2023年諾貝爾物理學獎：操縱單個量子粒子
2023年諾貝爾物理學獎授予塞爾日阿羅什和大衛j維因蘭德，以表彰他們分別獨立發明並拓展了在保持單個粒子量子力學特性的前提下，測量和操縱它們的方法。
他們的發明開闢了量子物理學的新時代；他們成功地觀測到非常脆弱的量子態，在不破壞單個粒子的前提下直接觀察它們的特性；他們的工作為製造新型超高速基於量子物理的計算機邁出了第一步。也可以用來製造極精準時鐘，用於未來的時間標準，比現有的銫原子鐘精確百倍。
單個物質粒子包括光子，經典力學不適用，粒子表現出量子性。然而長久以來，單個粒子不能從脫離周圍環境直接觀測到，科學家只能通過思想實驗驗證它奇異的表現。
兩位獲獎者均致力於量子光學領域物質粒子及光子基本相互作用力的研究工作。這個領域從20世紀80年代中期開始有飛躍性的發展。他們的工作有很多相同之處。
大衛維因蘭德將帶電原子或離子置於勢阱中，控制並測量它們的光子。塞爾日阿羅什則相反，控制並測量勢阱中的離子，通過勢阱向離子注入光子。
在勢阱中控制單個離子
在科羅拉多州博爾德市，大衛維因蘭德維因蘭德的實驗室內，帶電原子或離子被置於電場內的勢阱中。該實驗在真空和低溫條件下進行，使粒子遠離熱和輻射干擾。
維因蘭德實驗的乙個秘訣是使用雷射脈衝。他用雷射壓制離子在勢阱中的熱運動，使離子停留在最低能量狀態，從而觀測勢阱中離子的量子現象。乙個細緻調節好的雷射束可以使離子進入疊加態，該形態使乙個離子同時存在於兩種不同狀態。
例如，乙個離子可以同時處於兩種能量值。它開始處於較低能量的狀態，雷射的作用僅僅是向高能量狀態輕輕推它，能夠使它停留在兩種狀態的疊加中，進入任何一種狀態有相等的可能性。這樣可以研究離子的量子疊加狀態。
在勢阱中控制單個光子
塞爾日阿羅什和他的研究小組採取不同的方法揭示神秘的量子世界。在巴黎的實驗室裡，微波光子在相距3厘公尺的鏡片之間**。鏡片用超導材料製作，被冷卻到剛剛超過絕對零度。
這是世界最閃耀的超導鏡片，單個的光子在它們之間的空腔**超過十分之一秒的時間，直到它丟失或被吸收。這意味著光子能夠穿越40000千公尺的長度，相當於環繞地球一周。
量子操縱可以通過勢阱中的光子演示。阿羅什運用特殊調製的原子，叫做rydberg 原子（紀念瑞典物理學家johannes rydberg），完成控制和測量空腔內微波光子的任務。乙個rydberg原子大致有典型原子1000倍的半徑，在乙個合理選擇的速度下送入空腔，它和光子的相互作用在乙個理想的控制下發生。
rydberg原子穿越空腔並離開，留下光子，但之間的相互作用使原子的量子相位發生改變，就像一陣波。當rydberg原子離開空腔時，相位改變能測量得到，從而暗示空腔中光子的存在或逃逸。
利用相似的方法，阿羅什和他的團隊可以數空腔內的光子。光子不容易數，任何和外界接觸就會破壞。借助這個方法，阿羅什和他的團隊設計後期方案一步一步實現單個量子狀態的測量。
量子力學悖論
量子力學描繪了乙個肉眼無法觀測的微觀世界，很多與我們的期望和在經典物理中的經驗相反。量子世界本身具有不確定性。例如疊加態，乙個量子可以有多重形態。
我們通常不會認為一塊大理石同時是「這樣」也是「那樣」，除非是一塊量子大理石。疊加態的大理石只能確切地告訴我們大理石是每一種形態的概率。
我們在日常生活中為什麼觀察不到疊加態，隨機性的這些方面？奧地利物理學家及諾貝爾獎獲得者（2023年）歐文薛丁格爭辯道。正如其他量子理論的先驅，他試圖理解和闡釋這些現象。
2023年，他寫下：「我們從來沒有用乙個電子、原子或者其他分子做過實驗。在思想實驗中，我們的假設，這總是導致可笑的後果……」
為了說明將我們的巨集觀世界間思想實驗移動到微觀量子世界可能產生的荒謬的結果，薛丁格描述了乙個關於貓的思想實驗：薛丁格的貓被放在乙個與周圍環境完全隔離的箱子內。這個箱子內有一瓶致命的氰化物，還有一些處於發射狀態的放射性原子衰變。
放射性衰變遵循量子力學定律，因而它處於發射和未發射的疊加狀態。因此，貓處於活著和死了的疊加狀態。現在，如果你窺視箱子內部，你等於殺死了貓，因為量子疊加態對環境作用非常敏感，觀察貓的瞬間，貓的「世界線」會「塌縮」到出現死或者活兩種結果中的一種。
在薛丁格看來，這個思想實驗導致了乙個荒謬的結論。它在說明他應該向出現的量子道歉。
2023年的兩位物理學獎獲得者能夠對映到當外界環境參與時量子貓的狀態。他們設計了創新實驗，詳細說明觀測這一行為實際上如何導致量子狀態的崩潰並失去其疊加特性的。阿羅什和維因蘭德並沒有用貓，而是將勢阱中的離子放入薛丁格假設的疊加態中。
這些量子物體儘管巨集觀上沒有貓那樣的形狀，但相對於量子尺度仍然足夠大。
在阿羅什的空腔中，不同相位的微波光子被同時放置在像貓一樣的疊加態中，像同時有很多順時針或逆時針旋轉的秒錶。空腔用rydberg原子探測。結果出現了另乙個難以理解的稱為糾纏態的量子效應。
糾纏也被薛丁格描述過，可以發生在兩個或多個量子之間，他們彼此沒有直接接觸，卻可以讀取或影響對方的屬性。微波場中量子的糾纏態和rydberg原子的運動讓阿羅什對映生活和死亡的貓一樣的狀態，進而一步一步，經歷了從量子疊加態到被完全定義的經典物理態的過渡。
新的計算機革命的邊緣
很多科學家預想的可能實現的運用是量子計算機。現今的計算機，最小的攜帶資訊單位是乙個位，置1或清0。而量子計算機裡，最小單位是乙個量子位。
維因蘭德的團隊是世界首次演示乙個量子代替兩個量子位。如果幾個量子位的實驗能夠完成，更多量子位的組合也能夠成功。然而有許多問題，比如相對立的兩個問題：
量子需要絕對隔離外界環境，以保持量子特性；而它們又需要和外界交換它們的運算結果。本世紀量子計算機有可能完成。如果這樣，如同上個世紀計算機資訊時代，量子計算機將帶來計算機領域一場全新的革命。
戴維維因蘭德和他的團隊運用勢阱中的離子製作了乙個時鐘，比銫原子鐘精確100倍，它運用可見光製作，故稱之為光鐘。乙個光鐘僅包含一兩個勢阱中的離子。如果包含兩個，乙個用來做鐘，另乙個用來在不破壞它狀態的情況下進行讀取，或者錯過乙個刻度。
光鐘的精確度高於10的17次方，這說明如果從大約140億年前的大**開始計時，光鐘到現今的偏差僅為5秒。
利用如此精確的時鐘，可以觀察到一些極其微妙美麗的自然現象，例如時間流逝，重力的微小變化，時空的交織。根據愛因斯坦相對論，時間可以被運動和重力影響。速度越高，重力越強，時間流逝越慢。
通常我們不能察覺到這種現象。運用gps導航時，我們依賴衛星上由於幾百公里外的上空重力變弱的影響而需要定期校準的時間訊號。運用光鐘，我們可以測量速度變化小於10公尺每秒，或者高度差為30厘公尺處重力改變所引起的時間流逝變化。
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