2025年度“墨子量子獎(jiǎng)”（TheMiciusQuantumPrize2025）獲得者：伊曼紐爾·布洛赫（ImmanuelBloch，馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所/慕尼黑大學(xué)）、蒂爾曼·埃斯林格（TilmanEsslinger，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）和馬庫(kù)斯·格雷納（MarkusGreiner，哈佛大學(xué)）。
撰文|陳曉雪瞿立建李珊珊
8月1日晚，2025年度“墨子量子獎(jiǎng)”（TheMiciusQuantumPrize2025）宣布授予量子模擬領(lǐng)域的三位先驅(qū)科學(xué)家——伊曼紐爾·布洛赫（ImmanuelBloch，馬克斯·普朗克量子光學(xué)研究所/慕尼黑大學(xué)）、蒂爾曼·埃斯林格（TilmanEsslinger，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）和馬庫(kù)斯·格雷納（MarkusGreiner，哈佛大學(xué)），以表彰他們“基于光晶格中的超冷原子開創(chuàng)性地實(shí)現(xiàn)了玻色子與費(fèi)米子哈伯德模型作為強(qiáng)相互作用多體系統(tǒng)的量子模擬器，為全面研究量子物相、輸運(yùn)以及拓?fù)洮F(xiàn)象作出的杰出貢獻(xiàn)”。
量子模擬的理念最早由著名物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）于1982年提出。他認(rèn)為，經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法有效模擬復(fù)雜的量子系統(tǒng)，因此可以通過構(gòu)建人工量子系統(tǒng)來模擬這些現(xiàn)象，為研究量子材料和行為提供強(qiáng)大的工具。這一設(shè)想不僅影響了基礎(chǔ)物理的研究，還為材料科學(xué)、量子化學(xué)等領(lǐng)域開辟了新的應(yīng)用空間。
早在1998年，奧地利因斯布魯克大學(xué)的PeterZoller等人就提出了通過光學(xué)晶格實(shí)現(xiàn)玻色子哈伯德模型的概念。他們認(rèn)為，超冷玻色子原子在光學(xué)晶格中的行為可以用玻色子哈伯德模型來描述，并通過激光和磁場(chǎng)等手段控制其物理屬性[1]。
到了2000年，布洛赫、埃斯林格與格雷納等科學(xué)家在慕尼黑的實(shí)驗(yàn)室開展了一項(xiàng)開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)，他們成功將超冷玻色子氣體制備成玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC），并將其放入三維光晶格中，首次實(shí)現(xiàn)了從超流體到莫特絕緣體的量子相變實(shí)驗(yàn)。2002年年初，《自然》刊登了這一里程碑式的研究論文[2]。
玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC）是由愛因斯坦和玻色(SatyendraNathBose)基于量子統(tǒng)計(jì)理論預(yù)言的一種狀態(tài)，1995年首次由科羅拉多大學(xué)的物理學(xué)家EricCornell和CarlWieman在實(shí)驗(yàn)上成功制備，當(dāng)年晚些時(shí)候麻省理工學(xué)院物理學(xué)家WolfgangKetterle也利用鈉原子實(shí)現(xiàn)BEC。BEC表現(xiàn)出超流性行為，即能夠無摩擦地流動(dòng)。光晶格則是通過干涉激光束形成的周期性微觀陷阱，能夠控制超冷原子的運(yùn)動(dòng)。而在莫特絕緣體狀態(tài)下，超冷原子無法自由流動(dòng)，表現(xiàn)為絕緣性。
2025年墨子量子獎(jiǎng)的國(guó)際評(píng)審之一、量子模擬領(lǐng)域的理論先驅(qū)PeterZoller表示，這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅突破了量子物理學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)研究，還為量子技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。它通過精細(xì)調(diào)控光晶格中的超冷原子，實(shí)現(xiàn)了從超流體到莫特絕緣體的量子相變。這個(gè)過程模擬了強(qiáng)關(guān)聯(lián)材料中的重要現(xiàn)象，而經(jīng)典計(jì)算往往無法描述這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，“開創(chuàng)了一個(gè)新的量子模擬時(shí)代”。
值得一提的是，三位獲獎(jiǎng)人師出同門，均是著名激光物理學(xué)家、2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主特奧多爾·亨施（TheodorH?nsch）的學(xué)生。此項(xiàng)工作正是在亨施的指導(dǎo)下合作完成的。
三位獲獎(jiǎng)人中最為年輕的馬庫(kù)斯·格雷納在做這項(xiàng)研究時(shí)，還是博士生。他在獲獎(jiǎng)感言中表示：“能夠與蒂爾曼、伊曼紐爾一起獲得這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)真是太好了，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室度過了許多美好的時(shí)光。我記得我們一起工作到深夜，當(dāng)實(shí)驗(yàn)最終開始顯現(xiàn)出成果時(shí)，那一刻真是令人激動(dòng)?！?/p>
盡管三人因?yàn)榱孔幽M的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)而獲獎(jiǎng)，但他們的研究方向最初并不完全是為了量子模擬而展開。
“事情的發(fā)展有時(shí)候就是這樣，并不總是按計(jì)劃進(jìn)行。”格雷納說。他們的目標(biāo)一開始是構(gòu)建一個(gè)連續(xù)的原子激光系統(tǒng)，后來才發(fā)現(xiàn)可以通過“凍結(jié)”原子來構(gòu)建光學(xué)晶格，這為量子模擬開辟了新的可能性。
最激動(dòng)人心的時(shí)刻，當(dāng)然是他們意識(shí)到超流體的玻色-愛因斯坦凝聚體轉(zhuǎn)變?yōu)槟亟^緣體時(shí)。
“我仍然記得看到屏幕上的圖像，看到的是這些物質(zhì)波的干涉峰在相機(jī)上呈現(xiàn)出來，這些原子就像物質(zhì)波一樣，它們發(fā)生干涉，形成干涉圖案。突然，這個(gè)圖案消失了。起初你會(huì)想，是不是溫度升高了？這個(gè)狀態(tài)被破壞了嗎？但慢慢地我們意識(shí)到，不，這就是莫特絕緣體，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)量子相變，進(jìn)入了莫特絕緣態(tài)。是的，那真是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻?！备窭准{向《知識(shí)分子》和《賽先生》回憶道。
埃斯林格也記得，當(dāng)他們完成莫特絕緣體的相變時(shí)，大家都非常震驚。他們甚至還嘗試摧毀莫特絕緣體，但發(fā)現(xiàn)這非常困難?！斑@當(dāng)然是由于能量間隙的原因。但最后，借助磁場(chǎng)梯度，這個(gè)問題終于解決了?！?/p>
實(shí)驗(yàn)結(jié)果出來后，迅速獲得極大的關(guān)注?！白鳛檠芯可?，我的室友們看到我出現(xiàn)在晚間新聞時(shí)非常驚訝，沒想到我們的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)受到了這么大的關(guān)注?！备窭准{笑道。“這真的是一次令人驚嘆的經(jīng)歷，蒂爾曼讓我學(xué)到了很多關(guān)于如何構(gòu)建實(shí)驗(yàn)的知識(shí)，而伊曼紐爾則帶來了驚人的遠(yuǎn)見和驅(qū)動(dòng)力。這一組合真的很特別，我非常幸運(yùn)，正好在對(duì)的時(shí)間，處在正確的地方。”
2002年3月刊的《今日物理》以封面的形式報(bào)道了這一開創(chuàng)性研究。圖源：PhysicsToday
埃斯林格也表示，在慕尼黑時(shí)，那是一段非常愉快的時(shí)光?！罢娴姆浅８兄x特奧多爾·亨施，他讓我們可以自由地按照自己的想法去做實(shí)驗(yàn)，基本上是做我們認(rèn)為最合適、最可行的事情。那時(shí)候，我們?cè)诩す饧夹g(shù)上有一些很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，這使得我們能做很多復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，這也是我們能成功的一個(gè)關(guān)鍵?！?/p>
這一里程碑的實(shí)驗(yàn)才剛剛開始時(shí)，馬庫(kù)斯·格雷納正在慕尼黑大學(xué)跟隨亨施攻讀博士學(xué)位，剛剛拿到博士學(xué)位的伊曼紐爾·布洛赫在慕尼黑大學(xué)和馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)研究所（MaxPlanckInstituteofQuantumOptics）擔(dān)任高級(jí)科學(xué)家，蒂爾曼·埃斯林格則在慕尼黑大學(xué)擔(dān)任課題組負(fù)責(zé)人。
后來，三人先后建立自己的獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室，他們將超冷原子平臺(tái)不斷擴(kuò)展，涵蓋玻色子、費(fèi)米子等，研究的問題也擴(kuò)展至高溫超導(dǎo)、拓?fù)淞孔游镔|(zhì)等，甚至分子量子化學(xué)。正如PeterZoller總結(jié)：“伊曼紐爾·布洛赫、蒂爾曼·埃斯林格和馬庫(kù)斯·格雷納的貢獻(xiàn)將量子模擬從概念推向了現(xiàn)實(shí)，確立了超冷原子作為探索量子多體物理中最深刻且最具挑戰(zhàn)性問題的通用平臺(tái)。
此次獎(jiǎng)項(xiàng)的每位獲獎(jiǎng)?wù)邔@得稅后100萬元人民幣（稅前125萬元人民幣）獎(jiǎng)金，并獲頒金質(zhì)紀(jì)念獎(jiǎng)牌。他們還將參加9月在合肥舉行的第三屆新興量子技術(shù)國(guó)際會(huì)議。
光晶格是激光束干涉形成的空間周期性強(qiáng)度分布，可類比為晶體。圖中黃色曲面為二維光晶格，藍(lán)色球表示被捕獲的原子。通過調(diào)整原子與光的相互作用，可以讓原子如水一樣平滑流動(dòng)，也可以讓原子像雞蛋居于蛋盒中一樣，即實(shí)現(xiàn)超流態(tài)與模特絕緣體轉(zhuǎn)變。圖源：wikicommons
伊曼紐爾·布洛赫
伊曼紐爾·布洛赫（ImmanuelBloch，1972年11月16—）。圖源：LMU
伊曼紐爾·布洛赫（ImmanuelBloch，1972年11月16—），1995年本科畢業(yè)于德國(guó)波恩大學(xué)，2000在慕尼黑大學(xué)獲得博士學(xué)位，2003年開始在美因茨大學(xué)擔(dān)任教授，2009年回母校慕尼黑大學(xué)任教授，同時(shí)任職于馬普學(xué)會(huì)量子光學(xué)研究所（MaxPlanckInstituteofQuantumOptics）。
布洛赫以其在量子光學(xué)、量子信息處理和凝聚態(tài)物理學(xué)交叉領(lǐng)域的研究而聞名，他的工作促成了一個(gè)全新跨學(xué)科領(lǐng)域的誕生——超冷原子光晶格量子模擬。這一高度可控的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使得實(shí)現(xiàn)新的量子態(tài)成為可能，并能夠利用新的實(shí)驗(yàn)方法在微觀層面研究基本量子現(xiàn)象。
實(shí)現(xiàn)基于光晶格中的超冷原子的量子模擬器的開創(chuàng)性工作后，布洛赫繼續(xù)推動(dòng)量子物理學(xué)的邊界，在量子噪聲關(guān)聯(lián)觀測(cè)、單原子成像等成就使其獲得了崇高的聲譽(yù)，獲得了諸多獎(jiǎng)項(xiàng)，如2011年歐洲物理學(xué)會(huì)量子電子學(xué)和光學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)獎(jiǎng)、2013年科伯歐洲科學(xué)獎(jiǎng)（K?rberEuropeanSciencePrize）、2015年哈維獎(jiǎng)（HarveyPrize）和2024年斯特恩-格拉赫獎(jiǎng)（Stern–GerlachMedal）。
蒂爾曼·埃斯林
蒂爾曼·埃斯林格（TilmanEsslinger，1965年7月25日—）。圖源：wikicommons
埃斯林格分別于1991年和1995年在慕尼黑大學(xué)獲得物理學(xué)學(xué)士學(xué)位、博士學(xué)位，之后留校工作，從2001年開始在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院擔(dān)任教授。
蒂爾曼·埃斯林格首次在超冷原子光晶格中實(shí)現(xiàn)費(fèi)米子哈伯德模型，為研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)提供了高度可控的量子模擬平臺(tái)。他開發(fā)了先進(jìn)的原位成像和動(dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù)，直接觀測(cè)到量子相變、輸運(yùn)行為等重要現(xiàn)象。
馬庫(kù)斯·格雷納
馬庫(kù)斯·格雷納（MarkusGreiner，1973年8月20日——）。圖源：Harvard
1994年至2003年在德國(guó)慕尼黑大學(xué)學(xué)習(xí)，其中在2000年獲得物理系Diplom（相當(dāng)于碩士），2003年獲得博士學(xué)位。格雷納在博士研究期間實(shí)現(xiàn)了光晶格中的超冷原子對(duì)對(duì)超流體到莫特絕緣體的量子相變的模擬研究。
2003年，格雷納赴美國(guó)科羅拉多大學(xué)做博士后研究，2005年獲得哈佛大學(xué)教職，2012年升任正教授。
格雷納在哈佛大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)著世界上最具創(chuàng)新性的量子模擬課題組之一，開創(chuàng)了量子氣體顯微鏡技術(shù)，能夠?qū)饩Ц裰械膯蝹€(gè)原子進(jìn)行成像和控制。這一平臺(tái)已被用于研究量子磁性、強(qiáng)關(guān)聯(lián)費(fèi)米子以及與高溫超導(dǎo)性相關(guān)的模型。
格雷納獲得了眾多榮譽(yù)，包括麥克阿瑟獎(jiǎng)和拉比獎(jiǎng)。
參考資料：
1.Jaksch,D.,Bruder,C.,Cirac,J.I.,Gardiner,C.W.&Zoller,P.Phys.Rev.Lett.81,3108–3111(1998).
2.Greiner,M.,Mandel,O.,Esslinger,T.etal.QuantumphasetransitionfromasuperfluidtoaMottinsulatorinagasofultracoldatoms.Nature415,39–44(2002).https://doi.org/10.1038/415039a
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