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量子系統是指由原子尺度範圍內（∼10^-10米）的微小粒子，包括原子本身、電子、光子及其它各種基本粒子，所構成的各種微觀系統。這些物理系統不再滿足古典物理規則，他們的物理現象結合粒子和波動的特性，由量子力學決定。然而，對大多數科學家而言，量子物理仍然是一個充滿神祕的世界。雖然量子理論早已在上個世紀20年代中葉就被建立起來，正如著名物理學家費曼（Richard Feynman）曾說過：「如果有人認為他搞懂了量子力學，這意味著他根本不懂量子力學」、「保守地說，這世界上沒有人真正懂量子力學」。費曼此一說法的主要依據之一應該是——長久以來，人們無法直接而精確地量測及控制簡單量子系統的量子相干性（quantum coherence）。

量子相干性描述量子粒子的波動特性，類似於古典波動系統中，波的相干性由波的疊加所得到，量子相干性是由量子系統的內在結構、描述量子能級的量子態線性疊加所產生。但由於構成量子系統的基本元素極微小，它們對來自周圍環境的影響極為敏感，周圍環境的微小擾動很容易導致量子系統相干性的消失，此現象稱之為量子退相干（decoherence）。因此半個世紀多以來，人們對量子態的精確量測及調控始終無法達成，進一步更普遍認為，由於量子測不準原理，量子態也許根本無法被準確地量測。然而，經過二、三十年的努力，美籍物理學家大衛．溫蘭德（David J. Wineland）和法籍物理學賽吉．賀羅徹（Serge Haroche），分別利用電磁場來捕捉離子及利用原子來捕捉光子，發展出非常精確的、可量測及調控簡單量子系統的量子態實驗方法及技術，獲得了今年的諾貝爾物理學獎。

師徒都獲諾貝爾桂冠

溫蘭德1944年出身於美國的威斯康辛州，大學畢業於加州大學柏克萊分校，隨後前往哈佛大學師從拉姆西（Norman F. Ramsey），並於1970年取得博士學位。他在美國國家標準技術研究所（NIST）進行研究工作至今已達37年之久，為該研究所離子存貯（Ion Storage）實驗組的負責人。由於在發展離子阱技術方面取得極為出色的研究成果，溫蘭德於1992年成為了美國國家科學院院土，之後於2007年獲得美國國家科學獎。

在進入國家標準技術研究所物理實驗室之前，溫蘭德在華盛頓大學德梅特（Hans Dehmelt）教授的團隊做了五年的博士後研究。正是從那裡開始，溫蘭德開啟了利用離子阱捕捉單顆離子的實驗研究。值得一提的是，溫蘭德的兩位導師，拉姆西和德梅特分別因原子鐘和離子阱（ion traps）技術的發展，及原子超精細能級的精確量測，與另一位德籍物理學家鮑爾（Wolfgang Paul）於1989年共同獲得諾貝爾物理獎。時隔23年後，溫蘭德因將離子阱技術發展到能操控單顆及多顆離子的量子疊加態，為建構超高速量子電腦跨出第一步而獲獎。

賀羅徹1944年出生於摩洛哥卡薩布蘭卡，是法籍猶太人，大學畢業於巴黎高等師範學院，並於1971年自巴黎第六大學獲得物理博士學位，師從1997年諾貝爾物理學獎得主科昂- 唐努德日（Claude Cohen-Tannoudji）。賀羅徹從2001 年起擔任法蘭西學苑（collège de France）教授，並領導簡單系統量子電動力學實驗室，主要研究領域是原子物理及量子光學實驗，他是空腔量子電動力學（cavity QED）的奠基者之一。此外，賀羅徹也是法國國家科學研究中心研究員。

1960年代由於雷射的發展，使得原子物理及量子光學有了巨大的進展，賀羅徹從1965年開始進行研究，藉由觀察原子與光子的交互作用，奠定了他在量子光學領域的先鋒角色。由於他在量子光學及空腔量子電動力學領域的卓越貢獻，賀羅徹於1988年獲頒愛因斯坦獎，並於2010年成為美國國家科學院外籍院士。15年前，賀羅徹的老師科昂- 唐努德日，因研究利用光子操控原子（雷射冷卻）的理論與實驗而獲得諾貝爾獎，今日，賀羅徹則因發展原子操控光子的實驗技術、並將其應用在量子態的控制與量測上的傑出貢獻，而獲得了2012諾貝爾物理學獎。

師徒都獲諾貝爾桂冠，堪稱物理科學界的佳話。

離子阱

離子阱（ion traps）的工作原理，就是利用帶電粒子（離子）與電磁場間的交互作用牽制離子的運動，將離子捕捉在某個小範圍空間內。圖一是一列離子被電磁場束縛在一條線上。離子阱技術的實現可追逆到上世紀50年代，由鮑爾和德梅特各自發展出不同的離子阱，分別稱之為四極離子阱（簡稱為Paul離子阱）和圍檻式離子阱（Penning離子阱），前者利用靜態電場與RF交變電場結合構成一線性或3D的離子束縛阱，而後者由靜態磁場和空間分布不均勻的靜態電場結合來捕捉離子。1973年溫蘭德和德梅特開始探討如何利用離子阱捕捉單顆離子，1980年托薛克（Peter E. Toschek）實驗組利用Paul離子阱首先捕捉到單顆鋇離子（Ba⁺），而溫蘭德和依搭納（Wayne M. Itano）則在次年利用Penning離子阱捕捉到單顆鎂離子（Mg+）。

到1990年代，因量子電腦的提出，人們開始探討如何調控量子態。利用離子阱操控量子態通常使用Paul離子阱：在低溫下離子阱被量子化，因此離子阱中每個離子具有兩組量子能級，其中一組為離子本身的電子能級，另一組則描述離子在束縛位阱中運動的振動能級，這兩組能級通過吸收及發射光子而耦合起來。藉由不同時序的雷射脈衝來驅動離子，人們可以準確地控制離子的量子狀態。

能夠實現量子態精確調控的一個主要原因是可以通過雷射冷卻（laser cooling），或更精確地說邊帶冷卻（sideband cooling），將離子的振動模降到最低能級，經由脈衝雷射光的激發，使離子的電子狀態處在基態與激發態的一個相干疊加態。再經由一窄頻雷射脈衝驅動離子，將離子的電子相干疊加態轉移為離子的振動相干疊加態。這正是溫蘭德所帶領的實驗組，在1995年帶來由始以來第一次的量子相干疊加態轉移實驗。溫蘭德及其領導的團隊利用上述冷卻捕捉離子的技術，還實現並調控各種各樣由離子及振動模產生的量子態，包括福克態（Fock states）、各種福克疊加態、相干態（coherent states）及熱態。

空腔量子電動力學

1980年代開始發展的空腔量子電動力學，主要研究當原子被放進一個空腔時，原子的特性如何受到空腔內的光子影響而發生改變，特別是原子的自發輻射（spontaneous emission）。在量子力學裡，我們已經知道真空電磁場的擾動（vacuum fluctuations），是造成原子自發輻射的原因。早在1946年，哈佛大學的普謝（Edward Purcell），已經在理論上預測兩片具有超高反射率的球面鏡所組成的空腔，能增強特定頻率的真空場強度，可以用來提高原子的自發輻射率。但是這個預測一直要等到1983年，才被賀羅徹的實驗所證實。他在巴黎高等師範學院所領導的研究團隊，首先近乎完美地冷卻了空腔，以降低熱輻射光子的產生，然後將大小比一般原子大約1000倍的雷德堡原子（Rydberg atom ，直經約125奈米）射入該空腔中，使雷德堡原子與空腔內的真空場產生交互作用。此實驗首次觀察到自發輻射增強的效應，開啟了空腔量子電動力學實驗的進展，這個在量子光學中著名的效應，現被稱為普謝效應（Purcell effect）。

圖一：在溫蘭德的實驗中，離子阱實驗示意圖，一列鈹離子被電磁場束縛在一條線上。
（圖片來源：諾貝爾官方網站）

然而，自發輻射的增強，會使得原子在空腔內的量子重疊態更快速地衰減，所以在量子資訊的應用上，降低自發輻射率反而變成一項更重要的事。要產生自發輻射的抑制效應，必須調整空腔的共振頻率，使其與原子的躍遷頻率不同。實驗上，首次觀察到原子的自發輻射抑制效應是在1985年，由克雷普勒（Daniel Kleppner）在麻省理工學院所領導的研究小組所完成。

在賀羅徹的實驗中，空腔是由兩片具有超高反射率的超導球面鏡所組成（圖二），能將光子侷限在空腔內一段時間。現在他的實驗已經可以將微波光子關在空腔內約0.13秒，這樣的時間已經足夠讓此光子繞行地球一圈（約4萬公里）。這些具有超高反射率的空腔使得實驗得以成功，他的研究團隊藉此來捕捉光子，可說是實現了愛因斯坦在其著名的思想實驗中所提出的「光子箱」原型。另外，值得一提的是，賀羅徹的實驗是作用在微波波段，因其長波長特性的關係，故僅需公分尺寸的空腔，即可觀察到普謝效應，但若要觀察到可見光波段的普謝效應，則需要在更小的微空腔（micro cavity）來進行實驗，這方面的突破主要是由金柏（Jeff Kimble）所領導的研究團隊在加州理工學院所完成。

圖二：在賀羅徹的實驗中，空腔是由兩片具有超高反射率的超導球面鏡所組成，能將光子侷限在空腔內一段時間（約0.13 秒），足夠讓此光子繞行地球一圈（約4 萬公里）。（圖片來源：諾貝爾官方網站）

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