互动科普

在一项精巧的“量子非破坏”实验中，物理学家们看到一颗单个的光子，而后又再次看到它。

海森堡测不准原理所支配的微观量子世界看起来有点像Herac1itus的河流，但比后者还要易变，因为你哪怕是看它一眼都会使它发生变化。如果你试图第二次观察同一个量子粒子，那么你多半会发现你的第一次测量已经把它撞到不知什么地方去了。单个的光子(即光的量子粒子)看来正是这样一个极端的例子：用标准的方法来探测一颗光子将会使它在被视网膜、照相底片或光电倍增管吸收时遭到完全破坏。

但是，巴黎高等师范学校的Serge Haroche，Jean—Michel Raimond，Michel Brune及其合作者们现在表演了一项实验绝技：把单个光子捕获在一个箱里，用一种特殊的方法探测这个光子以使其仍然留在箱中，然后再次探测此光子。这个结果是对单个粒子的所谓“量子非破坏”(QND)测量的首次演示。

QND测量的设想是由希望探测引力波的物理学家在七十年代提出来的(引力波将使巨大的铝柱产生微小的振动)。传统的方案将会使信号被测量本身产生的量子噪声所抹掉海森堡测不准原理是不可能被推翻的，但是QND的奥妙在于确保不可避免的扰动不会影响被观察的某个量。

在量子光学领域，QND自八十年代中期以来一直在不断发展并日趋成熟。已经对激光束进行过QND测量，通常是用第二个探测光束来观察第一个光束的量子性质，但并不干扰这些性质。这样的激光束含有数百万个光子。如果想要探测的目标只是一个光子，那么可以用什么东西来作为探针呢？对于这个问题，Haroche的答案是用一个经过仔细准备的铷原子。

在巴黎师范学校进行的实验中，大部分活动是在两块相距约2.7厘米(1.1英寸)的盘状铌反射镜所形成的密闭区域中发生的。反射镜被冷却到接近绝对零度，而波长为6毫米的微波光子就在两块反射镜之问来回反射。

每个充当探针的铷原子都被激发到里德伯状态。在这种状态下，原子的最外层电子在远离原子其余部分的轨道上运行。研究人员选择了一个特定的里德伯状态，使得原子在穿过有一个光子的空腔时，原子和光子形成一个强耦合系统，此系统使光子的全部能量在原子和光子问来回振荡。巴黎小组让铷原子以恰好每秒500米(每小时1000英里)的速度穿过微小密闭区域，这一速度使原子在另一侧离开该区域时，恰好将发生一次原子—光子振荡(如果正好有一个光子存在的话)。由于发生了一次完整的振荡，因此没有出现净的能量转移，这就意味着原子没有吸收光子，而是把它留在了空腔中。这一相互作用的确改变了原子的相位——如果把原子看作波的话，那么它的波峰与波谷交换了位置。这一相位的变化可以通过干涉效应探测到。

为了验证这一测量的非破坏性质，物理学家们让两个原子依次通过空腔，观察它们与空腔中存在的光子数目相符合的频率有多大。洛斯阿拉莫斯实验室的量子力学专家Wojciech M．Zurek说：“以如此高的精确度操纵3个量子系统并控制它们之问相互作用方式的卓越能力的确令人惊讶。”

借助单光子QND装置还能进行其它的实验，包括3个原子在一次一个穿过空腔时发生的所谓“量子缠结”(quantum entanglement)效应。利用这样的系统可以对现实世界的基本量子特性进行新的引人注目的演示。