如何设置”陷阱“捕捉这个宇宙中最小的粒子

在野外挖个陷阱，一些野生动物就可能陷在其中难以逃脱。这是一种常见的捕捉野生动物的方法。这种方法看似十分古老且简易，但它却可以用于尖端的量子物理学研究领域。2012年10月9日，来自法国和美国的两名“粒子猎手”一起获得了2012年诺贝尔物理学奖。他们采用的就是设置陷阱的方法来捕捉粒子，只不过要设置这样一个高科技陷阱，可比在野外挖坑难多了。

科学家最早发现的粒子是电子和质子，此后于1932年又发现中子，确认原子由电子、质子和中子组成。之后这类被发现的粒子越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势。后来，科学家还发现，微观世界的粒子所遵循的物理规律和宏观世界有所差异。宏观世界的能量是连续的，而微观世界的能量是按照最小的单元跳跃式增长的。这种能量的最小单元称为量子。在此基础上建立起来的物理学称为量子物理学，原子、电子、光子等粒子的活动则遵循量子物理学的相关定律。

有意思的是，量子物理学虽然表述的是微观粒子的活动规律，但它却是在宏观观测的基础上建立起来的。也就是说，物理学家观测一片粒子的宏观活动，然后推测出这些粒子的微观量子特征。我们知道，在传统物理学领域，我们要了解某个物体的特征，可以直接观测单个的物体。比如，我们要总结滚动摩擦的特性，可以用一辆带轮子的小车来做实验。那么，为什么量子物理学家不直接观测单个粒子呢？这是因为单个粒子实在太小且太活泼了，想找到单个的粒子就很不容易了；即使找到了它们，它们也不会按照某种规律停留在某个地方或某个轨迹上。

于是，科学家自然而然就想到设置个陷阱去困住这些粒子。这个思路听起来很简单，似乎常人都能想到。但是，设置这个陷阱却是个高难度的事情，一度被科学界认为是不可能的事情。法国物理学家赛日尔·阿罗什却率先完成了这个看似不可能的任务。

从1990年开始，他就在努力。最终，他在接近绝对零度（零下273℃）的温度条件下，用两个高性能超导体充当的反光镜组成了一个光学陷阱。这种陷阱的科学术语为高反射光学微腔，或光子阱。接下来，阿罗什成功地把一些光子引入到光子阱中。这些光子被困在反光镜陷阱中的时间仅仅为0.1秒。这个时间对我们普通人来说实在太短了，也不过一眨眼的时间。但是，对于量子物理学家来说，这个时间已经足够长了。

这期间，光子不断反弹的总移动距离高达3万千米，足以做很多测量和操控动作。阿罗什就是抓住了这个转瞬即逝的机会，将一个极为活跃的“里德博原子”送入“陷阱”中作为探针。这个原子在捕获光子后，会将单个光子的量子信息呈现出来，就如同X光描绘出人体的内部构造一样。

虽然阿罗什早在20年前就设置出光子阱，但是他一直坚持从事这个领域的研究，并不断获得新的突破。

2011年，阿罗什在光子阱实验中引入反馈机制。当发现光子阱中的光子数变少时，他就注入新光子，令光子阱中保持固定数目的光子。采用这样的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，这超越了爱因斯坦希望光子困住几秒的设想。

在阿罗什的实验中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探针。而美国科学家戴维·瓦恩兰设计的实验却正好与之相反，他把离子（即带电的原子）囚禁起来，用光子作为探针去探测和操控它。阿罗什用光学陷阱来囚禁光子，瓦恩兰则用电磁场作为陷阱囚禁离子，这个陷阱的科学术语因此称为离子阱。为了确保被囚禁的是单个离子，需要这个实验在超高真空和超低温的条件下进行，要实现这些条件又是十分高难度的事情。最终，瓦恩兰完成了对单个个离子的囚禁，测得了单离子的量子信息。

目前，许多研究人员都能在实验室中实现对单个粒子的囚禁，并在单粒子量子系统研究中取得成果。但是，阿罗什和瓦恩兰是这个领域的开拓者，因此2012年的诺贝尔物理学奖颁发给了他们。目前，离子阱和光子阱已被广泛应用于科学和技术研究的各个领域。尤其是近几十年来，人们以离子阱为工具，把激光冷却技术应用于离子阱，为精密测量、制造新材料、观察新现象、获得新知识，提供了广泛的实验基础。

离子阱的研究还可以用来建造超高精度的原子钟。在这种新型的原子钟里，科学家用囚禁起来的离子取代了传统原子钟所采用的铯原子。目前，这种新型时钟已经达到了比传统铯原子钟高两个数量级的精度。在那样的精度下，哪怕从宇宙大爆炸之初开始计时，迄今的累计误差也只有区区几秒。

和实现精密的测量、制造更精确的原子钟相比，

诺贝尔评奖委员会认可阿罗什和瓦恩兰的原因，是他们开启了量子计算机时代的大门。由于量子计算机在理论上要比现有的计算机快上成千上万倍，人们十分期盼它能尽快变为现实。量子计算机研究面临的难题之一就是如何操控单粒子的量子状态，而两位科学家的研究让量子计算机的理论基础变得扎实起来。目前，科学家最乐观的预测是10年后将出现量子计算机。虽然量子计算机离实用还比较遥远，但是那一天一旦来到，新的技术革命也将随之出现。