【特別報導】2012諾貝爾獎預測（一）物理獎

【特別報導】2012諾貝爾獎預測（一）物理獎
陳映任編譯

今年湯森路透社（Thomson Reuters）選出在醫藥、物理、化學和經濟領域有可能獲得諾貝爾獎候選人，這些『湯森路透引文桂冠』（Thomson Reuters Citation Laureates）得主，在各自研究領域中以被大量引用的文獻證明他們的在科學上的成就是『諾貝爾級』。

2012年湯森路透引文桂冠在物理部門的三個研究分別是：慢光（Slow Light）、多孔矽中的光致發光（Photoluminescence in Porous Silicon）和量子隱形傳輸（Quantum Teleportation）。

（一）、慢光（Slow Light）
研究者：
Stephen E. Harris – 史丹福大學電氣工程教授和應用物理學名譽教授
Lene V. Hau – 哈佛大學工程與應用科學學院物理學和應用物理學教授

Stephen E. Harris(左)、Lene V. Hau(右)

現在廣為人知物質的光學特性是可以被明顯的改變，例如不透明體可在吸收譜線中狹窄的波長範圍內成為透明，利用一道激光控制束或泵在氣體的吸收區域中清出一道原子窗口，而第二道光束可以不受阻礙的通過。電磁波引發透明（EIT）需要將鈉原子冷卻到接近絕對零度，而造成玻色-愛因斯坦凝聚使其行為如單一原子。 在他們1999年的報告主題“在超冷氣中光速減慢到每秒17公尺“，Hau與Harris描述他們如何用電磁波引發透明（EIT）將光脈衝減慢到與腳踏車速度相同。 之後在2001年Harris與她在哈佛的團隊將鐳射光束在一千分之一秒裡停止在困在電磁場中的鈉原子超冷氣團中。在她的家鄉丹麥，Hau侯備受尊敬。她在她取得物理系學士碩士和博士學位的奧胡斯大學、哥本哈根大學、丹麥物理學會和丹麥皇家學會贏得各項獎項。斯蒂芬已在激光科學的研究中得到了美國光學學會和美國物理學會的重要獎項。美國光學學會在1999年給予他“Slow Light”的研究該學會最高的獎項弗雷德里克•艾夫斯獎章。

圖一、慢光的機制。 (from http://www.physics.usyd.edu.au/about/news_items/news_item13.shtml)

Hau與Harris 因電磁波引發透明實驗示範與慢光“Slow Light” 有可能獲得諾貝爾獎。

（二）多孔矽中的光致發光（Photoluminescence in Porous Silicon）
研究者：
Leigh T. Canham – pSiMedica公司首席科學官與英國伯明翰大學物理和天文學榮譽教授

Leigh T. Canham

多孔矽（porous silicon）是於1956年由Arthur Uhlic在貝爾實驗室被偶然發現，他當時試圖製造在微電子使用的矽晶片，實驗中他發現在填充孔中的這種納米晶矽的形態。然而這不適合他的追求高度拋光矽片，因此材料被人遺忘直到20世紀80年代後期，Canham發現由矽製成的矽量子線可能會造成量子限制效應。在他的短文在“應用物理快報” “Silicon quantum wire array fabrication by electrochemical and chemical dissolution of wafers,”多孔矽的高效可見光生產示範的發表令固態物理學家驚訝。這篇文章最常引用於多孔矽主題，目前已被超過6100論文引用。因為對於多孔矽的研究集中於光致發光和電致發光這兩個材料的觀察與解釋和潛在的光電應用。1997年的他們在應用物理雜誌的綜述文章題為“The structural and luminescence of porous silicon”，Canham與他的同事A.G.Cullis和P.D.J. Calcott指出了三個有趣的事實。體矽是根本無法發光，但多孔性使它的發光。其次，容易使納米結構體在幾分鐘之內發光。第三，矽是最重要的技術元素，在微電子技術的主導地位。這個論文有引用超過1600參考文獻。大量的參考文獻可以指出發現高效率的發光多孔矽的重要性，因為這些文獻代表著大量的研究一直致力於這個有潛力的材料。

Canham因多孔矽中的光致發光有可能獲得諾貝爾獎。

圖二、左圖為多孔矽奈米粒子的光致發光，右圖為多孔矽奈米粒子的電子顯微鏡影像。(from National Science Foundation)

（三）、量子隱形傳輸（Quantum Teleportation）
研究者：
Charles H. Bennett– IBM Thomas J. Watson研究中心
Gilles Brassard – 加拿大蒙特利爾大學量子信息處理研究主席
Wulliam K. Wootters – 威廉姆斯學院物理系自然哲學教授

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

之所以3位提名人一起研究因為他們在量子信息基本層面的研究。量子系統的處理信息的方式與在圖書館的傳統信息系統、人腦、電腦記憶體完全不同。海森堡的量子系統中的不確定性原理意味著，信息無法複製的完美，任何企圖去測量會造成雜音。儘管有這些限制，量子密碼術已顯示出巨大潛力。在1984年Bennett和Brassard提出一個實用的系統的密碼學中的不確定性和量子糾纏的狀態可提供了絕對安全的通信。他們的研究中信息傳輸通過量子力學另Bennett、Brassard 與Wootters發現量子態隱形傳輸，已一個量子位（量子信息的基本單位）從一個地方傳輸到另一個沒有任何通過間隔空間。但是請注意，量子態隱形傳輸與科幻小說的物體傳送對概念無關。

圖三、典型傳真傳輸（左）與量子隱形傳輸（右）的比較。 (from http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_project.php?id=2862)

量子態隱形傳輸的可用性論文由C. H. Bennett、G. Brassard、 C. Crépeau、 R. Jozsa、 A. Peres 與 W.K. Wootters與1993年發表。此論文已被引用超過5300次。該方法使用一個纏結量子信息的傳輸協議用於通過傳統方式。
Bennett在1971年因他的論文電腦模擬分子運動從哈佛大學獲得博士學位。隔年被IBM招募，他曾在研究許多物理與信息之間的關係。他幫助發現了數量化理論的的糾纏，並介紹了幾個可靠的傳統和量子信息傳輸技術，通過雜音通信，其研究是最近非常活躍的量子信息領域與量子計算理論。

Brassard在1979年在美國康乃爾大學取得的計算機科密碼學博士學位，之後一直在加拿大蒙特利爾大學工作。他與Bennett在波多黎各胡安海泳已陌生人的身份認識的，當時Bennett遊了過來描述一個計劃通過利用量子力學的鈔票。國家科學與工程研究理事會賜予Brassard 2006年優秀獎。在NSERC採訪他有關這個獎項，Brassard回憶與Bennett沙灘上的會面“可能是最離奇的而且也是我職業生涯中最神奇的時刻。”游泳上岸後，他們一起構思他們在法量子密碼學（1984）的合作論文。

Wootters在1980年奧斯汀德州大學獲取博士學位。30年前他成為馬薩諸塞州的威廉姆斯學院自然哲學Barclay Jermain教授。他的研究一直圍繞著理解和量化量子糾纏。他當選為1999年美國物理學會的研究員，因為量子力學和量子信息和通信理論的重大發現與貢獻。

Bennett、Brassard、Wootters因已經經過試驗證實的開創性描述的量子態隱形傳輸的協議有可能獲得諾貝爾獎。

參考資料：
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