2026年度沃尔夫物理学奖:冷原子技术推动量子研究新纪元

在绝对零度之上,推动量子领域的合作与创新,2026年度的沃尔夫物理学奖于10月1日晚间由以色列沃尔夫基金会揭晓,授予美国国家标准与技术研究院的叶军博士和科罗拉多大学博尔德分校的叶军,以及德国马克斯·普朗克量子光学研究所的伊曼纽尔·布洛赫博士。他们的研究在超冷原子系统的控制上取得了重要且广泛适用的突破。沃尔夫基金会在颁奖词中指出,他们的成就代表了实验物理学的飞跃,开启了量子世界精准操控与测量的新篇章。

布洛赫利用光晶格技术,构建了一个用于研究量子多体物理的实验平台;而叶军则将相同的技术应用于极限计量,重塑了时间和频率的测量标准。两位科学家各有侧重,一方面聚焦于模拟研究,另一方面注重提高计量精度,共同推动冷原子技术向量子计算、强关联材料机制及相对论测地学等领域迈进。

光晶格技术的出现为多体量子物理的研究提供了新机遇,这一领域在能源、材料和信息处理等技术的实现中具有基础性意义。随着粒子数的增加,希尔伯特空间的复杂性也随之激增,强关联现象引发的挑战被称为“指数墙”。早在1982年,理查德·费曼就提出,利用遵循量子规律的机器去模拟物理世界,将成为解决多体问题的唯一途径。激光冷却技术与玻色–爱因斯坦凝聚的成功实现为这一思路的落实铺平了道路。

1998年,迪特尔·雅克施及其团队提出,使用光晶格中的超冷原子模拟玻色–哈伯德模型,这一模型探讨了粒子间的隧穿与相互作用如何影响物态的变化。在导师、2005年诺贝尔物理学奖获得者特奥多尔·亨施的倡导下,布洛赫搭建了光学晶格,模拟固体结构。与普通固体中的杂质和缺陷不同,光晶格具有洁净的特性并可以调节,允许研究者通过调节激光强度来控制量子相变。

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在精密计量领域,光晶格钟的设想于2001年由香取秀俊等人提出。该概念涉及到“魔术波长”的应用,使得原子能级的光跃迁受到均匀影响。叶军的团队借助这个原理,在2005至2006年间实现了对锶原子的激光控制,极大提升了频率的稳定性,使得计量精度达到了前所未有的水平。

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随着激光冷却和光晶格技术的发展,科学家们能够在高精度下探索光子、电子、原子与分子之间的相互作用。光晶格相比于传统固体的独特之处在于其多维参数调控能力,研究方向也从统计平均转向了对单个原子的精细研究。在这一背景下,尽管通用的量子计算机尚需时日,专用量子模拟器的潜力在特定问题上的量子优势越来越被认可。

布洛赫所做的贡献就在于将冷原子实验室转变为可处理凝聚态问题的量子模拟器。2002年,他在亨施的支持下,成功在光晶格中观察到了玻色子的量子行为,这一成果为后续的冷原子研究奠定了重要基础。

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