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操控離子及光子—— 開啟量子技術的新紀元

立報/本報訊 2012.12.02 00:00
■科學月刊■ 張為民、陳泳帆(任教成功大學物理系 )賀羅徹和溫蘭德因各自發展出量測及操控簡單量子系統的開創性實驗方法,為超快速量子電腦的實現跨出了第一步, 獲得今年諾貝爾物理學獎。量子系統是指由原子尺度範圍內(~10-10米)的微小粒子,包括原子本身、電子、光子及其它各種基本粒子,所構成的各種微觀系統。這些物理系統不再滿足古典物理規則,他們的物理現象結合粒子和波動的特性,由量子力學決定。然而,對大多數科學家而言,量子物理仍然是一個充滿神祕的世界。雖然量子理論早已在上個世紀20年代中葉就被建立起來,正如著名物理學家費曼曾說過:「如果有人認為他搞懂了量子力學,這意味著他根本不懂量子力學」、「保守地說,這世界上沒有人真正懂量子力學」。費曼此一說法的主要依據之一應該是——長久以來,人們無法直接而精確地量測及控制簡單量子系統的量子相干性。量子相干性描述量子粒子的波動特性,類似於古典波動系統中,波的相干性由波的疊加所得到,量子相干性是由量子系統的內在結構、描述量子能級的量子態線性疊加所產生。但由於構成量子系統的基本元素極微小,它們對來自周圍環境的影響極為敏感,周圍環境的微小擾動很容易導致量子系統相干性的消失,此現象稱之為量子退相干。因此半個世紀多以來,人們對量子態的精確量測及調控始終無法達成,進一步更普遍認為,由於量子測不準原理,量子態也許根本無法被準確地量測。然而,經過二、三十年的努力,美籍物理學家大衛.溫蘭德和法籍物理學賽吉.賀羅徹,分別利用電磁場來捕捉離子及利用原子來捕捉光子,發展出非常精確的、可量測及調控簡單量子系統的量子態實驗方法及技術,獲得了今年的諾貝爾物理學獎。溫蘭德1944年出身於美國的威斯康辛州,大學畢業於加州大學柏克萊分校,隨後前往哈佛大學師從拉姆西,並於1970年取得博士學位。他在美國國家標準技術研究所進行研究工作至今已達37年之久,為該研究所離子存貯實驗組的負責人。由於在發展離子阱技術方面取得極為出色的研究成果,溫蘭德於1992年成為了美國國家科學院院土,之後於2007年獲得美國國家科學獎。在進入國家標準技術研究所物理實驗室之前,溫蘭德在華盛頓大學德梅特教授的團隊做了五年的博士後研究。正是從那裡開始,溫蘭德開啟了利用離子阱捕捉單顆離子的實驗研究。值得一提的是,溫蘭德的兩位導師,拉姆西和德梅特分別因原子鐘和離子阱技術的發展,及原子超精細能級的精確量測,與另一位德籍物理學家鮑爾於1989年共同獲得諾貝爾物理獎。時隔23年後,溫蘭德因將離子阱技術發展到能操控單顆及多顆離子的量子疊加態,為建構超高速量子電腦跨出第一步而獲獎。(全文見科學月刊2012年十二月號封面故事-諾貝爾獎特別報導)

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