法蘭西公學(xué)院的教授塞爾日·阿羅什中午出門遛彎,正和妻子往家走時,接到了一通陌生號碼打來的電話。他說:“我一看……瑞典的號碼,我就知道好事來了。那種感覺,你知道,勢不可擋……”這個電話是諾貝爾委員會打來的,通知他獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎。
這個電話是瑞典皇家科學(xué)院打來的,通知他獲得了今年的諾貝爾物理學(xué)獎,以表彰他和美國實驗物理學(xué)家戴維·瓦蘭“提出了突破性的實驗方法,使測量和操控單個量子體系成為可能”。那么,阿羅什到底做出了什么樣的研究成果呢?來看看他在自己的個人主頁上怎么說的。
塞爾日?阿羅什的主要研究活動集中于量子光學(xué)和量子信息科學(xué)。他在腔量子電動力學(xué)領(lǐng)域做出了重要貢獻,該領(lǐng)域隸屬于量子光學(xué),研究與高Q值腔體中的場發(fā)生強烈相互作用的原子的行為。
用高反射率的金屬墻壁將一個原子-光子系統(tǒng)與外界隔絕起來,就形成了一個非常簡單的實驗?zāi)P汀H麪柸?阿羅什用這個模型檢驗了量子物理學(xué)的諸多基本性質(zhì),如態(tài)的疊加、糾纏、互補性和退相干。其中一些實驗將量子力學(xué)奠基者設(shè)想的“思維實驗”真正搬進了實驗室中。
塞爾日·阿羅什在腔電動力學(xué)方面的主要成就包括:在一個腔體中觀察到單原子自發(fā)輻射有所增強(1983),直接監(jiān)控介觀的量子態(tài)疊加(即薛定諤貓態(tài))的退相干現(xiàn)象(1996),單個光子的量子非破壞測量(1999)。通過操縱高Q值腔體中的原子和光子,他還完成了量子信息過程的許多步驟,如產(chǎn)生原子-原子、原子-光子的糾纏態(tài)(1997),并實現(xiàn)了光子存儲(1996),以及將光子和原子作為“量子比特”的量子邏輯門操作(1999)。
2006年,塞爾日·阿羅什和他的ENS團隊發(fā)展了一種超高Q值的腔體,能夠?qū)⒐庾哟鎯υ阽R子之間,時間超過0.1秒。將光量子儲存在腔體之后,ENS團隊就可以無破壞地對相同的場進行重復(fù)測量,將場投影到具有確定光子數(shù)數(shù)目的狀態(tài)上(即Fock態(tài)),同時可以觀察腔體獲得或丟失單個光子時引發(fā)的光量子躍遷。
這是一種全新的看待光現(xiàn)象的方法。鑒于測量光的過程通常會消滅光子,科學(xué)家現(xiàn)在可以像數(shù)盒子中的彈珠一樣,一遍又一遍地數(shù)腔體中的光子了。利用這種非破壞性的測量方法,塞爾日?阿羅什和他的團隊發(fā)展出了新穎的方法,能夠產(chǎn)生和重構(gòu)腔體中輻射的非經(jīng)典狀態(tài),并能夠仔細(xì)研究這些輻射的退相干現(xiàn)象,這一現(xiàn)象是解釋量子物理如何過渡到經(jīng)典物理的核心內(nèi)容(2008)。最近,ENS團隊進一步發(fā)展了這些實驗,他們實現(xiàn)了一個量子反饋過程,為預(yù)先設(shè)定腔體中的場的非經(jīng)典狀態(tài),以及為抵消這些態(tài)的退相干效應(yīng)做好了準(zhǔn)備(2011)。
阿羅什和他的研究團隊在微波腔電動力學(xué)實驗中的許多想法在其它問題上也已經(jīng)得到了應(yīng)用,由此造出的裝置在光電子及光學(xué)通信科學(xué)方面發(fā)揮的作用越來越大。對嵌入固態(tài)微波腔體的量子點的發(fā)光特性進行操縱,已成為一種廣泛使用的方法,由此能夠建造固態(tài)光源,還能產(chǎn)生各式各樣的非經(jīng)典狀態(tài)的光。為了進行一些對量子通信和量子信息處理有用的運算操作,人們還實現(xiàn)了發(fā)光裝置和微波腔體結(jié)構(gòu)之間的強烈耦合。利用超導(dǎo)量子結(jié)制成的人造原子與帶狀微波腔體的耦合,如今世界上許多研究小組正在發(fā)展一個新的物理學(xué)領(lǐng)域,叫做“電路量子電動力學(xué)”,這個領(lǐng)域從微波腔體電動力學(xué)實驗中借用了許多概念。這些例子體現(xiàn)了腔電動力學(xué)的基礎(chǔ)工作在可能具有技術(shù)應(yīng)用前景的研究領(lǐng)域的影響。