1、量子調控和相關研究的若干進展與展望物理學研究物質的基本結構和物質運動的普遍規律，它的研究前沿涉及物質的微觀結構、宇宙的結構和演化、凝聚態和生命物質，以及原子、電子、光量子等量子體系。原子、分子物理、光學和凝聚態物理是物理學中涉及面廣、影響深遠的領域。一方面，它們為微觀、宇觀世界的研究和化學、生命科學、環境科學等學科提供理論概念、方法和實驗手段；另一方面，它們為半導體、激光、超導、納米、信息、能源、材料等科學技術提供科學基礎。如何認識和調控電子、光子、原子、分子及凝聚態中的量子現象是將這些重要領域聯系起來，孕育和推動新一代技術革命的前沿課題。國家中長期科學和技術發展規劃綱要（20062020年）

2、已將“量子調控研究”列為基礎研究的四項重大研究計劃之一。美國科學院聯合會發布的原子、分子物理和光學委員會2010年的前瞻報告，標題就是“調控量子世界”。從1977年到2005年，與“量子調控”有關的諾貝爾物理和化學獎有16項，包括整數（1985）和分散（1998）量子霍耳效應、氦3超流的發現（1996）、高溫超導（1987）、超導和超流理論（2003）、激光俘獲和冷卻原子（1997）、玻色愛因斯坦凝聚（2001）、電子和掃描隧道顯微鏡（1986）、量子光學和激光光譜學（1981、1999化學、2005）、電子態計算（1998化學）等。量子論和相對論的建立是二十世紀物理學的兩大革命性突破。量子力

3、學的發現徹底改變了人類對微觀世界的認識，揭示了原子、分子的內部運動規律，奠定了化學鍵和化學反應的理論基礎，導致了固體電子論的建立。半導體晶體管的發明、集成電路的大規模應用、激光器的發明和廣泛應用、計算機和信息技術的進步，從根本上改變了人類的生活方式。新技術滲透到社會、生活的每一個角落，大到國家的安全，小到日常生活，甚至兒童玩具。沒有量子理論，沒有基于量子理論的物理、化學和材料科學的革命性變革，這場技術革命是不可思議的。盡管如此，量子理論的概念與我們日常生活習慣的、宏觀世界形成的直觀理解格格不入。按照量子力學，微觀世界的粒子具有“波粒二重性”，就是又像粒子，又像波。微觀粒子沒有軌跡可言，速度和坐

4、標不能同時確定，它們的“不確定程度”要滿足所謂的“測不準關系”?！白孕笔橇孔犹匦裕致缘乜梢园阉O想成一個小磁矩，或一個小陀螺。經典的小磁矩有確定的指向，而一個量子自旋有可能指向任意方向，只有通過“測量”才能知道它在給定方向的“概率”，但“測量”卻破壞了自旋本身的狀態，它的“相干性”。在很多人看來，量子力學是人們為了克服上世紀初物理學面臨的危機，在經典理論不能解釋的實驗現象“逼迫”下，發揮人腦的超乎尋常的想象力構造出來的，看來正確、很有用的理論，但秘不可測，是一種“自在之物”。然而，現代科學技術的發展改變了這種狀況，我們現在借助各種“顯微鏡”可以直接觀測這些微觀粒子，確定它們的狀態，使原子

5、、電子、光量子等量子世界的對象變成可以“看得見”、“摸得著”，可以調控的“為我之物”。從這個意義上說，80年前提出的量子力學又進入了一個更新的發展階段，它滲透到科學、技術，乃至日常生活的每一個角落，更深入地影響一切，也受到更嚴格的檢驗。精密測量自然界基本規律的確立或推翻，最終靠的是精密測量。量子論建立的實驗基礎是原子光譜的精確測定，而相對論對“以太論”的“最后一擊”來自邁克遜用光干涉儀對光傳播速度的多普勒效應測量。2007年底要建成的，歐洲聯合核子研究中心（CERN ）歐洲大型粒子加速器LHC 要檢驗粒子物理的“標準模型”（相當于粒子物理的“元素周期表”）是否正確，重要的目標之一是尋找所謂的“

6、超對稱”粒子。令人意想不到的是：精密的原子物理實驗，通過測量微小的電偶極矩，也可檢驗“超對稱”理論。根據通常的理論，包括“標準模型”，原子中正負電荷的重心重合，不會有電偶極矩；而按照“超對稱”理論，正負電荷的重心不重合，沿自旋方向產生一個非常微小的電偶極矩。但是，要測出這么小的偶極矩，實驗要求的精度是驚人的：如果把原子放大到地球那么大，需要測量的正負電荷相對位移不到千分之一納米！為了測出如此微小的電偶極矩，要精確地測量磁共振的頻移，準到1納赫茲，也就是30年進動一周。原子能級或頻率的精密測量是另一個巨大的挑戰。現在世界上最精確的銫原子鐘放在美國科羅拉多州的國家標準局，它的精度達到億億分之一，也

7、就是6千萬年才差1秒。為了達到如此的精度，不僅要把原子冷卻到極低的溫度，還要用量子力學的原理把相當大數量的原子（如1000個）“糾纏”起來，變成“超原子”，減少“散粒噪聲”。達到這樣高的精度不是為了純粹追求記錄，而是具有重要的實際意義，涉及國家的安全和重大的技術應用。精密的時鐘是發展全球定位系統(GPS的關鍵技術，發展小型化的精密原子鐘對GPS 、精密磁強計、導航等技術至關重要。向絕對零度進軍物理學有一條定律，叫熱力學第三定律，說明“絕對零度”（相當于攝氏負273.16度）是不可能達到的，但這不影響我們無限地接近它。這樣低的溫度下會發生一系列我們意想不到的奇妙現象。1924年印度科學家玻色和愛

8、因斯坦預言了所謂的“玻色愛因斯坦凝聚”現象。這個現象與量子力學的“粒子全同性原理”有關。由于微觀粒子沒有軌跡，不能“標記”，也就無法區分。微觀粒子可分兩類，自旋為半整數的叫費米子，每個狀態只能由一個粒子占據；自旋為整數的叫玻色子，每個狀態的粒子數不受限制。非常低的溫度下，玻色子都向最低的能態聚集，量子的相干波長超過粒子間的平均距離，產生“玻色愛因斯坦凝聚”現象。愛因斯坦本人并不太相信他們預言的這個現象真的能觀察到，因為要求的溫度太低了。朱隸文等人利用激光技術俘獲、冷卻原子氣體（因此獲得1997年諾貝爾物理獎）達到了極低的溫度，為觀察這一現象鋪平了道路。1995年，在理論預言70年后，“玻色愛因

9、斯坦凝聚”這一令人驚異的奇妙現象終于被觀察到了。當時達到的最低溫度是50納K ，現在的記錄是10納K 。這里說的是幾乎沒有相互作用的稀薄氣體。其實，在有相互作用的體系中，類似的現象早已被觀察到。1938年前蘇聯的卡皮查發現了液態氦4在2.19K 以下的“超流”（即零阻尼）現象，實際上是一種有相互作用體系的“玻色愛因斯坦凝聚”。1941年朗道提出了超流現象的理論。1911年昂納斯發現的超導（零電阻）也是一種“玻色愛因斯坦凝聚”，不同的是兩個電子（費米子）由于吸引作用組成“庫柏對”，從費米子變成玻色子，而這種玻色子的凝聚形成超導現象。與稀薄氣體不同，這些庫柏對構成的玻色子很大，遠超過它們之間的平均

10、距離，每個庫柏對與很多其它的庫柏對有交叉。這些特點導致了許多新的困難，直到1957年，即超導現象發現46年以后，才建立了比較完整的超導微觀理論BCS 理論，再經過15年，到1972年才獲得諾貝爾物理獎。得獎被推遲的重要原因是BCS 理論突破了量子力學的傳統框架，允許體系的粒子數不守恒，引入了“對稱破缺”的重要觀念。這一觀念不易被人們接受，但對微觀和宇觀世界的認識產生了深刻的影響。1986年發現的高溫超導現象又對凝聚態理論提出了新的挑戰。看來，20世紀50年代以來建立的凝聚態理論的范式，包括元激發的概念、朗道的費米液體理論等都需要有重大的變革。令人意想不到的是：冷原子的研究可能對闡明高溫超導機制

11、，探索凝聚態理論的新范式發揮重要的作用。利用激光束形成的駐波可以構造人工的光晶格，把冷原子束縛于其中，位阱的深度可以調節，可以用來研究超導絕緣體轉變和其它復雜的物理過程，為在“清潔”的、人工可控條件下研究凝聚態物理的基本問題提供了前所未有的機遇。對玻色子可以研究超流到絕緣體的轉變，而對費米子可以利用磁場調節原子間的有效相互作用，研究從BCS 態到“玻色愛因斯坦凝聚”的轉換過程。從潛在的應用角度看，被束縛的原子或離子可作頻率標準，可存儲量子信息，用這樣的凝聚原子團簇可以實現“原子激光”，用的不是光，而是原子團簇。激光技術的新極限激光技術的發展深刻地影響了整個人類社會，從光纖通訊到激光手術刀，從激

12、光武器到日常生活中大量應用的光盤。未來的激光技術要向新的極限進軍：超高頻率、超高功率、超大能量密度、超短脈沖。首先是提高激光的頻率，從可見光到紫外，再到X 射線，各國正在加緊研制的“自由電子激光”就是要建立比現有同步輻射光源強數十億倍的X 波段的相干光源。激光功率可以達到千兆兆（1015）瓦，相當于全世界的發電總功率，它所產生的電場強度遠超過原子內的電場強度，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擬早期宇宙的演化和恒星內部的物理過程，可以為可控核聚變過程“點火”。激光脈沖的寬度可以短到一個飛秒（10-15秒），甚至幾十個阿秒（10-18秒）。用這樣短的脈沖可以拍“分子電影

13、”，甚至“原子電影”，直接觀察分子和原子內部的電子過程，可以測量單個分子的動態瞬時結構，甚至控制化學反應的路徑。半導體集成電路的發展可用“摩爾定律”描述：每18個月，芯片上集成的晶體管數目大體翻一番，這是現代信息革命的一個最重要的推動力。過去，常有人“預言”，立足于硅工藝的大規模集成技術“快到頭了”。事實上，硅工藝表現了異乎尋常的生命力，一次又一次地打破這些“預言”?，F在，這樣的發展真的快走到盡頭了：一個是實際問題，散熱不能解決，即使最大限度地發揮工程師的想象力，也想不出新的“絕招”；一個是原理問題，晶體管的尺寸太?。◣资畟€納米），電子的運動不能用經典理論描述，基于經典理論的電子學已不再適用，

14、必須用量子力學，探索全新的器件原理。針對第一個困難，要尋找新的信息載體：除了電荷外，可以運用電子的自旋，開發自旋電子學，還可以利用各種分子和納米結構。更重要的是，除了半導體和通常的磁性材料外，還需要開發更廣泛的其它材料，如金屬氧化物等，探索它們的新奇特性。呈展(emergent現象著名的理論物理學家，諾貝爾獎獲得者P.W. 安德遜 1972年曾在Science 上發表了一篇文章，標題是: More is Different （多了就是不一樣?。Ｋ幕居^點是：由大量子系統組成的，高一個層次的復雜系統會呈現新的規律，“不能依據少數粒子(指這些子系統 的性質作簡單外推來解釋由大量粒子構成的復雜集

15、聚體的行為。正好相反，在復雜性的每一個層次會呈現全新的性質，而為理解這些新行為所需要作的研究，就其基礎性而言，與其他研究相比毫不遜色?！蹦蹜B就是這樣的復雜系統，它的結構基元是原子核和電子，但它的運動基元卻是各種“準粒子”或“元激發”，這些“元激發”表現出許多奇異的性質。由于相互作用和電荷、自旋、軌道等自由度的相互制約和競爭，凝聚態會呈展出一系列新奇的量子現象, 如超導、鐵磁、反鐵磁、鐵電、反鐵電現象，電荷、自旋、軌道有序，整數和分數量子霍耳效應、龐磁阻、巨熱電效應、巨磁光效應、龐電致電阻等。這些新奇量子體系的低能激發態也會具有許多奇特的性質，例如，分數量子霍耳效應態的元激發具有分數電荷，遵從

16、分數統計。要能對復雜的凝聚態系統實現“量子調控”，就必須了解這些新奇量子態的本質、研究不同有序相的競爭和轉變（量子相變）以及相應激發態的特性。舉兩個最近的例子說明這類“呈展現象”和它們可能的應用。在鈣鈦礦結構的錳氧化合物中觀察到所謂的“龐磁阻”效應，即磁有序相變附近，磁場中的電阻可差幾十倍，這當然是一種有重要應用前景的磁存儲材料，但加磁場有一定的技術困難。最近，發現了一種更有趣的現象，在摻鏷的材料中，相變溫度以上，用一個很小的驅動電壓，就可以使系統在高電阻和低電阻兩個狀態間可逆地變化，稱為“龐電致電阻”效應，它的應用價值不言而喻。由于可用電脈沖激活，它的響應時間比磁存儲元件快得多。它的另一個重

17、要的優點是與現有的硅工藝可以兼容。第二個例子是所謂的“拓撲量子計算”。前面已經提到分數量子霍耳效應和相應元激發的分數電荷以及它們遵從的分數量子統計。一般說來，這些元激發是“阿貝爾”型的，可以互相交換。然而，最近的研究表明，分數量子霍耳效應的填充數為5/2 和12/5 時元激發是“非阿貝爾”的，不可對易。同時可以證明，運用這種系統進行量子計算非常穩定可靠，因為有拓撲性質保證。微軟公司已經在圣巴巴拉成立了一個“Q”團隊，專門研究這種拓撲量子計算的原理和方案，并大力支持若干單位有關分數量子霍耳效應的實驗研究。量子信息量子理論和信息技術在20世紀創造了輝煌，導致了信息技術的革命?？梢灶A期，這兩者在21

18、世紀的結合會產生一個全新的學科量子信息科學，它可能導致一場更新、更深刻的革命。經典的信息用二進制的0、1來存儲，信息本身與存儲介質完全無關。例如，一個二進制數 101代表5。量子信息存儲在量子態中，同樣3個量子比特可以存儲8個狀態。以此類推，300個量子比特可存儲的狀態是2的300次方，相當于整個宇宙中的原子數，這就奠定了運用量子計算機進行海量并行運算的基礎。早年愛因斯坦用“隱形傳輸”的徉謬來質疑量子力學的正確：按照量子力學，如果兩個自旋處于“糾纏態”中，不管它們相距多遠，對其中一個自旋進行“測量”，發現自旋向上，那另一個自旋就一定也是向上。按“常理”看，這是絕對不可能的，這是當年愛因斯坦質疑量子力學的一個重要論據。然而，光子的“隱形傳輸”現在已經觀察到，并可以用來開發保密通訊，表明這位上一世紀最偉大的科學家在這件事情上沒有說對。量子信息的載體有許多潛在的競爭對手：被束縛的冷原子、冷離子，或用量子點、約瑟夫遜結等實現的固體量子比特。究竟“鹿死誰手”，還要看未來技術的發展。由于測量對量子態的破壞，量子信息不能“克隆”，所以傳統的“中繼”站的辦法行不通。一個可能的出路是把光子與相干原子耦合起來，通過對原子團簇的“純化”