摘要：威廉·菲利普斯是量子物理学领域的先驱人物。1970年，他从宾夕法尼亚州朱尼亚塔学院毕业后，在麻省理工学院（MIT）师从丹·克莱普纳攻读博士学位，并在那里测量了水中质子的磁矩。1978年，菲利普斯加入位于马里兰州盖瑟斯堡的国家标准局（现为美国国家标准与技术研究所

威廉·菲利普斯因其在激光冷却方面的贡献而荣获诺贝尔物理学奖，他与玛格丽特·哈里斯谈论了他的科学生涯、纠缠的奇异之处以及量子技术的未来

威廉·菲利普斯对量子理论的着迷。（图片来源：NIST）

威廉·菲利普斯是量子物理学领域的先驱人物。1970年，他从宾夕法尼亚州朱尼亚塔学院毕业后，在麻省理工学院（MIT）师从丹·克莱普纳攻读博士学位，并在那里测量了水中质子的磁矩。1978年，菲利普斯加入位于马里兰州盖瑟斯堡的国家标准局（现为美国国家标准与技术研究所，NIST），至今仍在那里工作。

菲利普斯与朱棣文和克劳德·科恩-坦努吉因在激光冷却方面的贡献共同获得了1997年诺贝尔物理学奖。该技术利用精确调谐的激光束来减慢原子速度，并将其冷却至略高于绝对零度。激光冷却不仅带来了更精确的原子钟，还对玻色-爱因斯坦凝聚态的产生至关重要——玻色-爱因斯坦凝聚态是一种所有组成粒子都处于相同量子态的物质形式。

为纪念国际量子科学技术年，《物理世界》在线编辑玛格丽特·哈里斯在盖瑟斯堡与菲利普斯进行了访谈，探讨了他的物理学生涯和人生。以下是经过编辑的访谈摘录，您可以在《物理世界周刊》播客中收听完整内容。

本科时，我受大学一位教授邀请，参与他正在进行的电子自旋共振研究。我们利用固体样品中非配对自旋的翻转来研究一种特定化合物的结构和行为。与陀螺不同，电子的自旋方向只有两种，这很奇特，也让我着迷。所以，我本科时就参与了这场量子探险。

我在芝加哥郊外的阿贡国家实验室工作了一个学期，与两位来自阿根廷的物理学家一起研究电子自旋共振。后来，我受了丹·克莱普纳——一位杰出的物理学家——的邀请，到麻省理工学院跟随他攻读博士学位。他真的教会了我如何像物理学家一样思考。正是在他的实验室里，我第一次接触到可调谐激光器，这是另一个利用物质量子特性探索原子层面现象的绝佳工具。

1986年左右，威廉·菲利普斯（William Phillips）在实验室里进行激光冷却实验。（图片来源：NIST ）

我就是这样一种对自然界万物着迷的人。但即使在研究生院，我似乎也没能理解纠缠究竟有多么奇特。如果两个粒子以某种特定方式纠缠，你测量其中一个粒子的自旋“向上”，那么另一个粒子的自旋必然会“向下”——即使它们之间没有任何联系。即使是以光速传播的信号也无法从一个粒子传到另一个粒子，告诉它“你最好‘向下’，因为第一个粒子的自旋被测量为‘向上’”。作为一名研究生，我并不明白量子力学是如何让大自然如此奇妙。

从形式上理解纠缠并不难。但要真正理解它却很难，因为它太过奇特，与我们日常经历的事物截然不同。它所违背的——局域实在论——似乎非常合理。但约翰·克劳泽（John Clauser）、随后阿兰·阿斯派克特（Alain Aspect）和安东·泽林格（Anton Zeilinger，两人共同获得2022年诺贝尔物理学奖）进行的实验，基本上证明了纠缠的存在。

叠加态使得我们能够制造出精度惊人的原子钟。1978年我刚到NIST的时候，它还叫国家标准局，当时世界上最好的原子钟就在我们位于科罗拉多州博尔德的实验室里。它的精度达到了10^ 13分之一。

根据爱因斯坦的广义相对论，时钟在引力势能中越深，走得越慢。但影响并不大：博尔德海拔约1.5公里，那里的时钟比海平面时钟快约10的13次方分之一。所以，如果你有两个这样的时钟——一个在海平面，一个在博尔德——你几乎无法分辨出两者之间的差异。现在，至少部分得益于我和我的团队研究的激光冷却和捕获技术，人们可以用现有的时钟分辨出不到1毫米的差异。我对此感到非常惊讶。

我们的实验室一直在孕育着许多可供原子钟制造者借鉴的理念和技术。例如，叶军正在利用重叠激光束组成的所谓光学晶格中的原子来制造原子钟，其精度可达10 ^18分之一——比定义秒的铯钟高出两个数量级。这些新型原子钟可以帮助我们重新定义秒。

我们也在研究量子信息。普通的数字信息是用代表0或1的比特来存储和处理的。但量子比特的美妙之处在于它们可以处于叠加态，也就是既是0又是1。这听起来可能有点糟糕，因为二进制信息的一大优势就是没有不确定性；它要么是这个，要么是那个。但将量子比特置于叠加态意味着你可以用比使用传统设备少得多的运算来解决问题。

例如，1994年，彼得·肖尔（Peter Shor）设计了一种算法，可以以量子力学的方式进行因式分解，速度比普通的经典计算机快得多，或者说运算量少得多。因式分解是一个“难题”，这意味着求解它的运算次数会随着数字的大小呈指数增长。但如果用量子力学的方式进行分解，它就不会呈指数增长——它会变成一个“简单”的问题，这让我感到非常惊讶。改变计算硬件会改变问题的复杂度等级。

Shor 算法之所以重要，是因为公钥加密技术，我们在网上用信用卡购物时都会用到它。一家公司会向你的电脑发送一个很大的整数，这个整数是他们通过将两个较小的数字相乘而生成的。这个数字用于加密你的信用卡号。试图拦截传输的人无法获得任何有用的信息，因为分解这个大数需要几个世纪的时间。但如果一个不法分子拥有一台量子计算机，他们就可以分解这个数字，算出你的信用卡信息，并用它来购买电视机或其他不法分子想要的东西。

目前，我们还没有量子计算机能够做到这一点——它们甚至连简单的问题都做不了，更不用说分解大数了。但如果有人能做到这一点，他们就能解密重要的信息，比如外交或军事机密。幸运的是，量子力学通过所谓的“不可克隆定理”解决了这个问题。这些量子加密形式可以防止窃听者截取、复制和使用信息——这是物理定律所不允许的。

2000 年，威廉·菲利普斯 (William Phillips) 在 Sigma Pi Sigma 大会的一次演讲中表演演示，分享兴奋之情。（图片来源：AIP Emilio Segrè 视觉档案）

我的观点是，现在就确定某个特定平台还为时过早。最终的量子计算机很可能是一个混合设备，计算在一个平台上完成，存储在另一个平台上完成。超导量子计算机速度很快，但不能长时间存储信息；而原子和离子可以长时间存储信息——它们坚固耐用，与环境隔离，但计算速度较慢。因此，你可以在量子计算机的不同部分利用不同平台的最佳特性。

但我知道什么呢？我们距离拥有能够比传统设备更快解决有趣问题的量子计算机还有很长的路要走。当然，你可能听过有人说他们用量子计算机解决了传统设备需要千万亿年才能解决的问题。但他们很可能选择了一个对量子计算机来说很容易、对传统计算机来说很难的问题——而且很可能是一个没人关心的问题。

人们肯定会从因式分解和量子化学研究中赚钱。了解分子的行为方式可能会对我们的生活产生巨大的影响。但这一切尚未发生，我们可能还很遥远。事实上，我和我的同事卡尔·威廉姆斯打赌，他说到2045年，我们将拥有一台量子计算机，它能够分解当时经典计算机无法分解的数字。我的观点是，我们做不到。我预计到那时我们都会灭亡。但我希望这个赌注能鼓励人们解决使量子计算机能够实现的难题，比如纠错。我们还会出资设立奖学金或奖项。

我想要的是一台能够解决诸如磁性等问题的量子计算机。假设你有一个一维原子链，其自旋可以向上或向下。量子磁性是一个难题，因为n个自旋就有2 n 种可能的状态，而计算一个包含几十个以上自旋的原子链的整体磁性对于一台强力的经典计算机来说是不可能的。但量子计算机可以做到这一点。

有些量子计算机已经拥有大量的量子比特，但你无法从它们那里得到可靠的答案。为此，你必须通过将物理量子比特组装成所谓的逻辑量子比特来进行纠错。它们可以让你确定是否发生了错误并进行修复，而这正是人们刚刚开始做的事情。这现在真是太令人兴奋了。

两个主要挑战是：我们能将多少个逻辑量子比特相互纠缠；以及它们能维持多久的相干性。我常说，我们需要一个“永恒”的量子比特，一个不会被环境摧毁，并且能够持续足够长的时间来完成有趣的计算的量子比特。这将决定你是否真的拥有一台性能强大的量子计算机。

大约在1988年，我们还在实验室里忙活，想看看激光冷却是否真的像预想的那样有效。最初的迹象表明：一切正常。但后来我们发现，激光冷却原子的温度比当时所有人基于理论得出的结论要低。这被称为亚多普勒激光冷却，纯属偶然发现；我们并没有刻意去探究它。

人们兴奋不已，我们在巴黎高等师范学院的朋友们也对正在发生的事情做出了解释。当时在斯坦福大学任职的史蒂夫·朱棣文也在努力理解背后的理论，这确实在很大程度上改变了事情。事实上，今天所有激光冷却铯原子钟都利用了这一特性，即温度低于最初的激光冷却理论。

今年早些时候，量子科学与技术领军人物威廉·菲利普斯在巴黎联合国教科文组织总部举行的国际量子科学与技术年（IYQ 2025）开幕式上发表讲话。（© 联合国教科文组织/Marie Etchegoyen。经许可使用。）

另一件尤为重要的事是玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一个令人惊叹的过程，其发生源于一种纯粹的量子力学特性，这种特性使得同类原子从根本上无法区分。这可以追溯到萨蒂延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）的研究，他在100年前提出了光子无法区分的观点，因此光子的统计力学与玻尔兹曼或麦克斯韦的通常统计力学不同。

玻色-爱因斯坦凝聚态，即几乎所有原子都处于同一量子态，其形成得益于我们发现温度可以低得多。为了达到这种状态，必须将原子冷却到非常低的温度——如果原子一开始就更冷，就会更有帮助。

我们还偶然发现了光学晶格。1968年，一位名叫弗拉基连·莱托霍夫的俄罗斯物理学家提出了将原子囚禁在光驻波中的想法。这比激光冷却技术的出现早了十年，激光冷却技术也使这种想法成为可能。但这仍然是一个伟大的想法，因为原子被囚禁在非常短的距离内，以至于一种名为“迪克窄化”的现象可以消除多普勒频移。

每个人都知道这种可能性，但我们并没有刻意去探究。我们当时试图测量激光冷却装置中原子的温度，我们想到的办法是观察散射光的多普勒频移。光入射后，如果碰到运动的原子，就会产生多普勒频移，我们可以测量这个多普勒频移，从而观察速度分布。

于是我们照做了，结果速度分布让我们大吃一惊。太奇怪了。它不是平滑的，而是在中间出现了一个很大的尖峰。我们不知道那是什么。我们一度以为我们可能意外地制造出了玻色-爱因斯坦凝聚态，但后来我们意识到，不是的，我们把原子困在了光学晶格里，所以多普勒频移消失了。

它并不像亚多普勒激光冷却那样令人震惊，因为它是意料之中的，但它确实很有趣，现在它被用于许多应用，包括下一代原子钟。

在我们实验室里，偶然发现新事物是一个反复出现的主题。事实上，我认为让人们了解科学研究的方式非常重要。很多时候，科学研究的开展并非因为人们为了某个特定的目标而努力，而是因为他们在闲逛时发现了一些意想不到的东西。如果我们所有的科学活动都围绕着特定的目标，我们就会错过很多真正重要的、能够帮助我们实现这些目标的东西。如果没有这种由好奇心驱动的研究，我们就无法达到目标。

量子力学是20世纪物理学最重要的发现。波粒二象性，很多人会说它是量子力学的“普通”部分，却引发了一场技术革命，彻底改变了我们的日常生活。我们随身携带的手机，如果没有量子力学，根本不会存在。所以对我来说，量子力学就是波是粒子，粒子是波的这种思想。

来源：人工智能学家