量子世界的物理探險家 Serge Haroche 獲頒法國 CNRS 2009年金牌獎

資料來源：Médaille d'or 2009 du CNRS : Serge Haroche, physicien et explorateur du monde quantique
中文翻譯：中華民國駐法科技組

物理學家 Serge Haroche 獲頒法國國家科學研究中心（CNRS）的2009年金牌獎。此殊榮旨在嘉獎科學人以其傑出的研究來促進法國研究的活力與光輝。Serge Haroche是原子物理學與量子光學的專家。他是空腔量子電動力學的奠基者之一，該領域能夠藉由概念上簡單的實驗來解釋量子理論的基本原則，並實現量子資訊處理系統的原型。Serge Haroche從2001年起擔任法蘭西學苑（collège de France）教授，並領導Kastler Brossel 實驗室中的簡單系統量子電動力學團隊（高等師範學院 / 巴黎第六大學 / 國家科學研究中心）。

Serge Haroche 從1965年開始進行研究，當時正值原子物理學與量子光學取得了巨大的進展之際：發現了雷射，並發展出透過光線進行的新原子實驗方法。由於他當時對原子與光之間的相互作用的觀察，奠定了他在量子光學領域的先鋒角色。在空腔量子電動力學實驗中，他首先近乎完美地冷卻了空腔的腔壁，然後在空腔中成功隔離了一外在世界的原子，並迫使該原子與僅由數個電子構成的基本場進行整合。這些電磁空腔使得實驗得以成功，他的高等師範學院（ENS）研究團隊並藉此來捕捉光線；這些電磁空腔可說是實現了波耳和愛因斯坦在他們的名著《思想實驗》中所提出的「光子箱」。

他的工作使我們得以透過實驗來研究與展示某些挑戰直觀量子機械學 (量子力學 / Quantum Mechanics) 的公設，並對解釋微觀量子世界與傳統鉅觀世界之間的巨大差異做出可觀貢獻。他發展出來的諸多實驗，尤其使我們得以藉由多次的「觀看」來持續觀察在電磁空腔中的單一光子，並證實光子會在所謂的量子跳躍中無預警地突然消失。他並以此首先指出，並非一定得摧毀單一光子才得以對其進行觀察。

他和他的團隊還解釋了《薛丁格的貓》（chat de Schrödinger）的弔詭；這個弔詭涉及了與單一原子接觸的鉅觀系統的思想實驗，該鉅觀系統會處於兩種傳統上相異的狀態的疊加之中。在高等師範學院的實驗中，一個處於兩種能量狀態的疊加之中的原子，會在一空腔中與包含數個光子的微波場耦合。在耦合效應下，此微波場呈顯為一種量子疊加的狀態，並同時獲得兩種量子相。他們觀察此微波場的時序變化，看到了量子疊加狀態消失，並迅速轉變為傳統物理定律所描述的狀態。他們對於這個稱之為「失相」（décohérence）狀態的實驗研究，有助於理解：儘管鉅觀系統是由微觀尺度下的微粒子所構成，而微觀尺度法則是違反直觀的量子理論的，然而鉅觀系統大體上仍能藉由古典的概念來解釋。

除了以上這些基礎問題之外，這些光子與原子的實驗也實現了用以證明資訊儲存與量子計算的一般性方法的原型。在計算機與慣用的通訊迴路當中，訊息會透過電子或光訊號被編碼成以0或1所構成的「位元」（bits），然而量子資訊卻使用由量子系統提出的「量子位元」（qubits），它以0與1的疊加狀態存在。於是，疊加的原則大大地強化了計算與通訊的可能性。量子資訊的理論家也指出，以量子位元運作的機器能比目前的計算機更快速地計算，甚至使得資訊通訊的加密變得無法入侵；這是當前的傳統資訊加密協定所無法實現的絕對安全性。這正是Serge Haroche及其團隊的空腔量子電動力學實驗所致力發展的新式物理學。



(編輯記錄)