專訪諾獎得主威廉·菲利普斯

威廉·菲利普斯(William Phillips)，諾貝爾獎獲得者，來自位於美國馬里蘭州蓋瑟斯堡（Gaithersburg, MD, USA）的美國國家標準與技術研究院

撰稿 | 菲利普·鮑爾(Philp Ball)

翻譯 | 張珊

校譯 | 張文卓、陳曉雪

審閱 | 葉軍

因在激光冷卻和囚禁原子方面所做出的突出貢獻，來自美國國家標準與技術研究院（簡稱NIST）的威廉·菲利普斯（William Phillips）分享了1997年的諾貝爾物理學獎。

光場與原子之間的相互作用形成的所謂的「光學粘膠」可以使原子減速，從而使原子溫度降低至接近絕對零度。利用這類技術可以在極高的精確度下對原子進行研究，比如可以準確測量光吸收的諧振頻率，有了精確的頻率就可以為原子鐘提供非常穩定的計時標準。這些冷卻方法除了在計量科學上的應用之外，也常用於基礎物理的研究探索。

1997年諾貝爾物理學獎的頒布被廣泛認為是對1995年第一次觀測到純玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensation，簡稱BEC）的一個有效回應。玻色-愛因斯坦凝聚態下，玻色子全部佔據單一量子態，這種量子力學效應只有在非常低的溫度下才有可能出現，而科羅拉多大學和NIST聯合建立的JILA實驗室成功實現了這一實驗，其中利用的就是菲利普斯等人發明的技術。此後，冷原子物理的分支向多個方向擴張，其中包括通過囚禁超冷原子和離子的方法嘗試製造量子計算機（基於量子規則運用邏輯運算）。

基於以上背景，《國家科學評論》（National Science Review，簡稱NSR）與菲利普斯就冷原子物理的發展和未來潛力這一問題進行了交流。

以下為本次訪談的主要內容：

國家科學評論：您曾說過，近年來冷原子物理已經在諸多方向有所發展，我們很難去時刻都跟蹤它的所有發展軌跡。那麼在您看來，最重要的方向是什麼？

菲利普斯：冷原子物理和凝聚態物理的交叉已經帶來一個富有成果的方向。例如，原子可以被放到光晶格中（通過相交激光束干涉製造的周期性排列的微觀勢阱），這樣它們的運動就和晶格中的電子運動類似。相比於電子，這些被陷俘的原子為研究創造了不同的機會。原子可以是費米子也可以是玻色子（它們的自旋分別為半整數自旋和整數），而電子只是費米子。對於原子而言，很容易測量它的動量分布和原子運動間的關聯，而對於電子，測量它們的整體輸運性質則很容易。電子具有兩種自旋態，而原子的自旋態可以是一種、兩種或者更多種。原子可以被用來類比電子電路的電路系統，即新興的原子電子學（atomtronics）。

另一個令人滿意的方向則是原子鐘的發展。激光冷卻技術的初衷是製造更好的時鐘，冷原子鐘也確實是其一直以來最大的成功之一。最初，冷原子鐘由被陷俘的離子或者是中性原子噴泉（原子被向上噴出，然後在重力場作用下下落，為探測提供了相對較長的時間）組成，這類時鐘優於以前的任何時鐘。如今，最好的時鐘是被儲存在光晶格中的冷原子，系統不確定度只有2X10-18，即相當於現在整個宇宙壽命中的一秒。

國家科學評論：您進入這一物理領域的最初動力是什麼？是什麼想法或人激勵您一直從事這項研究的？

菲利普斯：1978年當我在麻省理工做博士後的時候，我第一次了解到了激光冷卻原子的可能性。大衛·維因蘭德（David Wineland）（2012年獲得諾貝爾物理學獎）首次實驗演示了可以通過激光來冷卻囚禁的離子，隨後貝爾實驗室（Bell Labs）的阿斯金（Art Ashkin）提出了一個減速和囚禁鈉原子的方案，這些前人的研究成果激勵了我。當時，我的實驗室里恰好有鈉離子束，於是我就開始了冷卻和囚禁原子研究的漫漫旅途。起初我只是覺得做這樣的事情很酷，但是當1978年秋天我來到NIST後，另一個動力出現了，我想使用冷原子做更精確的測量，具體說就是做更好的時鐘。計量學上的這些實際目標強烈激勵著我做出了最初的工作。

國家科學評論：顯然，通過冷原子系統可以進行大量新物理的探索。您認為最有趣的基礎性的問題是什麼？在冷原子系統中，是否還存在知之甚少的其他性質？

菲利普斯：多體物理學（many-body physics）是現代物理學的一個重要前沿領域。當原子間的相互作用不能用像平均場（平均整個系統所有的相互作用）這種簡單概念進行解釋的時候，計算這類系統的行為也變得不可行。冷原子代表了一種新的多體系統，提供了新的測量和控制的機會，而且我們也希望它可以幫助我們理解一些像高溫超導體的起源這一類還未解答的奧秘。

另一個有趣的基礎性領域是對自然界基本對稱的探索。在尋找電子、原子核等永久電偶極矩存在可能性的問題上，冷原子提供了一個很好的研究平台。如果永久電偶極矩的尺寸大到可以在未來的幾年或者幾十年的實驗中觀察到，我們可以期待發現存在超出粒子物理標準模型的新物理學。

國家科學評論：我們知道構建量子計算機有多種不同方法，而利用囚禁的冷原子作為量子比特只是其中的一種方法。相比於其他方法，您感覺對於實用量子計算機，光晶格囚禁冷原子的真正前景在哪裡？

菲利普斯：答案很簡單：無人知曉。我認為，我們還處在量子計算機發展的最早期階段，無法去預期一個成功的量子計算機是什麼樣子。離子阱雖然是目前為止最先進的系統，但是距離做成實用器件還有很長一段距離。不同的量子比特平台具有不同的優勢和劣勢。原子和離子系統通常具有很長的相干時間（在這段時間內，它們可以保持在一個相干的、互相依賴的量子態中）。而固體系統通常較快，可以通過半導體工業熟悉的技術來製造。為了做一些類似分解大數因子（量子計算機的殺手級應用）的工作，所有這些平台都需要在現有的幾個量子比特系統基礎上做到大規模的擴容。對此無論採用哪種量子比特都會很困難。中性原子系統可能稍具優勢，因為光晶格在毫米級的微小空間里幾乎可以容納數以百萬計的原子。但是中性原子系統也具有重大挑戰。所以整體來看，將不同種類量子比特的優勢都利用起來，做一個各種量子平台的綜合體可能會是製造量子計算機的最終脫穎而出的方法。

國家科學評論：您認為玻色-愛因斯坦凝聚的首次實驗演示對冷原子研究產生了怎樣的影響？

菲利普斯：當時，這個領域的人們都認為玻色-愛因斯坦凝聚是原子物理學中的「聖杯」。對於愛好者而言，玻色-愛因斯坦凝聚的證明儘管是一個艱巨的任務，但還是值得為之付出努力的。然而並不是每個人都這樣想。有些人認為玻色-愛因斯坦凝聚是一個遙不可及的目標，也有些人則質疑到底會有什麼用。

在玻色-愛因斯坦凝聚實現之後，那些消極觀點很快就消失了。很明顯的是，在測量和控制方面，原子氣玻色-愛因斯坦凝聚與其他的一些超級系統有很大不同。玻色-愛因斯坦凝聚使得很多新類型的實驗具有實現的可能性，而這些新實驗在其他系統中尚未完成，或是不可能完成的。其中包括創造原子激光（原子激光即從玻色-愛因斯坦凝聚中提取相干的原子束），不同玻色-愛因斯坦凝聚體之間的干涉，通過非線性四波混頻產生新型相干原子，等等。

國家科學評論：計量學方面的應用呢？是否有一些驚奇的發現？

菲利普斯：在計量學上，冷原子提高了時間和頻率的計量，主要有兩點：一是降低了與速度相關的頻移（多普勒頻移和相對時間展寬），二是由於減速（或被囚禁）的原子可以被長時間觀測，提高了時鐘的性能。

其中一個特別令人滿意的發展就是光學囚禁原子在頻率計量方面的發展。人們通常認為用光來囚禁中性原子在頻率計量方面效果並不理想，因為原子鐘工作原理主要是測量躍遷頻率，這個頻率對應了原子中兩個量子態（即所說的時鐘態）的能量差，而囚禁原子的光場通常會改變這兩個量子態的能量，帶來頻移和頻率展寬（與此相反，囚禁的離子就基本不會造成頻率紅移，因為囚禁離子的電勢是與凈電荷有關的，而所有量子態的凈電荷都是一樣的。）但是，實驗發現，在激光陷俘原子過程中可以找到一個「魔幻波長」（magic wavelength），這個波長不會帶來對躍遷頻率的頻移，從而為囚禁的原子提供很長的觀測時間。

冷原子在計量學的另一個重要應用是對慣性和重力敏感的原子干涉儀，這是實際應用的一大領域。

國家科學評論： 既然激光冷卻對原子鐘和時間標準方面具有如此大的影響，那現在我們是否已經找到了我們需要的時間標準？新的時間標準在未來是否有可能得到進一步改進和提高？

菲利普斯：這裡存在兩個問題：首先，我們是否需要更好的時間標準？其次，我們能否做出更好的時間和頻率標準？答案無疑都是肯定的。對更好時間標準的需求一直以來是一個科學研究目標需求。如今，包括像自然的基本常數是否恆定這類科學問題都在激勵人們尋找更好的時間標準。例如，通過測量很長一段時間中（幾年）不同原子頻率標準的頻率比值，我們可以確定精細結構常數（決定光與物質間相互作用的強度）是否隨時間改變。頻率標準越好，得到的測量結果越精確。

事實上，目前最好的頻率標準具有的系統誤差大約在10-18，非常令人震驚。我第一次開始研究激光冷卻時，最好的誤差標準還是10-13的量級。我記得當時大衛·維因蘭德猜測在不確定的將來10-18量級會成為可能。如今，得益於激光冷卻和光頻測量（John Hall和Theodor Hansch因此獲得了2005年諾貝爾獎），我們取得了這樣的好成果，並且還會持續改進。至於原子（或者可能是原子核）頻率標準會達到多好，目前看沒有根本限制。

國家科學評論：這一領域的發展是否在不同程度上得益於實用技術的發展，像微細加工、激光光學這類？現代技術的發展讓我們能夠開始探索一些多年前被提出來的科學問題，這樣說是否公正？

菲利普斯：技術的進步，尤其是激光器和光學方面取得的重大進展，對這一領域的發展一直以來都非常重要。我第一次激光冷卻實驗使用的是鈉原子，因為我們當時只有適合鈉原子的激光。如今，激光技術的發展使得元素周期表中很多元素都可以用來激光冷卻。此外，非線性光學的進步使得倍頻、和頻得以發展，我們可以在電磁波譜很大的範圍內提供相干光源。光學技術的進步還刺激了頻率梳技術（frequency-comb techniques）的發展，這一技術也導致高精度的光頻測量的出現。

另外，製造業的進步肯定也會影響一系列激光技術的發展，這也為以晶元為基礎的囚禁冷原子、離子，以及緊湊型冷原子實驗的集成器件等這類研究開闢了新的道路。

這些進步讓幾十年前的夢想甚至連做夢都不敢想像的驚人實驗成為可能。單量子對象的研究和操縱就是一個引人注目的例子，2012年的諾貝爾獎也授予了進行這項研究的大衛·維因蘭德和塞爾日·阿羅什(Serge Haroche）。量子力學的開創者們認為這樣的想法只能存在於假想實驗，有些人甚至嘲笑這些想法從原理上都講不通。今天，單量子的操縱已經成為量子信息科學（21世紀量子技術與信息技術的結合）的核心。

國家科學評論：這個領域中，您最想解決哪一方面的問題？是技術問題還是理論問題？您認為這些問題可能會在什麼時候得以解決？

菲利普斯：實際上現在還有很多重大問題有待解決。一個重要的里程碑將會是利用量子模擬來解決非常有趣的量子多體（quantum many-body）問題，而這個問題是經典的數值計算方法至今無法解決的。其中一個例子就是費米子哈伯德（Fermi-Hubbard）模型，一些人認為這是高溫超導體的關鍵所在。這個模型需要克服的其中一個重要困難是要在足夠低的溫度下獲得原子的費米氣體，如此才能觀測到基態的性質。

對於與量子模擬相關的量子計算，超冷離子和原子是具有相當大發展前景的平台。製造出具有足夠能力的通用量子計算機，並解決有趣的問題還有很長的路要走，但是近期可實現的一個目標就是做一個「永生的量子比特」（immortal qubit），也就是說利用多個物理量子比特創建一個邏輯量子比特，然後通過重複的糾錯來保持這個未知的邏輯量子比特態。這將是製造出一個合格的量子計算機的重要里程碑。

為匯總冷原子領域研究的最新動態，《國家科學評論》2016年第2期出版了冷原子專題，由葉軍教授擔任特邀編輯，受邀作者包括Ana Maria Rey、盧征天、Cheng Chin、Stefan Kuhr、Matthias Weidemüller等專家學者，並對諾獎得主William Phillips教授進行了訪談。

原文標題「How cold atoms got hot: an interview with William Phillips」，2015年11月9日首次在線發表於《國家科學評論》（National Science Review, NSR）。NSR是科學出版社旗下期刊，與牛津大學出版社聯合出版。《知識分子》獲授權刊發該文中文翻譯。

專題鏈接：http://nsr.oxfordjournals.org/content/3/2.toc

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