捕捉薛定谔之猫与未来量子技术

中国科学技术大学报告“捕捉薛定谔之猫”与未来量子技术漫谈2012年诺贝尔物理奖"forground-breakingexperimentalmethodsthatenablemeasuringandmanipulationofindividualquantumsystems"TheNobelPrizeinPhysics2012SergeHarocheDavidJ.Wineland测量与操控单个量子系统的工作，或多或少与量子物理学发展史上一只可怜的“猫”的思想性实验有关，这只猫著名的“薛定谔之猫”!今天我的报告就从这只猫开始！法国巴黎高师ENS美国国家标准局NIST报告内容：薛定谔之猫：思想性实验的物理内涵薛定谔猫态：科学之争量子到经典之路:退相干历史

经典到量子：科学寻猫之旅2012nobel物理奖“捉猫”游戏与量子技术、未来展望科学“捉猫”运动在中国科学Nobel奖引起的反思：中国离您有多远？上个世纪80年代，我国一位伟人提出了影响中国社会发展的著名猫论：不管白猫黑猫，抓住老鼠的是好猫!无独有偶，上个世纪30年代，奥地利一位伟人薛定谔也有一个导致世界科学思想革命的“猫论”:不论死猫活猫，同时既死-又活的猫是薛定谔的猫!薛定谔之猫思想性实验背景：上世纪初，为了描述与解释微观现象，如原子结构、观察到的原子分立光谱线等当时（也是迄今大学教科书最普遍教的）内容：量子理论发展Schrodinger量子力学（波动力学）Heisenberg量子力学（矩阵力学、测不准原理）Copenhagen学派的解释难理解的几点:量子描述是概率的，只知道系统可能的状态，不能同时确定它们态叠加原理：y=ay1+by2+......测量导致y立即塌缩y1

或y2,或......量子理论的成功（描述微观世界）人们承认其规则有效，但对Copenhagen学派的解释(不确定性+测量),当时许多物理学家，包括薛定谔、爱因斯坦都提出了质疑。放射性原子盒子盖格计数器+控制装置氰化物瓶子盒中原子:放射衰变量子过程,|态>

(|衰变>+|未衰变>)/√2薛定谔猫薛定谔与爱因斯坦通信质疑Copenhagen解释时提出的思想性实验：箱中猫盖格计数管+控制装置

|猫态>

(|死猫>|衰变>+|活猫>|未衰变>)/√2一只“猫”引起的科学“公案”箱子打开前：量子理论“猫”处在“死-活”同时叠加态箱子打开后:测量解释猫态塌缩决定“死”还是“活”违背了宏观世界日常所知的常识--我们知道：日常生活中，猫的死或活是不依赖于我们人类是否看（测量）了她！薛定谔思想实验其本意质疑Copenhagen学派量子力学解释：不确定论与测量导致波函数塌缩（就确定论而言，他是站在爱因斯坦一边的）。隐含一个问题：微观世界(量子状态)

宏观世界(经典确定状态)：怎样“放大”过来的？Amplifier？盖格计数器+控制原子放射过程薛定谔猫AmplificationCopenhagen学派核心人物之一Bohr回应薛定谔猫实验：盖格计数过程就是一个测量过程，它在箱子打开前就足以决定猫的生死！量子理论日常生活任意推广导致许多类似薛定谔猫悖论：量子干涉量子隧穿哦，爱丽丝，你是适合我的那个人但鲍勃，我们是在量子世界，你怎能肯定？关于量子测量调侃：丈夫回家一开门，妻子变成别人甚至爱因斯坦对Bohr的质疑也有同样问题:Bohr先生，我相信上帝是不会掷骰子的！你真的认为

你不去看月亮，月亮就不存在那里么？爱因斯坦一生坚信量子理论不确定性是理论本身的缺陷—隐变量上帝掷骰子吗？确定论者：爱因斯坦、薛定谔...Copenhagen：玻尔、海森堡...华山论剑物理学‘思想解放’大辩论：产生新的思想甚至哲学层面量子理论越来越完善，Copenhagen学派愈来愈占上风工具主义者(Instrumentalists):Mermin、Dirac、FeynmanShutupandcalculate!今天大多量子物理学家都应该是工具主义者，

或者说都被Copenhagen学派“洗了脑”：上帝创造世界之初（微观世界），是想掷骰子的。但这样的世界太不确定，无奈上帝就伸手干预

世界就变得确定了这个玩笑不是说真相信上帝存在，我的意思：1.Copenhagen学派的量子理论规则描述微观世界有效2.Copenhagen学派“测量”—“上帝之手”探索其真正含义？3.微观世界宏观世界过程？QuantumrealmClassicalrealm？Copenhagen：测量波函数塌缩Everett：Many-worldsInterpretationGhirardi-Rimini-Weber（GRW）：随机自发定域理论Gell-Mann，Zurek，Zeh，Griffiths：退相干（已渐被接受）退相干过程：环境、相互作用薛定谔猫宏观世界的猫量子通向经典之道路例子量子粒子物质波eikxeikx+iDkx粒子间相互作用碰撞相位改变经典世界：统计平均lD德布罗意波长l=h/plD

=√2ph2/mkBTlD=√2ph2/mkBT经典体系环境、粒子间相互作用退相关性确定量子-经典边界尺度：温度T作为

经典世界粒子作用度量进入室温T=300C氢原子H：

lD~1/(10000000000)m=10-4mm质量m，温度

T越近量子世界50-75kg男女：lD~10-25

m=

10-19mm

你不用担心：回家开门，你的妻子变成别人或消失这需要接近mm量级的德布罗意波长QuantumrealmClassicalrealm？从经典世界进入量子世界：寻找薛定谔之猫2012年Nobel物理奖+早期其他人工作：沿着经典轨迹探索跨越经典-量子边界的技术进入量子世界，搜索薛定谔之猫物理学中退相干历史的“考古”怎样跨越：发展技术捕获粒子，隔离环境，降低温度ControlingandmeasuringquantumstatesofionsbyphotonControlingandmeasuringquantumstatesof(microwave)photonbyatoms捕获“薛定谔之猫”光子猫态、离子猫态2012年Nobel物理奖S.HarocheD.Wineland“捕获”光子猫态日常见到的光手电光太阳光各方散开各种频率不是单一模式（相干光）为了捕捉光子

需要有好的“陷阱”激光技术的诞生光子阱光学谐振腔光波长与腔长共振：光子寿命依赖品质因子Q镜子激光腔技术努力提高Q因子增加光子寿命结合原子物理CavityQEDHaroche故事从这里开始atom提高Q增强原子自发辐射Purcell

(1946)Casimir(1948)Casimir效应:CavityQEDeffectwithoutatomsKleppner

(1981)幽禁原子自发辐射理论预言：CavityQED正式研究开始1983Haroche带领他的小组用钠Rydbergatom穿越微波腔首次证实Purcell效应P.Goy,,M.Gross

andS.Haroche

Phys.Rev.Lett.50,1903(1983)发展腔技术进一步改善腔Q提高光子寿命光子-原子强耦合区(光子-原子耦合强于光子从腔逃逸速度允许原子有足够时间遇到光子猫)原子集体quantumRabioscillationsY.Kaluzny,P.Goy,M.Gross,J.M.Raimond,andS.HarochePhys.Rev.Lett.51,1175(1983)其他小组相似工作H.Walther(1985)德国Max-Planck小组实现微Maser微波光子的非经典态与一道提名过诺贝尔奖，两人都去世，未能获奖J.Kimble(2000)Caltechgroup开拓可见光波段CavityQED继续开拓两方面进展：腔技术：超导材料镜子（冷到0.8K)Q=4x1010

光子寿命达130ms（光子腔内旅行40,000km)。原子探测技术：Rb原子里德堡态超级偶极矩保证单个光子有足够大的机会被原子捕捉Haroche小组终于用CQED技术捕捉到光子猫态！2012年功成名就：1983-2012,近30年坚持！“捕获”离子猫态物质粒子（核子、原子）的“猫态”最早由Rabi建议原子束磁共振（1930）、构造原子“Clock”（1945）1944Nobel物理奖6.834GHzFF’5S1/25P1/25P3/2F”12量子理论：原子中电子有不同能级Rabi理论：电磁场驱动原子不同能级跃迁Rabi振荡原子量子态薛定谔猫态：|y>

=a|1,>+b

eiwt

|2,

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原子跃迁频率w=2p(E2-E1)/h确定Rabi建议用于原子钟！美国国家标准局（NIST):Rabi学派的原子钟之旅1949年实现氨分子钟1949年Rabi学生Ramsey分离振荡场方法改进1952-1967铯原子钟精度进一步改进当时瓶颈与困难：原子热运动多普勒效应：ww+ku依赖原子系统温度T原子猫态环境退相干原子钟振荡不稳定解决困难冷却原子新的发展：上世纪70年代初，提出激光冷却原子理论磁光阱技术20年努力90年代发展出磁光阱技术冷却原子mK1997nobel物理奖1991年新的瓶颈与困惑：1.磁光阱冷却温度超辐射限制

2.原子在超冷区理论描述新的里程碑：1991年意大利“费米暑期学校”:讨论解决以上问题理论发展：激光操控超冷原子非线性原子光学：我的幸运四年发展原子蒸发冷却技术冷却原子进入超冷区（nK）实现超冷原子集体进入

玻色-爱因斯坦凝聚宏观量子态“集体原子猫态”2001年Nobel物理奖量子物理打开了一片新天地但是：对高精密原子钟的发展，这种“集体原子猫”还是有被称为集体量子激发的起伏不适合原子钟隔离单个的“猫”对高精密原子钟是需要的两种技术被发展：1.隔离单原子

光晶格技术2.隔离单离子Wineland技术DavidWineland背景：属Rabi学派

，延续Ramsey发展原子钟技术（NIST要求）中性原子缺点：热碰撞他选择了隔离单离子道路

Wineland技术核心：1.离子阱技术：电荷，电极控制Paul&Dehmelt：1989Nobel2.离子激光冷却技术1975Wineland&Dehmelt

发明激光冷却离子库伦排斥力结晶隔离3.单离子光钟技术隔离2个不同离子(铝、钡),铝离子用来作为钟离子(猫),钡离子作为测量工具。Wineland巧妙地将钟的猫态转换给测量离子,而不影响猫37年持之以恒追求一个目标，终成正果！捕捉“薛定谔猫”的游戏与量子技术薛定谔之猫可能引起的信息学革命经典信息二进制编码：比特（0，1）

量子理论本征量子态：（|0>，|1>,…）可以用来构成“量子比特”用魔术师刘谦的话：见证奇迹的时候到了量子理论态叠加原理：a|0>+b|1>(猫态）发展操控量子比特(原子,量子,量子点,光子）技术量子比特信息容量>>经典比特信息科学的革命浪潮量子信息时代的到来！量子存储量子通信量子计算机薛定谔之猫与全球定位系统(GPS)原子之猫原子钟技术卫星信号时间同步精密原子钟GPS核心技术之一薛定谔之猫与国家安全技术

1cm

原子干涉仪、陀螺仪量子加密技术量子网络量子密钥激光冷却原子(mK)|y>|左>+|右>

薛定谔猫态工作原理

原子干涉仪、陀螺仪应用惯性制导GPS-free舰载导航地下设施重力勘探重力、磁力原子探矿寻猫之途路漫漫：未来展望路漫漫其修远兮,吾将上下而求索大尺度的薛定谔猫态宏观量子世界？目前人类最大的“薛定谔猫”:

原子玻色-爱因斯坦凝聚体

1~10几个mm

病毒与细菌、超导体正在发展的技术Optomechanics量子光机械建立：微观--Nano—宏观联系生命中的“薛定谔猫态”？磁共振技术人类大脑量子控制人类记忆的量子存储与读取：“读心”是可能的？人类认知与量子技术飞翔的信鸽、南归的大雁也在“追寻”量子的轨迹？最近有报道研究：候鸟的大脑有类似磁力计的地磁场导航系统引起量子物理与原子物理学家的兴趣：量子仿真学宇宙的量子之光：大统一理论？

寻找“弦”，量子引力变化暗物质，暗能量生命最后一撇：灵魂回归时的“量子之光”发展大统一理论类宗教理论：有科学基础StuartHameroffArizona大学RogerPenrose英国牛津大学物质意识物质-精神同等、互补信息能量化QuantumBrain量子光学与量子调控在中国中科院上光所中科院武汉物数所中国科大山西大学华东师大北京大学清华大学。。。国家科学技术学部—量子调控重大科学研究计划国家自然科学基金委—单量子态重大研究计划量子调控量子调控量子调控量量子调控量子调控量量子研究在华东师大国家科学技术学部—量子调控重大科学研究计划国家自然科学基金委—重点项目2次首席科学家项目光-原子量子研究所量子光学原子光学量子调控

共40余人，教授5人、副教授4人、讲师5人；理论+实验。主要学术骨