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      冷原子如何变“热”? | 专访诺奖得主威廉·菲利普斯

      发布日期:2018年04月20日 16:00   来源:66科技网


      威廉·菲利普斯(William Phillips),诺贝尔奖获得者,来自位于美国马里兰州盖瑟斯堡(Gaithersburg, MD, USA)的美国国家标准与技术研究院


      撰稿 | 菲利普·鲍尔(Philp Ball)

      翻译 | 张珊

      校译 | 张文卓、陈晓雪

      审阅 | 叶军


        


      因在激光冷却和囚禁原子方面所做出的突出贡献,来自美国国家标准与技术研究院 (简称NIST)的威廉·菲利普斯 (William Phillips)分享了1997年的诺贝尔物理学奖。


      光场与原子之间的相互作用形成的所谓的“光学粘胶”可以使原子减速,从而使原子温度降低至接近绝对零度。利用这类技术可以在极高的精确度下对原子进行研究,比如可以准确测量光吸收的谐振频率,有了精确的频率就可以为原子钟提供非常稳定的计时标准。这些冷却方法除了在计量科学上的应用之外,也常用于基础物理的研究探索。


      1997年诺贝尔物理学奖的颁布被广泛认为是对1995年第一次观测到纯玻色-爱因斯坦凝聚 (Bose-Einstein condensation,简称BEC)的一个有效回应。玻色-爱因斯坦凝聚态下,玻色子全部占据单一量子态,这种量子力学效应只有在非常低的温度下才有可能出现,而科罗拉多大学和NIST联合建立的JILA实验室成功实现了这一实验,其中利用的就是菲利普斯等人发明的技术。此后,冷原子物理的分支向多个方向扩张,其中包括通过囚禁超冷原子和离子的方法尝试制造量子计算机(基于量子规则运用逻辑运算)


      基于以上背景,《国家科学评论》National Science Review,简称NSR与菲利普斯就冷原子物理的发展和未来潜力这一问题进行了交流。


      以下为本次访谈的主要内容:


      国家科学评论:您曾说过,近年来冷原子物理已经在诸多方向有所发展,我们很难去时刻都跟踪它的所有发展轨迹。那么在您看来,最重要的方向是什么?


      菲利普斯:冷原子物理和凝聚态物理的交叉已经带来一个富有成果的方向。例如,原子可以被放到光晶格中(通过相交激光束干涉制造的周期性排列的微观势阱),这样它们的运动就和晶格中的电子运动类似。相比于电子,这些被陷俘的原子为研究创造了不同的机会。原子可以是费米子也可以是玻色子(它们的自旋分别为半整数自旋和整数),而电子只是费米子。对于原子而言,很容易测量它的动量分布和原子运动间的关联,而对于电子,测量它们的整体输运性质则很容易。电子具有两种自旋态,而原子的自旋态可以是一种、两种或者更多种。原子可以被用来类比电子电路的电路系统,即新兴的原子电子学 (atomtronics)


      另一个令人满意的方向则是原子钟的发展。激光冷却技术的初衷是制造更好的时钟,冷原子钟也确实是其一直以来最大的成功之一。最初,冷原子钟由被陷俘的离子或者是中性原子喷泉(原子被向上喷出,然后在重力场作用下下落,为探测提供了相对较长的时间)组成,这类时钟优于以前的任何时钟。如今,最好的时钟是被储存在光晶格中的冷原子,系统不确定度只有2X10-18,即相当于现在整个宇宙寿命中的一秒。


      国家科学评论:您进入这一物理领域的最初动力是什么?是什么想法或人激励您一直从事这项研究的?


      菲利普斯:1978年当我在麻省理工做博士后的时候,我第一次了解到了激光冷却原子的可能性。大卫·维因兰德 (David Wineland)(2012年获得诺贝尔物理学奖)首次实验演示了可以通过激光来冷却囚禁的离子,随后贝尔实验室 (Bell Labs)的阿斯金 (Art Ashkin)提出了一个减速和囚禁钠原子的方案,这些前人的研究成果激励了我。当时,我的实验室里恰好有钠离子束,于是我就开始了冷却和囚禁原子研究的漫漫旅途。起初我只是觉得做这样的事情很酷,但是当1978年秋天我来到NIST后,另一个动力出现了,我想使用冷原子做更精确的测量,具体说就是做更好的时钟。计量学上的这些实际目标强烈激励着我做出了最初的工作。


      国家科学评论:显然,通过冷原子系统可以进行大量新物理的探索。您认为最有趣的基础性的问题是什么?在冷原子系统中,是否还存在知之甚少的其他性质?


      菲利普斯:多体物理学 (many-body physics)是现代物理学的一个重要前沿领域。当原子间的相互作用不能用像平均场(平均整个系统所有的相互作用)这种简单概念进行解释的时候,计算这类系统的行为也变得不可行。冷原子代表了一种新的多体系统,提供了新的测量和控制的机会,而且我们也希望它可以帮助我们理解一些像高温超导体的起源这一类还未解答的奥秘。


      另一个有趣的基础性领域是对自然界基本对称的探索。在寻找电子、原子核等永久电偶极矩存在可能性的问题上,冷原子提供了一个很好的研究平台。如果永久电偶极矩的尺寸大到可以在未来的几年或者几十年的实验中观察到,我们可以期待发现存在超出粒子物理标准模型的新物理学。


      国家科学评论:我们知道构建量子计算机有多种不同方法,而利用囚禁的冷原子作为量子比特只是其中的一种方法。相比于其他方法,您感觉对于实用量子计算机,光晶格囚禁冷原子的真正前景在哪里?


      菲利普斯:答案很简单:无人知晓。我认为,我们还处在量子计算机发展的最早期阶段,无法去预期一个成功的量子计算机是什么样子。离子阱虽然是目前为止最先进的系统,但是距离做成实用器件还有很长一段距离。不同的量子比特平台具有不同的优势和劣势。原子和离子系统通常具有很长的相干时间(在这段时间内,它们可以保持在一个相干的、互相依赖的量子态中)。而固体系统通常较快,可以通过半导体工业熟悉的技术来制造。为了做一些类似分解大数因子(量子计算机的杀手级应用)的工作,所有这些平台都需要在现有的几个量子比特系统基础上做到大规模的扩容。对此无论采用哪种量子比特都会很困难。中性原子系统可能稍具优势,因为光晶格在毫米级的微小空间里几乎可以容纳数以百万计的原子。但是中性原子系统也具有重大挑战。所以整体来看,将不同种类量子比特的优势都利用起来,做一个各种量子平台的综合体可能会是制造量子计算机的最终脱颖而出的方法。


      国家科学评论:您认为玻色-爱因斯坦凝聚的首次实验演示对冷原子研究产生了怎样的影响?


      菲利普斯:当时,这个领域的人们都认为玻色-爱因斯坦凝聚是原子物理学中的“圣杯”。对于爱好者而言,玻色-爱因斯坦凝聚的证明尽管是一个艰巨的任务,但还是值得为之付出努力的。然而并不是每个人都这样想。有些人认为玻色-爱因斯坦凝聚是一个遥不可及的目标,也有些人则质疑到底会有什么用。


      在玻色-爱因斯坦凝聚实现之后,那些消极观点很快就消失了。很明显的是,在测量和控制方面,原子气玻色-爱因斯坦凝聚与其他的一些超级系统有很大不同。玻色-爱因斯坦凝聚使得很多新类型的实验具有实现的可能性,而这些新实验在其他系统中尚未完成,或是不可能完成的。其中包括创造原子激光(原子激光即从玻色-爱因斯坦凝聚中提取相干的原子束),不同玻色-爱因斯坦凝聚体之间的干涉,通过非线性四波混频产生新型相干原子,等等。


      国家科学评论:计量学方面的应用呢?是否有一些惊奇的发现?


      菲利普斯:在计量学上,冷原子提高了时间和频率的计量,主要有两点:一是降低了与速度相关的频移(多普勒频移和相对时间展宽),二是由于减速(或被囚禁)的原子可以被长时间观测,提高了时钟的性能。


      其中一个特别令人满意的发展就是光学囚禁原子在频率计量方面的发展。人们通常认为用光来囚禁中性原子在频率计量方面效果并不理想,因为原子钟工作原理主要是测量跃迁频率,这个频率对应了原子中两个量子态(即所说的时钟态)的能量差,而囚禁原子的光场通常会改变这两个量子态的能量,带来频移和频率展宽(与此相反,囚禁的离子就基本不会造成频率红移,因为囚禁离子的电势是与净电荷有关的,而所有量子态的净电荷都是一样的。)但是,实验发现,在激光陷俘原子过程中可以找到一个“魔幻波长” (magic wavelength),这个波长不会带来对跃迁频率的频移,从而为囚禁的原子提供很长的观测时间。


      冷原子在计量学的另一个重要应用是对惯性和重力敏感的原子干涉仪,这是实际应用的一大领域。


      国家科学评论: 既然激光冷却对原子钟和时间标准方面具有如此大的影响,那现在我们是否已经找到了我们需要的时间标准?新的时间标准在未来是否有可能得到进一步改进和提高?


      菲利普斯:这里存在两个问题:首先,我们是否需要更好的时间标准?其次,我们能否做出更好的时间和频率标准?答案无疑都是肯定的。对更好时间标准的需求一直以来是一个科学研究目标需求。如今,包括像自然的基本常数是否恒定这类科学问题都在激励人们寻找更好的时间标准。例如,通过测量很长一段时间中(几年)不同原子频率标准的频率比值,我们可以确定精细结构常数(决定光与物质间相互作用的强度)是否随时间改变。频率标准越好,得到的测量结果越精确。


      事实上,目前最好的频率标准具有的系统误差大约在10-18,非常令人震惊。我第一次开始研究激光冷却时,最好的误差标准还是10-13的量级。我记得当时大卫·维因兰德猜测在不确定的将来10-18量级会成为可能。如今,得益于激光冷却和光频测量 (John Hall和Theodor Hansch因此获得了2005年诺贝尔奖),我们取得了这样的好成果,并且还会持续改进。至于原子(或者可能是原子核)频率标准会达到多好,目前看没有根本限制。


      国家科学评论:这一领域的发展是否在不同程度上得益于实用技术的发展,像微细加工、激光光学这类?现代技术的发展让我们能够开始探索一些多年前被提出来的科学问题,这样说是否公正?


      菲利普斯:技术的进步,尤其是激光器和光学方面取得的重大进展,对这一领域的发展一直以来都非常重要。我第一次激光冷却实验使用的是钠原子,因为我们当时只有适合钠原子的激光。如今,激光技术的发展使得元素周期表中很多元素都可以用来激光冷却。此外,非线性光学的进步使得倍频、和频得以发展,我们可以在电磁波谱很大的范围内提供相干光源。光学技术的进步还刺激了频率梳技术 (frequency-comb techniques)的发展,这一技术也导致高精度的光频测量的出现。


      另外,制造业的进步肯定也会影响一系列激光技术的发展,这也为以芯片为基础的囚禁冷原子、离子,以及紧凑型冷原子实验的集成器件等这类研究开辟了新的道路。


      这些进步让几十年前的梦想甚至连做梦都不敢想象的惊人实验成为可能。单量子对象的研究和操纵就是一个引人注目的例子,2012年的诺贝尔奖也授予了进行这项研究的大卫·维因兰德和塞尔日·阿罗什 (Serge Haroche)。量子力学的开创者们认为这样的想法只能存在于假想实验,有些人甚至嘲笑这些想法从原理上都讲不通。今天,单量子的操纵已经成为量子信息科学(21世纪量子技术与信息技术的结合)的核心。


      国家科学评论:这个领域中,您最想解决哪一方面的问题?是技术问题还是理论问题?您认为这些问题可能会在什么时候得以解决?


      菲利普斯:实际上现在还有很多重大问题有待解决。一个重要的里程碑将会是利用量子模拟来解决非常有趣的量子多体 (quantum many-body)问题,而这个问题是经典的数值计算方法至今无法解决的。其中一个例子就是费米子哈伯德(Fermi-Hubbard)模型,一些人认为这是高温超导体的关键所在。这个模型需要克服的其中一个重要困难是要在足够低的温度下获得原子的费米气体,如此才能观测到基态的性质。


      对于与量子模拟相关的量子计算,超冷离子和原子是具有相当大发展前景的平台。制造出具有足够能力的通用量子计算机,并解决有趣的问题还有很长的路要走,但是近期可实现的一个目标就是做一个“永生的量子比特” (immortal qubit),也就是说利用多个物理量子比特创建一个逻辑量子比特,然后通过重复的纠错来保持这个未知的逻辑量子比特态。这将是制造出一个合格的量子计算机的重要里程碑。


      为汇总冷原子领域研究的最新动态,《国家科学评论》2016年第2期出版了冷原子专题由叶军教授担任特邀编辑受邀作者包括Ana Maria Rey、卢征天、Cheng ChinStefan KuhrMatthias Weidemüller等专家学者并对诺奖得主William Phillips教授进行了访谈。


      原文标题“How cold atoms got hot: an interview with William Phillips”,2015年11月9日首次在线发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。NSR是科学出版社旗下期刊,与牛津大学出版社联合出版。《知识分子》获授权刊发该文中文翻译。


      原文链接:http://nsr.oxfordjournals.org/content/3/2/201.full

      专题链接:http://nsr.oxfordjournals.org/content/3/2.toc


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