袁嵐峯對話塞爾日·阿羅什：我得諾獎是因為證明了薛定諤的錯誤_風聞

■ 西瓜視頻：

https://www.ixigua.com/7311979950842741282

本視頻2023年12月13日發佈於西瓜視頻，播放量已達13.5萬

**袁嵐峯：**每年世界頂尖科學家論壇在上海召開的時候，世界頂尖科學家協會與字節跳動都會邀請一兩位諾貝爾獎獲得者和我做一個對話節目。以前都是遠程對話，今年是首次當面談。

非常高興見到2012年諾貝爾物理學獎獲得者、法國科學家塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）。他和美國科學家大衞·維因蘭德（David J. Wineland）共同獲獎。原因是，“突破性的實驗方法使我們能夠測量與操縱單個量子體系”（for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems）。

這話是什麼意思呢？受過基礎科學教育的人都知道，物質是由原子組成的，原子是由電子、質子、中子組成的。對科學瞭解更多的人可能還知道，光是由光子組成的，描述這些微觀粒子基本運動規律的理論，就是量子力學（quantum mechanics），它是當今物理學兩大基礎理論之一，跟相對論並列。基於量子力學，人們發明了激光、核能、半導體、發光二極管等幾乎所有的現代技術。

然而，所有這些技術都有個共同點：它們操作的都是大量粒子的集合，而不是單個粒子。實際上，量子力學的奠基人們還曾經認為，操控單個粒子是不可能的。這是因為量子力學有很多奇特的性質，例如量子疊加、量子糾纏，它們跟經典世界的經驗格格不入，最著名的例子就是薛定諤那隻半死不活的貓。為什麼在微觀世界理論上允許存在這種貓態，而在宏觀世界就不會看到呢？為了避免動物保護協會的抗議，最方便的方法就是認為它壓根就製備不出來！

當然這是開個玩笑，真正的原因是操縱單個粒子的難度太大了，以至於前輩科學家們根本沒有考慮過這個問題，然而，阿羅什和維因蘭德打破了這個思維定勢，他們設計了極其巧妙的方法，第一次使我們能夠精細地操控單個粒子的狀態，由此就可以觀測到種種奇妙的量子性質，包括真正意義的薛定諤貓態，他們甚至還能觀測到薛定諤貓態如何衰變成普通狀態的過程，這是環境跟量子體系作用的結果。

阿羅什的研究領域是量子光學，不過我們也經常把他稱為量子信息領域的獲獎者。為什麼呢？因為量子信息是量子力學和信息科學的交叉科學，而要實現量子信息，前提就是要能夠操控單個粒子。因此，阿羅什和維因蘭德的實驗對此具有奠基性的作用。

那麼，阿羅什是如何實現單粒子操控的？他們由此得到了什麼驚人的結果？這對基礎研究、日常應用以至哲學有什麼意義？下面，我們就來跟阿羅什教授對話。

**塞爾日·阿羅什：**實際上，激光和計算機的誕生，都離不開對微觀世界的研究，所以，正是由於在原子和光子方面的重大發現，激光和計算機才得以誕生，反過來，激光和計算機使我們可以操縱單個的粒子，這是個良性的循環。我認為將基礎科學和技術相連接，共同發展。（註釋：此段為本期精選）

**袁嵐峯：**今日頭條的觀眾朋友們，大家好！歡迎收看今日頭條與世界頂尖科學家協會共同推出的 《科學家請回答2023》 系列視頻。我是中國科學技術大學袁嵐峯，很榮幸邀請到了2012年諾貝爾物理學獎得主法蘭西公學院名譽教授塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）。歡迎塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）。

**塞爾日·阿羅什：**大家好！

**袁嵐峯：**親愛的阿羅什教授，很高興見到您！首先，請允許我向大家介紹一下您的姓氏，我知道您是法國人，在法語裏字母 H 是不發音的，所以您的姓氏（讀音）是阿羅什，不是哈羅什，對嗎？

**塞爾日·阿羅什：**是的。

**袁嵐峯：**法國有個著名的數學家，他的名字是 Hadamard（Jacques Hadamard，雅克·哈達瑪，1865-1963，最重要的結果是他於1896年證明的素數定理），那按同樣的 H 不發音，應該是 Hadamard，那他的名字應該是阿達馬，而不是哈達馬？

**塞爾日·阿羅什：**沒錯，類似的名字很多。比如Victor Hugo 是維克多·雨果（ Victor Hugo，1802-1885偉大的法國文學家），而不是維克多·胡果。

**袁嵐峯：**他是最有名的作家。在量子信息領域有個很有名的概念叫 Hadamard Gate（阿達馬門，阿達瑪門是一種對單個量子比特的操作，操作的效果如上圖），您和其他法國的前輩在量子信息領域做出了卓越的貢獻。

您和維因蘭德教授獲得諾貝爾獎的原因是“突破性的實驗方法，使我們能夠測量與操縱單個量子體系”，為什麼測量與操縱單個量子體系會如此重要呢？它又為什麼如此困難？

**塞爾日·阿羅什：**之所以重要是因為在我們的實驗之前大多數實驗處理的都是大量粒子的體系，當你對大量粒子做實驗時，量子效應可以説只是埋藏在統計中，唯一能真正直接觀察到量子邏輯的量子表現的方法就是要處理單個粒子，保護它們免受環境影響，操縱和詢問它們。之所以困難，當然是因為它們太小了，你必須細緻地瞭解它們是如何與光反應的，因為你要用光去操作和詢問它們，把它們的速度降下來，所有這些的實現都是通過發展技術，它需要很長時間才能開花結果，因為它涉及好的真空環境，還需要低温技術以實現低温以及各種各樣的激光和計算機。所以，你需要掌握所有這些才能做這種實驗。

**袁嵐峯：**所以非常困難，這區別就像是研究全國所有人的移動和某一個人的移動。

**塞爾日·阿羅什：**對，這個實驗吸引人的地方還在於它是微觀物理研究，我們一個小組的人通過桌面實驗就可以完成，這和需要上千人參與的大型加速器實驗完全不同，我更喜歡在小組工作，每個人都有明確的分工，還能同時有理論物理學家及實驗物理學家共事。

**袁嵐峯：**這麼看來，您的工作比粒子物理學家還要難。

**塞爾日·阿羅什：**是的，確實很不一樣。

**袁嵐峯：**下一個問題是，對於具有量子力學知識的人來説，研究單個量子系統似乎是順理成章的，因為這是課本里的默認情況，但我真正讀了您的諾貝爾獲獎演講時，我才發現您的實驗方法出人意料的複雜與美妙，裏面的關鍵點是對光子的非破壞性測量。也許很多人根本想都沒想過可以對光子進行非破壞性的測量。

您的諾貝爾演講詞裏引用了薛定諤，他認為對單粒子探測本質上是一種“屍體檢查”性質的工作。例如氣泡室中的粒子軌跡是在粒子消失之後留下的，這讓我想起一位我的朋友“法醫秦明”（秦明，1981年1月10日出生，安徽省銅陵市人，現任安徽省公安廳物證鑑定管理處法醫病理損傷檢驗科副主任法醫師，警務技術一級主管，中國作家協會會員，第四屆安徽省法醫學會秘書長）。他是一位著名的法醫，寫了很多關於通過屍檢來破案的文學作品與影視，以一己之力讓公眾對法醫這個職業產生了巨大的興趣。

所以真正有趣的是，您居然找到了辦法超越了薛定諤的這個論斷，把屍體檢查變成了活體檢查，您是怎麼做到的？

**塞爾日·阿羅什：**這涉及到很多方面，當然，在薛定諤説那句話的時候技術並沒有現在成熟。他那時候沒有激光，也沒有高速計算機，我們需要所有這些技術，才能在原子層面操縱物質，所以我認為這很好地詮釋了科學是如何發揮作用的。實際上，激光和計算機的誕生都離不開對微觀世界的研究。所以，正是由於在原子和光子方面的重大發現，激光和計算機才得以誕生。反過來，激光和計算機使我們可以操縱單個的粒子，這是個良性的循環。

我認為將基礎科學和技術相連接、共同發展，現在我們能做的是，真正觀測到單個粒子，確認薛定諤是錯的，發現薛定諤那樣説是不對的。用光子做這種實驗更難，因為雖然捕捉和操縱單個原子很難，但對光子更是難上加難，因為光子是非常不可捉摸的，一旦與物質相互作用，它們就會消失，要麼是被吸收了，要麼是被散射了，所以我們需要把它們保持在空間有良好定義的位置，用一個非常好的腔。

你還提到用非破壞性的方式進行檢測的想法，這不是顯而易見的，因為檢測光子的基本方式，一般就是毀滅它們，比如一個光子抵達了你的視網膜，它就變成了電流或某種神經信號進入你的大腦，但光子本身已經死了，我們也找到了讓光子在被檢測到之後仍然存活的方法，這就是我們所説的“活體”物理學，跟你提到的“法醫”物理學相對，我不喜歡這種觀點。我希望粒子仍然存在，這樣就可以觀察到粒子之間相互作用時發生了什麼神奇的現象，這就是現在人人都在談論的，量子信息領域的開端。

**袁嵐峯：**真是太有趣了，您能證明量子力學奠基人的一些觀點是錯的。

**塞爾日·阿羅什：**不，實際上，他們在他們預言的所有事情上都是對的，他們的錯誤只是在於，實際上他們沒有預見到從他們了不起的思想有可能得到的所有進步，其實他們有所有這些思想。量子物理學誕生於1925年，那些概念和定律到今天仍然有效，我們所有的實驗都只是證明他們正確而不是錯誤。我們證明錯誤的，只是他們沒有理解，他們沒有夢想到，我們能基於他們的思想創造出奇妙的工具。

**袁嵐峯：**本期視頻就到這裏，想了解更多頂尖科學家與科普大咖間的思維碰撞，上今日頭條搜索《科學家請回答2023》，下期見！