无论是通过粒子隐形传态实现的安全通信，还是超快的计算能力，量子力学——那个令人费解的微观世界——都处于现代物理学的前沿。但如果没有今年诺贝尔物理学奖得主取得的突破，这些未来技术将无法实现，甚至无法进行测试。
塞尔日·哈罗什和大卫·维纳兰德都开发了控制和测量脆弱、短暂的量子态的方法，这曾被认为是不可行的。他们的工作使得对光与物质在最小尺度（常规物理定律失效的尺度）之间关系的真实世界研究成为可能，而不仅仅是理论讨论。量子力学本身的性质使得他们的工作看起来不可能，但事实就是如此。
要理解量子不确定性，可以从薛定谔的猫开始。这只虚构的猫在一个盒子里同时处于两种可能的状态：它既是死的又是活的，在所有场景下对所有人都是一切。但只要你打开盒子，也就是说，一旦你测量了它的状态，猫就只有其中一种状态。你的测量迫使它做出选择，这相当于改变了量子系统。所有量子系统都是如此，它们在被观察之前同时处于所有状态。正如维纳兰德的同事，同为诺贝尔奖得主的美国国家标准与技术研究院的物理学家比尔·菲利普斯所解释的那样，维纳兰德和哈罗什都找到了绕过这个问题的方法。
他们的方法非常相似，但使用了不同的技术：维纳兰德用光（或光子）来捕获和测量离子，而哈罗什则用原子来捕获和测量光子。
维纳兰德首先描述并演示了捕获离子的冷却技术，离子是真空中的带电原子。他通过电场围绕带正电荷的原子来捕获它们。然后，他用激光束照射它们，激光束会对其施加推力，使其减速。（速度越慢意味着温度越低。）“让它们冷却下来对于控制它们非常重要；当它们非常冷的时候，你就可以对它们做一些有趣的事情了，”菲利普斯说。以下是一些例子：
极其精确的时钟
每个时钟都需要一个计数器来向前推进时间，而最好的计数器就是原子本身；如果是一个单独的原子，不被任何其他东西干扰，甚至不被另一个原子干扰，那就更好。美国国家标准与技术研究院专门制造原子钟，维纳兰德的离子阱被用来制造有史以来最精确的时钟。“他制造了一个非常好的时钟——这是有史以来最好的时钟——如果它长时间运行，在30亿年里只会慢一秒或快一秒，”菲利普斯说。“这被称为‘足够精确，足以应付政府工作’，”他笑着补充道。这个极其精确的时钟已被用来测量爱因斯坦的相对论以及引力对时间流逝的影响。
同时处于两个位置
激光也可以用来将离子置于叠加态——就像薛定谔的猫一样，它可以同时处于两种不同的状态。维纳兰德的方法使离子处于两种不同的能级。它最初处于低能态，然后激光脉冲轻轻地推动它，几乎——但不是完全——使其进入更高的能级。这样，它就成了一个介于两个能级之间的杂种，处于能级叠加状态。
“戴夫可能会说它是一只薛定谔的猫，或者一只胚胎猫。但它展示了量子力学有多么奇怪，”菲利普斯说。“这只有在戴夫取得的进步的基础上才成为可能。”
这种能量上的“悬空”状态也可以被研究，同样可以通过激光以可测量的方式散射光子。
就哈罗什而言，他使用微波腔来捕获光子（光的基本粒子）。然后他使用原子来测量它们的状态。光子会引起原子能级的变化，从而提供有关光子的信息。这被称为量子纠缠；光子发生的一切也会发生在原子身上，这使得哈罗什能够在不直接测量光子的情况下研究它们的随时间变化。菲利普斯解释说，如果你试图用任何探测器去观察光子，那是不起作用的。
“当你这样做时，探测器就会吞噬光子，它们就消失了。哈罗什所做的就是将它们放入腔体，确认它们在那里，然后将一个原子送进去。它会感知到光——实际上是微波——以及这些微波的特定强度。基于这个强度，原子就可以开始改变它的量子状态。”
量子逻辑
菲利普斯指出，叠加态的形成也是量子门的基础，而量子门是量子计算机的关键组成部分。维纳兰德的团队是第一个演示了两个量子比特的量子操作。有一天，这可能被用来创造一种摆脱二进制代码束缚的量子计算机。一个量子比特不是“0”或“1”，而是同时是“0”和“1”。两个量子比特可以同时表示四种状态——00、01、10、11——以此类推，直到一台拥有300个量子比特的计算机，它能够存储的状态比宇宙中所有原子的总和还要多。
哈罗什还可以构建一个初始状态未知的量子系统。这对于量子计算机和密码学来说至关重要。你可以从一个不确定数量的光子开始，进行一系列测量，有意地改变系统，缩小你可能猜测存在的光子范围。通过二次测量，也许使用不同速度的原子，可以提供进一步的洞察，告诉你它们有多少以及它们在做什么。“通过测量，你迫使它做出选择，选择它所拥有的不同可能性中的哪一种，”菲利普斯说。“你迫使大自然在它固有的各种可能性中做出选择。”
美国物理研究所出版部副总裁约翰·海恩斯 (John Haynes) 表示，哈罗什和维纳兰德进行了现代物理学中最具影响力的研究。“量子力学曾经只是一种理论和哲学，但通过他们的工作以及其他人的持续研究，我们现在正在测试、操纵和构建这些科学原理，”他说。
