一位相反,用光子调控离子(带电原子)。

阿罗什将两面极为精巧的镜子平行放置,镜子之间是真空的空腔,温度接近绝对零度(约零下273℃)。一个光子进入空腔后,在两个镜面间不断反射。阿罗什实验中,光子在空腔中来回运动了0.1秒对量子研究而言,这已足够漫长。实际上被捕获的光子在空腔中跑了4万公里,相当于绕地球一周。

瓦恩兰捕获离子的方法,是用一系列电极营造出一个电场囚笼,离子如被装进碗里的玻璃球;而后,用激光将离子冷却,最终,最冷的一个离子安静地待在碗底。

张卫平说,阿罗什的高明之处在于,他在捕获单个光子后,引入了一种特殊的原子里德伯原子,作为观测工具。里德伯原子的电子能量极大,运行轨道离原子核极远,因而比通常的原子大1000倍。它进入双镜空腔后,有更大概率与被捕获的光子“碰撞”、耦合。之后,只要观测里德伯原子,就能得到光子的数据。至于瓦恩兰,他向“电场碗”发射激光,通过观测光谱线,便能得到碗底那颗冷离子的数据。

这两个实验都史无前例地在不破坏量子特性的前提下,实现了对单个光子和离子的观测和操控。张卫平说,这两位科学家10年前就已是竞逐诺奖的热门人选,现在终于实至名归。

量子计算机和光钟

身为国内量子调控领域的顶尖专家,张卫平与阿罗什、瓦恩兰在不少学术会议上遇见过。他们开创的实验,使量子光学在近二三十年飞速发展,目前最大的潜在突破点是超级量子计算机和超准光钟。

量子计算机最基本的数据单位依然是比特0或1。但与常规计算机不同,一个量子构成的量子比特,可以同时表现为0和1,两个量子比特就是00、01、10、11四种状态。以此类推,300个量子比特承载的数据量便可达到2的300次方,超过整个宇宙的原子数量总和。同时,它的运算速度极快。张卫平说,虽然整体上量子计算机与实用还有很远的距离,但既然其最基础的部分得到1个量子比特已获成功,那么,说不定本世纪内相关技术就能成熟,从而给人类带来新的计算革命。

与量子计算机相比,光钟更接近现实。正因为可以操控单个量子,科学家就能按意愿调控量子的振荡频率,直到光频段。量子振荡相当于钟摆,频率越高,精度越高。目前,实验中的光钟比此前最先进的铯原子钟精准数百倍若这座钟从宇宙发端之日起运行,至今的误差只有5秒。借助这样的钟,GPS卫星能更精确地进行全球定位,科学家甚至可以用它来观测因为步行导致的时间变慢相对论认为,运动会导致时间变慢;接近光速时,时间将趋于停止。

回到薛定谔的猫。某种意义上,今年两位诺奖得主的成就,已让不开箱子观察猫成为可能。张卫平说,许多类似实验其实正在做。箱子里当然没有真猫,而是少数“猫态”的量子,科学家希望能一层层剥开“量子猫”幸存或牺牲的秘密。

据报道,本月新出版的《自然》杂志上,就刊登了一篇猫态量子的实验报告。

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