【2012诺贝尔】物理学奖深度解读：囚禁光子的量子实验大师

2012-10-10 22:32阅读：

http://blog.sina.cn/dpool/blog/u/1529573474

作者：Sheldon
原文发表于科学松鼠会：http://songshuhui.net/archives/73400
法兰西公学院的教授塞尔日•阿罗什中午出门遛弯，正和妻子往家走时，接到了一通陌生号码打来的电话。他说：“我一看……瑞典的号码，我就知道好事来了。那种感觉，你知道，势不可挡……” 这个电话是诺贝尔委员会打来的，通知他获得了今年的诺贝尔物理学奖。
这个电话是瑞典皇家科学院打来的，通知他获得了今年的诺贝尔物理学奖，以表彰他和美国实验物理学家戴维·瓦兰“提出了突破性的实验方法，使测量和操控单个量子体系成为可能”。那么，阿罗什到底做出了什么样的研究成果呢？来看看他在自己的个人主页上怎么说的。

【2012诺贝尔】物理学奖深度解读：囚禁光子的量子实验大师

塞尔日•阿罗什的主要研究活动集中于量子光学和量子信息科学。他在腔量子电动力学领域做出了重要贡献，该领域隶属于量子光学，研究与高Q值腔体中的场发生强烈相互作用的原子的行为。
用高反射率的金属墙壁将一个原子-光子系统与外界隔绝起来，就形成了一个非常简单的实验模型。塞尔日•阿罗什用这个模型检验了量子物理学的诸多基本性质，如态的叠加、纠缠、互补性和退相干。其中一些实验将量子力学奠

基者设想的“思维实验”真正搬进了实验室中。
塞尔日•阿罗什在腔电动力学方面的主要成就包括：在一个腔体中观察到单原子自发辐射有所增强（1983），直接监控介观的量子态叠加（即薛定谔猫态）的退相干现象（1996），单个光子的量子非破坏测量（1999）。通过操纵高Q值腔体中的原子和光子，他还完成了量子信息过程的许多步骤，如产生原子-原子、原子-光子的纠缠态（1997），并实现了光子存储（1996），以及将光子和原子作为“量子比特”的量子逻辑门操作（1999）。
2006年，塞尔日•阿罗什和他的ENS团队发展了一种超高Q值的腔体，能够将光子存储在镜子之间，时间超过0.1秒。将光量子储存在腔体之后，ENS团队就可以无破坏地对相同的场进行重复测量，将场投影到具有确定光子数数目的状态上（即Fock态），同时可以观察腔体获得或丢失单个光子时引发的光量子跃迁。

【2012诺贝尔】物理学奖深度解读：囚禁光子的量子实验大师

这是一种全新的看待光现象的方法。鉴于测量光的过程通常会消灭光子，科学家现在可以像数盒子中的弹珠一样，一遍又一遍地数腔体中的光子了。利用这种非破坏性的测量方法，塞尔日•阿罗什和他的团队发展出了新颖的方法，能够产生和重构腔体中辐射的非经典状态，并能够仔细研究这些辐射的退相干现象，这一现象是解释量子物理如何过渡到经典物理的核心内容（2008）。最近，ENS团队进一步发展了这些实验，他们实现了一个量子反馈过程，为预先设定腔体中的场的非经典状态，以及为抵消这些态的退相干效应做好了准备（2011）。
阿罗什和他的研究团队在微波腔电动力学实验中的许多想法在其它问题上也已经得到了应用，由此造出的装置在光电子及光学通信科学方面发挥的作用越来越大。对嵌入固态微波腔体的量子点的发光特性进行操纵，已成为一种广泛使用的方法，由此能够建造固态光源，还能产生各式各样的非经典状态的光。为了进行一些对量子通信和量子信息处理有用的运算操作，人们还实现了发光装置和微波腔体结构之间的强烈耦合。利用超导量子结制成的人造原子与带状微波腔体的耦合，如今世界上许多研究小组正在发展一个新的物理学领域，叫做“电路量子电动力学”，这个领域从微波腔体电动力学实验中借用了许多概念。这些例子体现了腔电动力学的基础工作在可能具有技术应用前景的研究领域的影响。
编译自: 塞尔日•阿罗什个人学术主页。
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