袁岚峰对话2012年诺贝尔物理学奖获得者、法国科学家塞尔日·阿罗什

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大家好,我是中国科学技术大学袁岚峰。最近,我参与了今日头条与世界顶尖科学家协会推出的《科学家请回答2023》科普活动,跟2012年诺贝尔物理学奖获得者、法国科学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)做了一场对谈。他和美国科学家大卫·维因兰德(David J. Wineland)共同获奖,原因是“突破性的实验方法,使我们能够测量与操纵单个量子体系”。

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塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)

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大卫·维因兰德(David J. Wineland)

这话是什么意思呢?受过基础科学教育的人都知道,物质是由原子组成的,原子是由电子、质子、中子组成的。对科学了解更多的人可能还知道,光是由光子组成的。描述这些微观粒子基本运动规律的理论,就是量子力学。它是当今两大物理学基础理论之一,跟相对论并列。基于量子力学,人们发明了激光、核能、半导体、发光二极管等几乎所有的现代技术。

然而,所有这些技术都有个共同点:它们操作的都是大量粒子的集合,而不是单个粒子。实际上,量子力学的奠基人们还曾经认为,操控单个粒子是不可能的。这是因为量子力学有很多奇特的性质,例如量子叠加、量子纠缠,它们跟经典世界的经验格格不入,最著名的例子就是薛定谔那只半死不活的猫。为什么在微观世界理论上允许存在这种猫态,而在宏观世界就不会看到呢?为了避免动物保护协会的抗议,最方便的方法就是认为它压根就制备不出来!

当然这是开个玩笑,真正的原因是操纵单个粒子的难度太大了,以至于前辈科学家们根本没有考虑过这个问题。然而,阿罗什和维因兰德打破了这个思维定势,他们设计了极其巧妙的方法,第一次使我们能够精细地操控单个粒子的状态。由此就可以观测到种种奇妙的量子性质,包括真正意义的薛定谔猫态。他们甚至还能观测到薛定谔猫态如何衰变成普通状态的过程,这是环境跟量子体系作用的结果。

阿罗什的研究领域是量子光学,不过我们也经常把他称为量子信息领域的获奖者。为什么呢?因为量子信息是量子力学和信息科学的交叉科学,而要实现量子信息,前提就是要能够操控单个粒子,因此阿罗什和维因兰德的实验对此具有奠基性的作用。

那么,阿罗什是如何实现单粒子操控的?他们由此得到了什么惊人的结果?这对基础研究、日常应用以至哲学有什么意义?这些就是我跟他对话的精彩内容。12月1日起,我们将上线3期视频,为朋友们带来这场对话。

在现场录制过程中,阿罗什教授还谈到了他对量子计算发展前景的看法,以及他的科普书《光的探索》(法文版2021年出版,中文版即将出版)。他提到反科学的潮流一直存在,但现在随着后真相和另类事实的兴起,它们正朝着一个特别有害的方向发展,因此科普在当今时代更加肩负重大的使命。

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