Research Into Ghostly Particles Wins Nobel
兩名物理學家憑控制量子粒子獲諾貝爾物理學獎
Serge Haroche of France and David J. Wineland of the U.S. shared the Nobel Prize in Physics for devising ingenious laboratory experiments to control ghostly quantum particles, an achievement that transformed an esoteric theory into a possible tool for practical use.
因設計出控制幽靈般量子粒子的精妙實驗室方法，法國物理學家塞爾日•阿赫許(Serge Haroche)和美國物理學家戴維•瓦恩蘭(David J. Wineland)共同獲得今年的諾貝爾物理學獎。他們的成就把一門只有內行才懂得的理論變成了一個可能具有實用價值的工具。
The ability to manipulate microscopic quantum particles - atoms, electrons and smaller elementary objects - lays the groundwork for extremely precise clocks, hard-to-crack cryptography systems and, most notably, quantum computers whose number-crunching prowess would potentially leave today's machines in the dust.
能夠操縱極小的量子粒子（原子、電子和更小的基本粒子），就為一系列東西奠定了基礎，如走時極其精準的時鐘、難以破解的密碼系統還有運算能力讓今日電腦望塵莫及的量子計算機──這是最引人關注的。
Working independently, Drs. Haroche and Wineland 'were able to demonstrate amazing control of photons and atoms, and getting them to interact on demand,' said Artur Ekert, theoretical physicist at the University of Oxford and the Center for Quantum Technology in Singapore, who knows both winners of the Nobels announced Tuesday.
牛津大學(University of Oxford)、新加坡量子技術中心(Center for Quantum Technologies)的理論物理學家埃克特(Artur Ekert)說，在各自的研究中，阿赫許和溫蘭德展示出對光子和原子“令人驚嘆的控制”，並讓它們“按要求交互作用”。埃克特與週二獲獎的兩位物理學家都相識。
Dr. Haroche, born in 1944, is a professor at the College de France and École Normale Suprieure in Paris. Dr. Wineland, also born in 1944, is a physicist at the U.S. Department of Commerce's National Institute of Standards and Technology and the University of Colorado in Boulder.
出生於1944年的阿赫許是法蘭西學院(College de France)和巴黎高等師範學校(Ecole Normale Superieure in Paris)的教授。同樣出生於1944年的瓦恩蘭任職於美國商務部國家標準與技術研究院(National Institute of Standards and Technology)和科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado in Boulder)。
Quantum particles are hard to isolate and control because they are elusive and bizarre. Their behavior is often ruled by statistical probabilities rather than simple cause-and-effect.
量子粒子撲朔迷離，很難隔離和控制，其行為通常只能用統計概率來描述，而無法用簡單的因果關係來確定。
Such particles, separated by miles, can appear to influence each other's behavior without any direct contact. A quantum particle may also exist in several energy states simultaneously, a condition known as superposition, which is a bit like being in two places at the same time.
相隔數公里之遙的量子粒子能夠在沒有任何直接接觸的情況下影響彼此的行為。同一個量子粒子還有可能同時以多種能量狀態存在。這種現象叫“疊加”，有點像一個物體同時在兩個地方存在。
And maddeningly, at least for scientists, is that it is extremely hard to separate a quantum particle from its surrounding environment. As soon as the particle interacts with the outside world, it loses its quantum properties.
令人抓狂的是──至少對於科學家而言是如此──量子粒子極難與周圍環境隔離。粒子一旦同外界環境發生交互，它就失去了量子屬性。
No wonder, then, that in this tenuous world of spooky behavior, isolating and manipulating quantum particles had long posed a significant challenge.
於是不難解釋，在這個充滿怪異行為的不穩定世界，為什麼分離、操縱量子粒子很久以來一直是科學界面臨的一個重大挑戰。
Dr. Haroche found a way to control photons - quantum particles of light - using mirrors. In his Paris lab, photons bounced back and forth between two supercooled, superconducting mirrors for a 10th of a second. 'That's an insanely long time if you consider how fast light moves' - more than 186,000 miles per second - said Simon Benjamin, a quantum theorist at the University of Oxford.
阿赫許找到一種用鏡子控制光子（光的量子粒子）的辦法。在他的巴黎實驗室，光子在兩面超冷、超導的鏡子中間來回碰撞了1/10秒的時間。牛津大學量子物理學家本傑明(Simon Benjamin)說，如果考慮到光的速度是每秒30萬公里的話，這段時間可謂長得不可思議。
Dr. Haroche then fired an atom at a bouncing photon. When the two particles interacted, it revealed the presence of the photon. With the help of some delicate tweaking, several elusive photons could be isolated and controlled.
阿赫許然後朝著一粒碰撞中的光子發射了一粒原子。兩個粒子發生交互作用的時候，光子的存在就被揭示出來。通過一些精密調整，多個神出鬼沒的光子得以被分離、控制。
Crucially, because the photons weren't absorbed by the atom, they weren't destroyed. And as long as they survived, they could be manipulated.
至關重要的是，光子沒有被原子吸收，所以它們沒有毀滅。只要沒有毀滅，它們就可以被操縱。
Dr. Wineland takes another approach. At his lab in Boulder, he traps ions - electrically charged atoms - by surrounding them with electric fields. The experiment is done in an extremely low-temperature vacuum. With the help of a laser, the ion is prodded into a superposition state - two or more energy states at one time - which can then be measured and manipulated.
瓦恩蘭採用了另一種方法。在博爾德的實驗室，他用電場圍堵離子（帶電的原子），將其捕捉。這個實驗是在溫度極低的真空中完成的。在一台雷射光機的幫助下，離子進入疊加態（即同一時間存在兩個或多個能量狀態），從而可以被測量和操縱。
物理學家捉住粒子 催生新超級電腦
本屆諾貝爾物理獎，由
（斯德哥爾摩2012年10月10日訊）今年諾貝爾物理學獎兩位得主阿赫許和瓦恩蘭，成功捕捉到個別粒子來測量和操控，為研發運算速度更快、資料儲存更多的量子電腦打開大門，新超級電腦本世紀內可能成真。
諾貝爾獎評審團週二宣佈兩人獲獎時稱：「兩人的突破性方法，令這這研究領域建造以量子物理學為基礎的超級快速新型電腦，邁出了最早的步伐」。
「量子電腦也許在本世紀建成，到時將徹底改變我們的日常生活。」
一個世紀前，物理學進入最微觀的粒子世界，這些粒子包括原子、光子和離子，物理學家將粒子的最小單位稱為量子。
物理學泰斗愛因斯坦提出的光子概念，就是光的最小單位，即光的量子，量子物理學於焉誕生。
但科學家難以將個別粒子孤立，又不破壞粒子的量子特質，他們只能憑空猜想粒子的活動。愛因斯坦就曾夢想將一粒光子困在一個盒子觀察，即使幾秒也好。
而68歲的阿赫許在1990年代開始，用兩片反光能力冠絕世界的超導鈮鏡拼合，令光子在兩面鏡中間不斷反彈被困，超過0.1秒後才消失或被吸收。
雖然只有區區0.1秒，光子在這段時間不斷反彈的總移動距離，高達4萬公里，足以做很多測量和操控動作。
增大資料儲存空間
阿赫許成功捕捉光子後，去年更成功加入反饋機制，當發現少了光子時就注入新光子，令超導鈮鏡穴口內恆常保持固定數目的光子，遠超出愛因斯坦把光子困住幾秒的想像。
同為68歲的瓦恩蘭，則在1980、1990年代用電極將個別離子困住，在超低溫和真空環境進行實驗，把離子隔絕於環境溫度和輻射之外，然後用激光操控被困離子的能量量子狀態觀察。
瓦恩蘭的離子陷阱，更可操控離子作運算，他的研究團隊是世界最早示範了量子電腦在理論上可行。
量子電腦有別於傳統電腦。現時電腦用的是二元碼，以0或1的位元資料儲存；量子電腦運算用來存儲數據的物件是量子位元（qubit）。在量子疊加狀態下，量子位元可能是0或1，或既是0又是1，增大資料儲存空間，運作速度也超快。目前最快的超級電腦運算500個位的整數需10億年，但量子電腦只需一分鐘。
近年科學界也提出利用量子力學中的量子糾纏性質，實現資料高密度加密的傳送理論，美軍科研部門年前研發出一種量子無線連接技術，通訊質量和保密程度，足可媲美光纖傳輸。
科學家睡夢中獲悉得獎
諾貝爾獎公佈的時間，像大多數美國人一樣，美國物理學家溫蘭德正在睡夢中。
與法國物理學家阿赫許共享物理學獎的瓦恩蘭，是美國國家標準與技術局物理實驗室的物理學家，在1973年和他的研究團隊首度成功分離出單一電子，之後發展出用雷射光冷卻離子到接近絕對零度的方法。
瓦恩蘭在1978年首度展示他的研究成果，目的是在實驗室檢驗量子理論使量子運算領域取得重要進展。但他週二接受媒體訪問時說，目前距離量子電腦還有「很長、很長的路」。
「我們許多人認為它終將出現。」他說：「主要是如何愈來愈好地控制這些系統。」這段訪談錄音已上載至諾貝爾網站。
瓦恩蘭說，當他太太凌晨3時30分在丹佛接到電話時，他正在睡覺。雖然自己的姓名之前被提過，但對得獎還是非常驚訝。
但瓦恩蘭強調，很多人在這個領域工作，「只聚焦在兩個人身上，有點讓人不好意思」。
對於打算怎樣慰勞自己，他說：「到晚上我可能已經累壞了。我大概會喝杯酒，然後上床睡覺。」
溫蘭德1944年生於美國威斯康辛州，1970年獲得哈佛大學博士學位。其研究工作屢獲表揚，包括在2007年獲得美國國家科學獎章、2010年獲富蘭克林獎章。他目前是科羅拉多大學講師。
師生同獲物理獎
今年的諾貝爾物理學獎法國得主阿赫許，是1997年諾貝爾物理獎得主科昂唐努德日的學生，師生分獲諾貝爾獎，在科研界傳為美談。
科昂唐努德日的研究範疇包括激光領域中的原子放射動力和激光冷卻和抑制等，對物理學的發展有深遠影響。
科昂唐努德日在1997年得到諾貝爾物理獎；15年後，學生阿赫許也摘下這個物理界最高榮譽的桂冠。
1960年代，阿赫許是第一批到科昂唐努德日的實驗室做博士論文的學生之一，看到阿赫許日後傑出的表現，科昂唐努德日表示，非常高興阿赫許得獎。他讚賞阿赫許研究工作上簡潔明瞭的論證、清楚的表達、深度分析以及他對研究的熱情。
和阿赫許一樣，本屆另一名獲獎者、美國物理學家溫蘭德的恩師拉姆齊，也曾在1989年奪得諾貝爾物理學獎。溫蘭德後來在華盛頓大學做研究，並當拉姆齊的諾獎共同得主德梅爾特的研究助理。
量子世界充斥不確定性
「薛丁格的貓」是奧地利物理學家薛丁格在1935年提出一個思想實驗，常被用以解釋量子世界為何無法用傳統手法觀測，亦即所謂「不確定性」。
根據薛丁格的思想實驗，將一隻小貓置於密封箱子內，箱內裝設的有毒氣體容器，在未來一小時內有50%機會啟動，放出毒氣殺死小貓。換言之，小貓生存和死亡的機會參半。
薛丁格指出，根據量子力學推論，在未經觀察的情況下，小貓一小時後會同時處於「又生又死」的重疊狀態，稱為「態疊加」（Superposition）。但若打開箱子用肉眼觀測，小貓只剩下「生」和「死」兩種可能。
這個思想實驗的意義，在於帶出量子世界的奇妙特性源於其「不確定性」，一旦外來者觀測固定粒子的狀態，「不穩定性」會消失，令粒子失去量子特性。
成功大學物理學系副教授陳泳帆指出，現在的電子元件愈做愈小，未來電腦零件可能縮小到只有原子、分子般大小；在這種尺寸下，粒子的運作方式遵守量子力學，兩人的研究，未來可能變成比目前的超級電腦還強大的「量子電腦」。
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