145 物理教育學刊
2012, 第十三卷第二期, 145-166
Chinese Physics Education 2012, 13(2), 145-166
2012 年諾貝爾物理獎介紹
量子力學概念向現實世界
拉近
吳豐旭 國立彰化師範大學 物理系 2012 年諾貝爾物理獎分別由美國溫蘭 德 (David Wineland) 及 法 國 雅 霍 許 (Serge Haroche)所獲得，二位物理學家在量子光學 領域皆有著傑出的成就，並專研於測量和操 控非常脆弱之非破壞性單個量子系統，不論 是實驗方式，還是單量子非破壞性的操控與 測量，二位物理學家的研究成果皆使量子力 學推向另一波高峰。 物理學家 David Wineland 是科羅拉多州 的美國國家標準與技術局（NIST）物理實驗 室 與 任 教 於 科 羅 拉 多 大 學 伯 爾 德 分 校 （University of Colorado at Boulder），主要研 究領域在量子光學領域。曾在哈佛大學師法 於 1989 年獲得諾貝爾物理獎的 Norman Foster Ramsey 指 導做研 究與 攻讀 博士 學 位，並之後與在 1989 年同樣獲得諾貝爾物理 獎的 Hans Dehmelt 的研究團隊下進行博士後 研究於華盛頓大學。 而獲獎的所做的實驗方式，是藉由電場 將帶電荷的原子（electrically charged atmos） 或是離子（ions）圍困保持於陷阱（trap）中， 將執行實驗過程中在真空且極低的溫度下， 將粒子於周遭環境中加入熱與輻射能。而 Wineland 的突破點在於掌握一項技術，是用 雷射進行照射，並產生出雷射脈衝，其用途 讓 離 子 於 阱 中 進 行 熱 的 移 動 （ thermal motion），使離子存於最低能態（lowest energy state），進而研究陷在阱中離子所表現的量子 現象。若仔細調整雷射脈衝時，可發射入疊 加態（superposition state）離子，將同時發生 兩個清楚不同態的存在物，如同時離子擁有 兩個不同能階。開始以最低能階與雷射脈衝 僅在推動離子往較高能階中，進而以便在兩 個能階之中離開，是任一離子的相等機率於 疊加能態。此方式可研究離子能態的量子疊 加。 物理學家 Serge Haroche 是任職於法國 國 家 科 學 研 究 中 心 （ École normale supérieure），並 任教於巴 黎高 等師 範學 校 （Pierre-and-Marie-Curie University），其博士 論文導師為 1997 年獲得諾貝爾物理獎的 Claude Cohen-Tannoudji，主要研究領域在量 子光學與原子物理（atomic physics），對量子 光學領域中，量子電動力學方面就有著重要科技報導
圖 1：2012 年諾貝爾物理獎得主：雅霍許 Serge Haroche（左）和溫蘭德 David Wineland（右）146 貢獻，因此實驗式量子力學領域享有盛名。 而獲獎所做的研究實驗，利用微波光子 （microwave photons）彈出與進入內部的小 型空洞（cavity），其空洞的設計為兩面間隔 三公分的反射鏡，其所使用材質是超導體物 質，使冷卻至接近絕對零度，且超導電的反 射鏡可以將空洞照亮。是使單個光子可以在 空洞中向前後彈，幾乎數十次反射在損失或 吸 收 之 前 ， 以 長 期 記 錄 光 子 的 生 命 週 期 （life-time），發現平均經過四萬公里，這是 相當於旅行地球一圈。因此許多量子操控的 執行可藉由困於阱中光子的長生命週期。然 而，Haroch 還準備了里德堡原子（Rydberg atoms，是瑞典物理學家 Johannes Rydberg， 指具有高激發態電子有主量子數 n 很大的原 子[4]），與微波光子一起進行控制與測量。 其中的里德堡原子半徑為 125 奈米，大約是 一般原子的一千倍。藉由仔細調控速度使巨 大甜甜圈狀（doughnut-shaped）的里德堡原 子進入，如此一來就產生良好的控制方法， 且與微波光子發生了相互影響。在穿越空洞 過程中，發現里德堡原子會在微波光子之後 離開。但在相互影響下，光子與原子皆產生 原子量子態的相改變，若你把原子量子態想 成波時，其上下波成為移動似。當原子離開 空洞可被測量相的轉變，因此顯示出光子在 空洞中的是否存在，其原因在於沒有光子就 沒有相的轉變，因此可以非破壞量測單光子。
David Wineland 與 Serge Haroche 的研究 有 三 項 解 釋 與 應 用 ， 分 別 為 薛 丁 格 的 貓 （Erwin Schrodinger's Cat）、量子電腦的突 破、和新標準時鐘。 在薛丁格的貓來說，Wineland 與 Haroche 實驗中阱中量子與放入像貓（cat-like）的疊 加態來替代薛丁格的貓，雖然量子觀察非肉 眼可看的貓，但對量子領域來說仍然非常 大。如 Haroche 的實驗，同時將放入微波光 子與像貓態之相反相，就像同時秒錶存在順 時鐘與逆時鐘方向，由里德堡原子於微波場 空洞進行探測，發生難以理解的量子影響稱 為糾纏，如同 Erwin Schrodinger 所描述的在 沒有接觸時有兩個或更多量子之間糾纏狀 態，但仍可以察覺與影響的特徵。 接著的量子電腦，可能應用離子阱是許 多科學家的夢想，在現今傳統的電腦最小資 訊單位為位元，是以 0 和 1 表示數值，而量 子 電 腦 的 資 訊 基 本 單 位 稱 為 量 子 位 元 （quantum bit）或量子位（qubit），一樣以 0 和 1 為主，若兩個量子位元可同時承擔四個 數值，而每個額外的量子位產生雙重可能的 態，例如 n 個量子位能有 2 的 n 次方個，而 若量子電腦有 250 個量子位時，就可同時承 受 2 的 250 次方個數值。而 Wineland 的團隊 證明兩個量子位元來操控量子，也已經完成 了少許的量子位，雖然沒有任何原理推導來 相信可能達到操控更多的量子位。雖然建立 一台量子電腦的挑戰是龐大且實際，在於量 子必須適當的被孤立於所處的環境，但沒有 破壞其量子特性，又通過而傳達出計算結果。 最後的新標準的時鐘，是使用 Wineland 與 其研究團隊的阱中離子，用來建造比現今所 使用的銫原子鐘還準確百倍量測時間的時 鐘。因銫原子鐘需要一定微波範圍（無線電， RF[5]）中運轉，而 Wineland 的離子鐘只要 現有的光，其組成可由一個或兩個離子在阱 內，若是兩個離子時，一個當作時鐘，另一 個在非破壞狀態下來解讀時鐘，或基於為聽 到的滴答聲。因根據 Einstein 相對論提到時 間會被運動與引力所影響，在較高速與引力 強時，時間會緩慢的變化，雖然我們無法察 覺到其變化，但事實上在我們每一天中有變 化部分。所以離子鐘可以幫助我們測量不同 時間變化，於每秒移動少於十公尺或是引力 對於海拔僅三十公分的影響。
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