量子调控和相关研究的若干进展与展望

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:25:11

[作者:中国科学院物理研究所理论物理研究所研究员于渌]

物理学研究物质的基本结构和物质运动的普遍规律，它的研究前沿涉及物质的微观结构、宇宙的结构和演化、凝聚态和生命物质，以及原子、电子、光量子等量子体系。原子、分子物理、光学和凝聚态物理是物理学中涉及面广、影响深远的领域。一方面，它们为微观、宇观世界的研究和化学、生命科学、环境科学等学科提供理论概念、方法和实验手段；另一方面，它们为半导体、激光、超导、纳米、信息、能源、材料等科学技术提供科学基础。如何认识和调控电子、光子、原子、分子及凝聚态中的量子现象是将这些重要领域联系起来，孕育和推动新一代技术革命的前沿课题。《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006－2020年）》已将“量子调控研究”列为基础研究的四项重大研究计划之一。美国科学院联合会发布的原子、分子物理和光学委员会2010年的前瞻报告，标题就是“调控量子世界”。从1977年到2005年，与“量子调控”有关的诺贝尔物理和化学奖有16项，包括整数（1985）和分散（1998）量子霍耳效应、氦3超流的发现（1996）、高温超导（1987）、超导和超流理论（2003）、激光俘获和冷却原子（1997）、玻色－爱因斯坦凝聚（2001）、电子和扫描隧道显微镜（1986）、量子光学和激光光谱学（1981、1999化学、2005）、电子态计算（1998化学）等。

量子论和相对论的建立是二十世纪物理学的两大革命性突破。量子力学的发现彻底改变了人类对微观世界的认识，揭示了原子、分子的内部运动规律，奠定了化学键和化学反应的理论基础，导致了固体电子论的建立。半导体晶体管的发明、集成电路的大规模应用、激光器的发明和广泛应用、计算机和信息技术的进步，从根本上改变了人类的生活方式。新技术渗透到社会、生活的每一个角落，大到国家的安全，小到日常生活，甚至儿童玩具。没有量子理论，没有基于量子理论的物理、化学和材料科学的革命性变革，这场技术革命是不可思议的。

尽管如此，量子理论的概念与我们日常生活习惯的、宏观世界形成的直观理解格格不入。按照量子力学，微观世界的粒子具有“波粒二重性”，就是又像粒子，又像波。微观粒子没有轨迹可言，速度和坐标不能同时确定，它们的“不确定程度”要满足所谓的“测不准关系”。“自旋”是量子特性，但粗略地可以把它设想成一个小磁矩，或一个小陀螺。经典的小磁矩有确定的指向，而一个量子自旋有可能指向任意方向，只有通过“测量”才能知道它在给定方向的“概率”，但“测量”却破坏了自旋本身的状态，它的“相干性”。在很多人看来，量子力学是人们为了克服上世纪初物理学面临的危机，在经典理论不能解释的实验现象“逼迫”下，发挥人脑的超乎寻常的想象力构造出来的，看来正确、很有用的理论，但秘不可测，是一种“自在之物”。然而，现代科学技术的发展改变了这种状况，我们现在借助各种“显微镜”可以直接观测这些微观粒子，确定它们的状态，使原子、电子、光量子等量子世界的对象变成可以“看得见”、“摸得着”，可以调控的“为我之物”。从这个意义上说，80年前提出的量子力学又进入了一个更新的发展阶段，它渗透到科学、技术，乃至日常生活的每一个角落，更深入地影响一切，也受到更严格的检验。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:25:17

精密测量

自然界基本规律的确立或推翻，最终靠的是精密测量。量子论建立的实验基础是原子光谱的精确测定，而相对论对“以太论”的“最后一击”来自迈克逊用光干涉仪对光传播速度的多普勒效应测量。2007年底要建成的，欧洲联合核子研究中心（CERN）欧洲大型粒子加速器LHC要检验粒子物理的“标准模型”（相当于粒子物理的“元素周期表”）是否正确，重要的目标之一是寻找所谓的“超对称”粒子。令人意想不到的是：精密的原子物理实验，通过测量微小的电偶极矩，也可检验“超对称”理论。根据通常的理论，包括“标准模型”，原子中正负电荷的重心重合，不会有电偶极矩；而按照“超对称”理论，正负电荷的重心不重合，沿自旋方向产生一个非常微小的电偶极矩。但是，要测出这么小的偶极矩，实验要求的精度是惊人的：如果把原子放大到地球那么大，需要测量的正负电荷相对位移不到千分之一纳米！为了测出如此微小的电偶极矩，要精确地测量磁共振的频移，准到1纳赫兹，也就是30年进动一周。

原子能级或频率的精密测量是另一个巨大的挑战。现在世界上最精确的铯原子钟放在美国科罗拉多州的国家标准局，它的精度达到亿亿分之一，也就是6千万年才差1秒。为了达到如此的精度，不仅要把原子冷却到极低的温度，还要用量子力学的原理把相当大数量的原子（如1000个）“纠缠”起来，变成“超原子”，减少“散粒噪声”。达到这样高的精度不是为了纯粹追求记录，而是具有重要的实际意义，涉及国家的安全和重大的技术应用。精密的时钟是发展全球定位系统(GPS)的关键技术，发展小型化的精密原子钟对GPS、精密磁强计、导航等技术至关重要。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:25:33

向绝对零度进军

物理学有一条定律，叫热力学第三定律，说明“绝对零度”（相当于摄氏负273.16度）是不可能达到的，但这不影响我们无限地接近它。这样低的温度下会发生一系列我们意想不到的奇妙现象。1924年印度科学家玻色和爱因斯坦预言了所谓的“玻色—爱因斯坦凝聚”现象。这个现象与量子力学的“粒子全同性原理”有关。由于微观粒子没有轨迹，不能“标记”，也就无法区分。微观粒子可分两类，自旋为半整数的叫费米子，每个状态只能由一个粒子占据；自旋为整数的叫玻色子，每个状态的粒子数不受限制。非常低的温度下，玻色子都向最低的能态聚集，量子的相干波长超过粒子间的平均距离，产生“玻色—爱因斯坦凝聚”现象。爱因斯坦本人并不太相信他们预言的这个现象真的能观察到，因为要求的温度太低了。朱隶文等人利用激光技术俘获、冷却原子气体（因此获得1997年诺贝尔物理奖）达到了极低的温度，为观察这一现象铺平了道路。1995年，在理论预言70年后，“玻色—爱因斯坦凝聚”这一令人惊异的奇妙现象终于被观察到了。当时达到的最低温度是50纳K，现在的记录是10纳K。

这里说的是几乎没有相互作用的稀薄气体。其实，在有相互作用的体系中，类似的现象早已被观察到。1938年前苏联的卡皮查发现了液态氦4在2.19K 以下的“超流”（即零阻尼）现象，实际上是一种有相互作用体系的“玻色—爱因斯坦凝聚”。1941年朗道提出了超流现象的理论。1911年昂纳斯发现的超导（零电阻）也是一种“玻色—爱因斯坦凝聚”，不同的是两个电子（费米子）由于吸引作用组成“库柏对”，从费米子变成玻色子，而这种玻色子的凝聚形成超导现象。与稀薄气体不同，这些库柏对构成的玻色子很大，远超过它们之间的平均距离，每个库柏对与很多其它的库柏对有交叉。这些特点导致了许多新的困难，直到1957年，即超导现象发现46年以后，才建立了比较完整的超导微观理论——BCS理论，再经过15年，到1972年才获得诺贝尔物理奖。得奖被推迟的重要原因是BCS理论突破了量子力学的传统框架，允许体系的粒子数不守恒，引入了“对称破缺”的重要观念。这一观念不易被人们接受，但对微观和宇观世界的认识产生了深刻的影响。1986年发现的高温超导现象又对凝聚态理论提出了新的挑战。看来，20世纪50年代以来建立的凝聚态理论的范式，包括元激发的概念、朗道的费米液体理论等都需要有重大的变革。

令人意想不到的是：冷原子的研究可能对阐明高温超导机制，探索凝聚态理论的新范式发挥重要的作用。利用激光束形成的驻波可以构造人工的光晶格，把冷原子束缚于其中，位阱的深度可以调节，可以用来研究超导－绝缘体转变和其它复杂的物理过程，为在“清洁”的、人工可控条件下研究凝聚态物理的基本问题提供了前所未有的机遇。对玻色子可以研究超流到绝缘体的转变，而对费米子可以利用磁场调节原子间的有效相互作用，研究从BCS态到“玻色—爱因斯坦凝聚”的转换过程。从潜在的应用角度看，被束缚的原子或离子可作频率标准，可存储量子信息，用这样的凝聚原子团簇可以实现“原子激光”，用的不是光，而是原子团簇。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:25:44

激光技术的新极限

激光技术的发展深刻地影响了整个人类社会，从光纤通讯到激光手术刀，从激光武器到日常生活中大量应用的光盘。未来的激光技术要向新的极限进军：超高频率、超高功率、超大能量密度、超短脉冲。首先是提高激光的频率，从可见光到紫外，再到X射线，各国正在加紧研制的“自由电子激光”就是要建立比现有同步辐射光源强数十亿倍的X波段的相干光源。激光功率可以达到千兆兆（1015）瓦，相当于全世界的发电总功率，它所产生的电场强度远超过原子内的电场强度，可以把分子、原子打成碎片。利用激光形成的超大的能量密度可以模拟早期宇宙的演化和恒星内部的物理过程，可以为可控核聚变过程“点火”。激光脉冲的宽度可以短到一个飞秒（10-15秒），甚至几十个阿秒（10-18秒）。用这样短的脉冲可以拍“分子电影”，甚至“原子电影”，直接观察分子和原子内部的电子过程，可以测量单个分子的动态瞬时结构，甚至控制化学反应的路径。

半导体集成电路的发展可用“摩尔定律”描述：每18个月，芯片上集成的晶体管数目大体翻一番，这是现代信息革命的一个最重要的推动力。过去，常有人“预言”，立足于硅工艺的大规模集成技术“快到头了”。事实上，硅工艺表现了异乎寻常的生命力，一次又一次地打破这些“预言”。现在，这样的发展真的快走到尽头了：一个是实际问题，散热不能解决，即使最大限度地发挥工程师的想象力，也想不出新的“绝招”；一个是原理问题，晶体管的尺寸太小（几十个纳米），电子的运动不能用经典理论描述，基于经典理论的电子学已不再适用，必须用量子力学，探索全新的器件原理。

针对第一个困难，要寻找新的信息载体：除了电荷外，可以运用电子的自旋，开发自旋电子学，还可以利用各种分子和纳米结构。更重要的是，除了半导体和通常的磁性材料外，还需要开发更广泛的其它材料，如金属氧化物等，探索它们的新奇特性。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:25:56

呈展(emergent)现象

著名的理论物理学家，诺贝尔奖获得者P.W. 安德逊 1972年曾在Science上发表了一篇文章，标题是: More is Different （多了就是不一样！）。他的基本观点是：由大量子系统组成的，高一个层次的复杂系统会呈现新的规律，“不能依据少数‘粒子’(指这些子系统)的性质作简单外推来解释由大量‘粒子’构成的复杂集聚体的行为。正好相反，在复杂性的每一个层次会呈现全新的性质，而为理解这些新行为所需要作的研究，就其基础性而言，与其他研究相比毫不逊色。”凝聚态就是这样的复杂系统，它的结构基元是原子核和电子，但它的运动基元却是各种“准粒子”或“元激发”，这些“元激发”表现出许多奇异的性质。由于相互作用和电荷、自旋、轨道等自由度的相互制约和竞争，凝聚态会呈展出一系列新奇的量子现象,如超导、铁磁、反铁磁、铁电、反铁电现象，电荷、自旋、轨道有序，整数和分数量子霍耳效应、庞磁阻、巨热电效应、巨磁光效应、庞电致电阻等。这些新奇量子体系的低能激发态也会具有许多奇特的性质，例如，分数量子霍耳效应态的元激发具有分数电荷，遵从分数统计。要能对复杂的凝聚态系统实现“量子调控”，就必须了解这些新奇量子态的本质、研究不同有序相的竞争和转变（量子相变）以及相应激发态的特性。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:26:06

举两个最近的例子说明这类“呈展现象”和它们可能的应用。

在钙钛矿结构的锰氧化合物中观察到所谓的“庞磁阻”效应，即磁有序相变附近，磁场中的电阻可差几十倍，这当然是一种有重要应用前景的磁存储材料，但加磁场有一定的技术困难。最近，发现了一种更有趣的现象，在掺镤的材料中，相变温度以上，用一个很小的驱动电压，就可以使系统在高电阻和低电阻两个状态间可逆地变化，称为“庞电致电阻”效应，它的应用价值不言而喻。由于可用电脉冲激活，它的响应时间比磁存储元件快得多。它的另一个重要的优点是与现有的硅工艺可以兼容。

第二个例子是所谓的“拓扑量子计算”。前面已经提到分数量子霍耳效应和相应元激发的分数电荷以及它们遵从的分数量子统计。一般说来，这些元激发是“阿贝尔”型的，可以互相交换。然而，最近的研究表明，分数量子霍耳效应的填充数为5/2 和12/5 时元激发是“非阿贝尔”的，不可对易。同时可以证明，运用这种系统进行量子计算非常稳定可靠，因为有拓扑性质保证。微软公司已经在圣巴巴拉成立了一个“Q”团队，专门研究这种拓扑量子计算的原理和方案，并大力支持若干单位有关分数量子霍耳效应的实验研究。

hx0999 · 发表于 2007-6-21 23:26:19

量子信息

量子理论和信息技术在20世纪创造了辉煌，导致了信息技术的革命。可以预期，这两者在21世纪的结合会产生一个全新的学科——量子信息科学，它可能导致一场更新、更深刻的革命。经典的信息用二进制的0、1来存储，信息本身与存储介质完全无关。例如，一个二进制数 101代表5。量子信息存储在量子态中，同样3个量子比特可以存储8个状态。以此类推，300个量子比特可存储的状态是2的300次方，相当于整个宇宙中的原子数，这就奠定了运用量子计算机进行海量并行运算的基础。早年爱因斯坦用“隐形传输”的徉谬来质疑量子力学的正确：按照量子力学，如果两个自旋处于“纠缠态”中，不管它们相距多远，对其中一个自旋进行“测量”，发现自旋向上，那另一个自旋就一定也是向上。按“常理”看，这是绝对不可能的，这是当年爱因斯坦质疑量子力学的一个重要论据。然而，光子的“隐形传输”现在已经观察到，并可以用来开发保密通讯，表明这位上一世纪最伟大的科学家在这件事情上没有说对。量子信息的载体有许多潜在的竞争对手：被束缚的冷原子、冷离子，或用量子点、约瑟夫逊结等实现的固体量子比特。究竟“鹿死谁手”，还要看未来技术的发展。由于测量对量子态的破坏，量子信息不能“克隆”，所以传统的“中继”站的办法行不通。一个可能的出路是把光子与相干原子耦合起来，通过对原子团簇的“纯化”来实现量子通讯的“中继”。

人类一定能够超越“摩尔时代”继续引领信息革命，但下一代的技术究竟在哪里突破，谁也不能准确预言。因此，在战略上必须有一个比较全面的布局，在有可能实现突破的方向，包括冷原子、冷离子、各类固态量子器件、光存储和光通讯、新奇量子现象和呈展材料的探索等，都不能放过。有些方面我们有较强的队伍和较好的积累，但在另一些方面我们与国际先进水平有很大距离。由于未来的技术还不确定，从一定的意义上说，大家还都在一个起跑线上。我们应该抓住当前这个机遇，从战略高度安排和组织研究队伍，经过艰苦的摸索、积累，逐步找到自主的创新之路，在这场关系全局的竞争中赢得一块有利的阵地，做出自己的贡献。

hx0999 · 发表于 2007-6-25 10:59:30

一般人理解起来还有有一定难度的

量子调控和相关研究的若干进展与展望

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