2025年度“墨子量子獎”（The Micius Quantum Prize 2025）獲得者：伊曼紐爾·布洛赫（Immanuel Bloch，馬克斯·普朗克量子光學研究所/慕尼黑大學）、蒂爾曼·埃斯林格（Tilman Esslinger，蘇黎世聯(lián)邦理工學院）和 馬庫斯·格雷納（Markus Greiner，哈佛大學）。

撰文 | 陳曉雪瞿立建李珊珊

8月1日晚，2025年度“墨子量子獎”（The Micius Quantum Prize 2025）宣布授予量子模擬領(lǐng)域的三位先驅(qū)科學家——伊曼紐爾·布洛赫（Immanuel Bloch，馬克斯·普朗克量子光學研究所/慕尼黑大學）、蒂爾曼·埃斯林格（Tilman Esslinger，蘇黎世聯(lián)邦理工學院）和 馬庫斯·格雷納（Markus Greiner，哈佛大學），以表彰他們“基于光晶格中的超冷原子開創(chuàng)性地實現(xiàn)了玻色子與費米子哈伯德模型作為強相互作用多體系統(tǒng)的量子模擬器，為全面研究量子物相、輸運以及拓撲現(xiàn)象作出的杰出貢獻”。

量子模擬的理念最早由著名物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）于1982年提出。他認為，經(jīng)典計算機無法有效模擬復雜的量子系統(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大的工具。這一設想不僅影響了基礎物理的研究，還為材料科學、量子化學等領(lǐng)域開辟了新的應用空間。

早在1998年，奧地利因斯布魯克大學的Peter Zoller等人就提出了通過光學晶格實現(xiàn)玻色子哈伯德模型的概念。他們認為，超冷玻色子原子在光學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家在慕尼黑的實驗室開展了一項開創(chuàng)性實驗，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，首次實現(xiàn)了從超流體到莫特絕緣體的量子相變實驗。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(Satyendra Nath Bose)基于量子統(tǒng)計理論預言的一種狀態(tài)，1995年首次由科羅拉多大學的物理學家Eric Cornell和Carl Wieman在實驗上成功制備，當年晚些時候麻省理工學院物理學家Wolfgang Ketterle也利用鈉原子實現(xiàn)BEC。BEC表現(xiàn)出超流性行為，即能夠無摩擦地流動。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動。而在莫特絕緣體狀態(tài)下，超冷原子無法自由流動，表現(xiàn)為絕緣性。

2025年墨子量子獎的國際評審之一、量子模擬領(lǐng)域的理論先驅(qū)Peter Zoller表示，這個實驗不僅突破了量子物理學的基礎科學研究，還為量子技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。它通過精細調(diào)控光晶格中的超冷原子，實現(xiàn)了從超流體到莫特絕緣體的量子相變。這個過程模擬了強關(guān)聯(lián)材料中的重要現(xiàn)象，而經(jīng)典計算往往無法描述這樣的復雜系統(tǒng)，“開創(chuàng)了一個新的量子模擬時代”。

值得一提的是，三位獲獎人師出同門，均是著名激光物理學家、2005年諾貝爾物理學獎得主特奧多爾·亨施（Theodor H?nsch）的學生。此項工作正是在亨施的指導下合作完成的。

三位獲獎人中最為年輕的馬庫斯·格雷納在做這項研究時，還是博士生。他在獲獎感言中表示：“能夠與蒂爾曼、伊曼紐爾一起獲得這個獎項真是太好了，我們曾在實驗室度過了許多美好的時光。我記得我們一起工作到深夜，當實驗最終開始顯現(xiàn)出成果時，那一刻真是令人激動?！?/p>

盡管三人因為量子模擬的開創(chuàng)性實驗而獲獎，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)展有時候就是這樣，并不總是按計劃進行?！备窭准{說。他們的目標一開始是構(gòu)建一個連續(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)建光學晶格，這為量子模擬開辟了新的可能性。

最激動人心的時刻，當然是他們意識到超流體的玻色-愛因斯坦凝聚體轉(zhuǎn)變?yōu)槟亟^緣體時。

“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，這個圖案消失了。起初你會想，是不是溫度升高了？這個狀態(tài)被破壞了嗎？但慢慢地我們意識到，不，這就是莫特絕緣體，我們已經(jīng)實現(xiàn)了一個量子相變，進入了莫特絕緣態(tài)。是的，那真是一個激動人心的時刻?！备窭准{向《知識分子》和《賽先生》回憶道。

埃斯林格也記得，當他們完成莫特絕緣體的相變時，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@當然是由于能量間隙的原因。但最后，借助磁場梯度，這個問題終于解決了?！?/p>

實驗結(jié)果出來后，迅速獲得極大的關(guān)注。“作為研究生，我的室友們看到我出現(xiàn)在晚間新聞時非常驚訝，沒想到我們的實驗已經(jīng)受到了這么大的關(guān)注。”格雷納笑道?！斑@真的是一次令人驚嘆的經(jīng)歷，蒂爾曼讓我學到了很多關(guān)于如何構(gòu)建實驗的知識，而伊曼紐爾則帶來了驚人的遠見和驅(qū)動力。這一組合真的很特別，我非常幸運，正好在對的時間，處在正確的地方?！?/p>

2002年3月刊的《今日物理》以封面的形式報道了這一開創(chuàng)性研究。圖源：Physics Today

埃斯林格也表示，在慕尼黑時，那是一段非常愉快的時光。“真的非常感謝特奧多爾·亨施，他讓我們可以自由地按照自己的想法去做實驗，基本上是做我們認為最合適、最可行的事情。那時候，我們在激光技術(shù)上有一些很強的優(yōu)勢，這使得我們能做很多復雜的實驗，這也是我們能成功的一個關(guān)鍵?！?/p>

這一里程碑的實驗才剛剛開始時，馬庫斯·格雷納正在慕尼黑大學跟隨亨施攻讀博士學位，剛剛拿到博士學位的伊曼紐爾·布洛赫在慕尼黑大學和馬普學會量子光學研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）擔任高級科學家，蒂爾曼·埃斯林格則在慕尼黑大學擔任課題組負責人。

后來，三人先后建立自己的獨立實驗室，他們將超冷原子平臺不斷擴展，涵蓋玻色子、費米子等，研究的問題也擴展至高溫超導、拓撲量子物質(zhì)等，甚至分子量子化學。正如Peter Zoller總結(jié)：“伊曼紐爾·布洛赫、蒂爾曼·埃斯林格和馬庫斯·格雷納的貢獻將量子模擬從概念推向了現(xiàn)實，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。

此次獎項的每位獲獎者將獲得稅后100萬元人民幣（稅前125萬元人民幣）獎金，并獲頒金質(zhì)紀念獎牌。他們還將參加9月在合肥舉行的第三屆新興量子技術(shù)國際會議。

光晶格是激光束干涉形成的空間周期性強度分布，可類比為晶體。圖中黃色曲面為二維光晶格，藍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，也可以讓原子像雞蛋居于蛋盒中一樣，即實現(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（Immanuel Bloch，1972年11月16—）。圖源：LMU

伊曼紐爾·布洛赫（Immanuel Bloch，1972年11月16—），1995年本科畢業(yè)于德國波恩大學，2000在慕尼黑大學獲得博士學位，2003年開始在美因茨大學擔任教授，2009年回母校慕尼黑大學任教授，同時任職于馬普學會量子光學研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）。

布洛赫以其在量子光學、量子信息處理和凝聚態(tài)物理學交叉領(lǐng)域的研究而聞名，他的工作促成了一個全新跨學科領(lǐng)域的誕生——超冷原子光晶格量子模擬。這一高度可控的實驗系統(tǒng)使得實現(xiàn)新的量子態(tài)成為可能，并能夠利用新的實驗方法在微觀層面研究基本量子現(xiàn)象。

實現(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)推動量子物理學的邊界，在量子噪聲關(guān)聯(lián)觀測、單原子成像等成就使其獲得了崇高的聲譽，獲得了諸多獎項，如2011年歐洲物理學會 量子電子學和光學基礎科學獎、2013年科伯歐洲科學獎（K?rber European Science Prize）、2015年哈維獎（Harvey Prize）和2024年斯特恩-格拉赫獎（Stern–Gerlach Medal）。

蒂爾曼·埃斯林

蒂爾曼·埃斯林格（Tilman Esslinger，1965年7月25日—）。圖源：wikicommons

埃斯林格分別于1991年和1995年在慕尼黑大學獲得物理學學士學位、博士學位，之后留校工作，從2001年開始在瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院擔任教授。

蒂爾曼·埃斯林格首次在超冷原子光晶格中實現(xiàn)費米子哈伯德模型，為研究強關(guān)聯(lián)多體系統(tǒng)提供了高度可控的量子模擬平臺。他開發(fā)了先進的原位成像和動力學測量技術(shù)，直接觀測到量子相變、輸運行為等重要現(xiàn)象。

馬庫斯·格雷納

馬庫斯·格雷納（Markus Greiner，1973年8月20日——）。圖源：Harvard

1994年至2003年在德國慕尼黑大學學習，其中在2000年獲得物理系Diplom（相當于碩士），2003年獲得博士學位。格雷納在博士研究期間實現(xiàn)了光晶格中的超冷原子對對超流體到莫特絕緣體的量子相變的模擬研究。

2003年，格雷納赴美國科羅拉多大學做博士后研究，2005年獲得哈佛大學教職，2012年升任正教授。

格雷納在哈佛大學領(lǐng)導著世界上最具創(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€原子進行成像和控制。這一平臺已被用于研究量子磁性、強關(guān)聯(lián)費米子以及與高溫超導性相關(guān)的模型。

格雷納獲得了眾多榮譽，包括麥克阿瑟獎和拉比獎。

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. et al. Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms. Nature 415, 39–44 (2002). https://doi.org/10.1038/415039a