量子模拟三先驱获2025墨子量子奖

2025年度“墨子量子奖”（The Micius Quantum Prize 2025）获得者：伊曼纽尔·布洛赫（Immanuel Bloch，马克斯·普朗克量子光学研究所/慕尼黑大学）、蒂尔曼·埃斯林格（Tilman Esslinger，苏黎世联邦理工学院）和 马库斯·格雷纳（Markus Greiner，哈佛大学）。

撰文 | 陈晓雪瞿立建李珊珊

8月1日晚，2025年度“墨子量子奖”（The Micius Quantum Prize 2025）宣布授予量子模拟领域的三位先驱科学家——伊曼纽尔·布洛赫（Immanuel Bloch，马克斯·普朗克量子光学研究所/慕尼黑大学）、蒂尔曼·埃斯林格（Tilman Esslinger，苏黎世联邦理工学院）和 马库斯·格雷纳（Markus Greiner，哈佛大学），以表彰他们“基于光晶格中的超冷原子开创性地实现了玻色子与费米子哈伯德模型作为强相互作用多体系统的量子模拟器，为全面研究量子物相、输运以及拓扑现象作出的杰出贡献”。

量子模拟的理念最早由著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）于1982年提出。他认为，经典计算机无法有效模拟复杂的量子系统，因此可以通过构建人工量子系统来模拟这些现象，为研究量子材料和行为提供强大的工具。这一设想不仅影响了基础物理的研究，还为材料科学、量子化学等领域开辟了新的应用空间。

早在1998年，奥地利因斯布鲁克大学的Peter Zoller等人就提出了通过光学晶格实现玻色子哈伯德模型的概念。他们认为，超冷玻色子原子在光学晶格中的行为可以用玻色子哈伯德模型来描述，并通过激光和磁场等手段控制其物理属性[1]。

到了2000年，布洛赫、埃斯林格与格雷纳等科学家在慕尼黑的实验室开展了一项开创性实验，他们成功将超冷玻色子气体制备成玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），并将其放入三维光晶格中，首次实现了从超流体到莫特绝缘体的量子相变实验。2002年年初，《自然》刊登了这一里程碑式的研究论文[2]。

玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）是由爱因斯坦和玻色(Satyendra Nath Bose)基于量子统计理论预言的一种状态，1995年首次由科罗拉多大学的物理学家Eric Cornell和Carl Wieman在实验上成功制备，当年晚些时候麻省理工学院物理学家Wolfgang Ketterle也利用钠原子实现BEC。BEC表现出超流性行为，即能够无摩擦地流动。光晶格则是通过干涉激光束形成的周期性微观陷阱，能够控制超冷原子的运动。而在莫特绝缘体状态下，超冷原子无法自由流动，表现为绝缘性。

2025年墨子量子奖的国际评审之一、量子模拟领域的理论先驱Peter Zoller表示，这个实验不仅突破了量子物理学的基础科学研究，还为量子技术的发展做出了重要贡献。它通过精细调控光晶格中的超冷原子，实现了从超流体到莫特绝缘体的量子相变。这个过程模拟了强关联材料中的重要现象，而经典计算往往无法描述这样的复杂系统，“开创了一个新的量子模拟时代”。

值得一提的是，三位获奖人师出同门，均是著名激光物理学家、2005年诺贝尔物理学奖得主特奥多尔·亨施（Theodor Hänsch）的学生。此项工作正是在亨施的指导下合作完成的。

三位获奖人中最为年轻的马库斯·格雷纳在做这项研究时，还是博士生。他在获奖感言中表示：“能够与蒂尔曼、伊曼纽尔一起获得这个奖项真是太好了，我们曾在实验室度过了许多美好的时光。我记得我们一起工作到深夜，当实验最终开始显现出成果时，那一刻真是令人激动。”

尽管三人因为量子模拟的开创性实验而获奖，但他们的研究方向最初并不完全是为了量子模拟而展开。

“事情的发展有时候就是这样，并不总是按计划进行。”格雷纳说。他们的目标一开始是构建一个连续的原子激光系统，后来才发现可以通过“冻结”原子来构建光学晶格，这为量子模拟开辟了新的可能性。

最激动人心的时刻，当然是他们意识到超流体的玻色-爱因斯坦凝聚体转变为莫特绝缘体时。

“我仍然记得看到屏幕上的图像，看到的是这些物质波的干涉峰在相机上呈现出来，这些原子就像物质波一样，它们发生干涉，形成干涉图案。突然，这个图案消失了。起初你会想，是不是温度升高了？这个状态被破坏了吗？但慢慢地我们意识到，不，这就是莫特绝缘体，我们已经实现了一个量子相变，进入了莫特绝缘态。是的，那真是一个激动人心的时刻。”格雷纳向《知识分子》和《赛先生》回忆道。

埃斯林格也记得，当他们完成莫特绝缘体的相变时，大家都非常震惊。他们甚至还尝试摧毁莫特绝缘体，但发现这非常困难。“这当然是由于能量间隙的原因。但最后，借助磁场梯度，这个问题终于解决了。”

实验结果出来后，迅速获得极大的关注。“作为研究生，我的室友们看到我出现在晚间新闻时非常惊讶，没想到我们的实验已经受到了这么大的关注。”格雷纳笑道。“这真的是一次令人惊叹的经历，蒂尔曼让我学到了很多关于如何构建实验的知识，而伊曼纽尔则带来了惊人的远见和驱动力。这一组合真的很特别，我非常幸运，正好在对的时间，处在正确的地方。”

2002年3月刊的《今日物理》以封面的形式报道了这一开创性研究。图源：Physics Today

埃斯林格也表示，在慕尼黑时，那是一段非常愉快的时光。“真的非常感谢特奥多尔·亨施，他让我们可以自由地按照自己的想法去做实验，基本上是做我们认为最合适、最可行的事情。那时候，我们在激光技术上有一些很强的优势，这使得我们能做很多复杂的实验，这也是我们能成功的一个关键。”

这一里程碑的实验才刚刚开始时，马库斯·格雷纳正在慕尼黑大学跟随亨施攻读博士学位，刚刚拿到博士学位的伊曼纽尔·布洛赫在慕尼黑大学和马普学会量子光学研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）担任高级科学家，蒂尔曼·埃斯林格则在慕尼黑大学担任课题组负责人。

后来，三人先后建立自己的独立实验室，他们将超冷原子平台不断扩展，涵盖玻色子、费米子等，研究的问题也扩展至高温超导、拓扑量子物质等，甚至分子量子化学。正如Peter Zoller总结：“伊曼纽尔·布洛赫、蒂尔曼·埃斯林格和马库斯·格雷纳的贡献将量子模拟从概念推向了现实，确立了超冷原子作为探索量子多体物理中最深刻且最具挑战性问题的通用平台。

此次奖项的每位获奖者将获得税后100万元人民币（税前125万元人民币）奖金，并获颁金质纪念奖牌。他们还将参加9月在合肥举行的第三届新兴量子技术国际会议。

光晶格是激光束干涉形成的空间周期性强度分布，可类比为晶体。图中黄色曲面为二维光晶格，蓝色球表示被捕获的原子。通过调整原子与光的相互作用，可以让原子如水一样平滑流动，也可以让原子像鸡蛋居于蛋盒中一样，即实现超流态与模特绝缘体转变。图源：wikicommons

伊曼纽尔·布洛赫

伊曼纽尔·布洛赫（Immanuel Bloch，1972年11月16—）。图源：LMU

伊曼纽尔·布洛赫（Immanuel Bloch，1972年11月16—），1995年本科毕业于德国波恩大学，2000在慕尼黑大学获得博士学位，2003年开始在美因茨大学担任教授，2009年回母校慕尼黑大学任教授，同时任职于马普学会量子光学研究所（Max Planck Institute of Quantum Optics）。

布洛赫以其在量子光学、量子信息处理和凝聚态物理学交叉领域的研究而闻名，他的工作促成了一个全新跨学科领域的诞生——超冷原子光晶格量子模拟。这一高度可控的实验系统使得实现新的量子态成为可能，并能够利用新的实验方法在微观层面研究基本量子现象。

实现基于光晶格中的超冷原子的量子模拟器的开创性工作后，布洛赫继续推动量子物理学的边界，在量子噪声关联观测、单原子成像等成就使其获得了崇高的声誉，获得了诸多奖项，如2011年欧洲物理学会 量子电子学和光学基础科学奖、2013年科伯欧洲科学奖（Körber European Science Prize）、2015年哈维奖（Harvey Prize）和2024年斯特恩-格拉赫奖（Stern–Gerlach Medal）。

蒂尔曼·埃斯林

蒂尔曼·埃斯林格（Tilman Esslinger，1965年7月25日—）。图源：wikicommons

埃斯林格分别于1991年和1995年在慕尼黑大学获得物理学学士学位、博士学位，之后留校工作，从2001年开始在瑞士苏黎世联邦理工学院担任教授。

蒂尔曼·埃斯林格首次在超冷原子光晶格中实现费米子哈伯德模型，为研究强关联多体系统提供了高度可控的量子模拟平台。他开发了先进的原位成像和动力学测量技术，直接观测到量子相变、输运行为等重要现象。

马库斯·格雷纳

马库斯·格雷纳（Markus Greiner，1973年8月20日——）。图源：Harvard

1994年至2003年在德国慕尼黑大学学习，其中在2000年获得物理系Diplom（相当于硕士），2003年获得博士学位。格雷纳在博士研究期间实现了光晶格中的超冷原子对对超流体到莫特绝缘体的量子相变的模拟研究。

2003年，格雷纳赴美国科罗拉多大学做博士后研究，2005年获得哈佛大学教职，2012年升任正教授。

格雷纳在哈佛大学领导着世界上最具创新性的量子模拟课题组之一，开创了量子气体显微镜技术，能够对光晶格中的单个原子进行成像和控制。这一平台已被用于研究量子磁性、强关联费米子以及与高温超导性相关的模型。

格雷纳获得了众多荣誉，包括麦克阿瑟奖和拉比奖。

参考资料：

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