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【特别报导】2012诺贝尔奖预测(一)物理奖




今年汤森路透社(Thomson Reuters)选出在医药、物理、化学和经济领域有可能获得诺贝尔奖候选人,这些『汤森路透引文桂冠』(Thomson Reuters Citation Laureates)得主,在各自研究领域中以被大量引用的文献证明他们的在科学上的成就是『诺贝尔级』。

2012年汤森路透引文桂冠在物理部门的三个研究分别是:慢光(Slow Light)、多孔硅中的光致发光(Photoluminescence in Porous Silicon)和量子隐形传输(Quantum Teleportation)。

(一)、慢光(Slow Light)
研究者:
Stephen E. Harris – 史丹福大学电气工程教授和应用物理学名誉教授
Lene V. Hau – 哈佛大学工程与应用科学学院物理学和应用物理学教授

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Stephen E. Harris(左)、Lene V. Hau(右)

现在广为人知物质的光学特性是可以被明显的改变,例如不透明体可在吸收谱线中狭窄的波长範围内成为透明,利用一道激光控制束或泵在气体的吸收区域中清出一道原子窗口,而第二道光束可以不受阻碍的通过。电磁波引发透明(EIT)需要将钠原子冷却到接近绝对零度,而造成玻色-爱因斯坦凝聚使其行为如单一原子。 在他们1999年的报告主题“在超冷气中光速减慢到每秒17公尺“,Hau与Harris描述他们如何用电磁波引发透明(EIT)将光脉冲减慢到与脚踏车速度相同。 之后在2001年Harris与她在哈佛的团队将镭射光束在一千分之一秒里停止在困在电磁场中的钠原子超冷气团中。在她的家乡丹麦,Hau侯备受尊敬。她在她取得物理系学士硕士和博士学位的奥胡斯大学、哥本哈根大学、丹麦物理学会和丹麦皇家学会赢得各项奖项。斯蒂芬已在激光科学的研究中得到了美国光学学会和美国物理学会的重要奖项。美国光学学会在1999年给予他“Slow Light”的研究该学会最高的奖项弗雷德里克•艾夫斯奖章。

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图一、慢光的机制。 (from http://www.physics.usyd.edu.au/about/news_items/news_item13.shtml)

Hau与Harris 因电磁波引发透明实验示範与慢光“Slow Light” 有可能获得诺贝尔奖。

(二)多孔硅中的光致发光(Photoluminescence in Porous Silicon)
研究者:
Leigh T. Canham – pSiMedica公司首席科学官与英国伯明翰大学物理和天文学荣誉教授

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Leigh T. Canham

多孔硅(porous silicon)是于1956年由Arthur Uhlic在贝尔实验室被偶然发现,他当时试图製造在微电子使用的硅晶片,实验中他发现在填充孔中的这种纳米晶硅的形态。然而这不适合他的追求高度抛光硅片,因此材料被人遗忘直到20世纪80年代后期,Canham发现由硅製成的硅量子线可能会造成量子限制效应。在他的短文在“应用物理快报” “Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers,”多孔硅的高效可见光生产示範的发表令固态物理学家惊讶。这篇文章最常引用于多孔硅主题,目前已被超过6100论文引用。因为对于多孔硅的研究集中于光致发光和电致发光这两个材料的观察与解释和潜在的光电应用。1997年的他们在应用物理杂誌的综述文章题为“The structural and luminescence of porous silicon”,Canham与他的同事A.G.Cullis和P.D.J. Calcott指出了三个有趣的事实。体硅是根本无法发光,但多孔性使它的发光。其次,容易使纳米结构体在几分钟之内发光。第三,硅是最重要的技术元素,在微电子技术的主导地位。这个论文有引用超过1600参考文献。大量的参考文献可以指出发现高效率的发光多孔硅的重要性,因为这些文献代表着大量的研究一直致力于这个有潜力的材料。

Canham因多孔硅中的光致发光有可能获得诺贝尔奖。

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图二、左图为多孔硅奈米粒子的光致发光,右图为多孔硅奈米粒子的电子显微镜影像。(from National Science Foundation)

(三)、量子隐形传输(Quantum Teleportation)
研究者:
Charles H. Bennett– IBM Thomas J. Watson研究中心
Gilles Brassard – 加拿大蒙特利尔大学量子信息处理研究主席
Wulliam K. Wootters – 威廉姆斯学院物理系自然哲学教授

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Charles H. Bennett(左)、Gilles Brassard(中)、Wulliam K. Wootters(右)

之所以3位提名人一起研究因为他们在量子信息基本层面的研究。量子系统的处理信息的方式与在图书馆的传统信息系统、人脑、电脑记忆体完全不同。海森堡的量子系统中的不确定性原理意味着,信息无法複製的完美,任何企图去测量会造成杂音。儘管有这些限制,量子密码术已显示出巨大潜力。在1984年Bennett和Brassard提出一个实用的系统的密码学中的不确定性和量子纠缠的状态可提供了绝对安全的通信。他们的研究中信息传输通过量子力学另Bennett、Brassard 与Wootters发现量子态隐形传输,已一个量子位(量子信息的基本单位)从一个地方传输到另一个没有任何通过间隔空间。但是请注意,量子态隐形传输与科幻小说的物体传送对概念无关。

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图三、典型传真传输(左)与量子隐形传输(右)的比较。 (from http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_project.php?id=2862)

量子态隐形传输的可用性论文由C. H. Bennett、G. Brassard、 C. Crépeau、 R. Jozsa、 A. Peres 与 W.K. Wootters与1993年发表。此论文已被引用超过5300次。该方法使用一个缠结量子信息的传输协议用于通过传统方式。
Bennett在1971年因他的论文电脑模拟分子运动从哈佛大学获得博士学位。隔年被IBM招募,他曾在研究许多物理与信息之间的关係。他帮助发现了数量化理论的的纠缠,并介绍了几个可靠的传统和量子信息传输技术,通过杂音通信,其研究是最近非常活跃的量子信息领域与量子计算理论。

Brassard在1979年在美国康乃尔大学取得的计算机科密码学博士学位,之后一直在加拿大蒙特利尔大学工作。他与Bennett在波多黎各胡安海泳已陌生人的身份认识的,当时Bennett游了过来描述一个计划通过利用量子力学的钞票。国家科学与工程研究理事会赐予Brassard 2006年优秀奖。在NSERC採访他有关这个奖项,Brassard回忆与Bennett沙滩上的会面“可能是最离奇的而且也是我职业生涯中最神奇的时刻。”游泳上岸后,他们一起构思他们在法量子密码学(1984)的合作论文。

Wootters在1980年奥斯汀德州大学获取博士学位。30年前他成为马萨诸塞州的威廉姆斯学院自然哲学Barclay Jermain教授。他的研究一直围绕着理解和量化量子纠缠。他当选为1999年美国物理学会的研究员,因为量子力学和量子信息和通信理论的重大发现与贡献。

Bennett、Brassard、Wootters因已经经过试验证实的开创性描述的量子态隐形传输的协议有可能获得诺贝尔奖。

参考资料:
1.http://sciencewatch.com/nobel/predictions/slow-light
2.http://sciencewatch.com/nobel/predictions/photoluminescence-porous-silicon
3.http://sciencewatch.com/nobel/predictions/quantum-teleportation