2012年诺贝尔物理学奖得主Serge Haroche教授（1944-）
导读：
      “在中国及其他亚洲国家，存在一种类似等级制的传统，要求尊重资历更深的人群，并高度重视他们的想法。我自己现在已经到了暮年，从我的立场出发，似乎不应该抱怨这件事。但我希望，这种对于资历的尊重，不应该成为老科学家限制年轻科学家想法的枷锁。”
——Serge Haroche，2012年诺贝尔物理学奖得主
日前，诺贝尔物理学奖得主Serge Haroche教授接受Advanced Photonics编委、中国科学技术大学讲席教授陆朝阳的专访，回顾了最初如何走上科研之路、逐步获得突破的探索过程以及和合作伙伴之间的故事。
Serge Haroche教授是量子光学和量子信息学领域的先驱，对量子光学中的量子电动力学研究有重要贡献，在实验量子力学领域享有盛名，被誉为“腔量子电动力学的实验奠基人”，2012年他因“开发能够测量和操纵单个量子系统的开创性实验方法”和美国物理学家大卫·温兰德（David J. Wineland）共同获得诺贝尔物理学奖。
有趣的是，Haroche教授是名副其实的“诺三代”：他的导师克洛德·科恩-塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji)和导师的导师阿尔弗雷德·卡斯特勒（Alfred Kastler）分别在1997年和1966年获得诺贝尔物理学奖。
作为一名“诺三代”，Haroche教授对于读书和工作过的巴黎高等师范学院(École Normale Superieure)优秀的科学和人文研究充满自豪。他认为，这是一个充盈着浓厚学术氛围的奇妙之地，教授们极富个人魅力和学术热情，充分信任年轻学生，并给予他们发展创造力和想象力所需的一切自由环境。
而放眼整个法国和整个欧洲，Haroche教授指出，法国科学传统中重要的一点，是科学是在艺术、人文、哲学以及文学的背景下蓬勃发展起来的，而伟大的科学家往往都会受到哲学家、作家以及艺术家思想的影响。
“我认为，想要攀登科学的顶峰，首先必须要在一个艺术或人文领域研究同样发达的环境中工作，这需要极大的科学自由。”
当被问及中法科研文化的异同，Haroche教授认为，在中国及其他亚洲国家，对于资历更深的人群更加尊重，但这不应该成为老科学家限制年轻科学家想法的枷锁。他建议，中国在信任年轻人，给予年轻人更多学术自由的路上，步伐可以更快一些。
以下为访谈的上半部分。《赛先生》获
Advanced Photonics
授权转载。

陆朝阳（左）对话Serge Haroche（右）
陆朝阳：Serge Haroche教授您好，很高兴又一次见到您！您和David Wineland教授共同获得了2012年诺贝尔物理学奖，能否向大家简要介绍您的工作？此外，您是否可以聊聊当初为什么会对这个方向感兴趣，并且选择从事该领域的研究工作？
Serge Haroche：也许我应该从后一个问题开始回答。20世纪60年代，当我还是巴黎高等师范学院（ENS）的学生时，我便对原子物理学产生了浓厚兴趣。Alfred Kastler、Jean Brossel和Claude Cohen Tannoudji是我学术生涯的领路人，他们都是杰出的物理学家，同时也是极具个人魅力的老师。他们的教导带领我正式走进了原子物理学的大门。
原子物理学是一个利用光来研究原子性质的领域，原子的世界之所以引人入胜，是因为它遵循了一些反直觉的量子物理学规则。我最早使用经典的光谱灯做实验，但很快光谱灯便被新生的激光器所取代，激光具备的单色及高强度特性提供了有效操纵原子的新方法。在职业生涯初期，我研究的是大量原子（大概有数十亿个）分布在玻璃腔内的场景；当时，我对每一个原子都遵循量子定律感到好奇，但因为研究对象是大量的原子，这些奇怪的量子特征便被统计效应所掩盖。自20世纪70年代起，我便开始转换目标，尝试减少原子的数量。当时我的想法是：当研究系统中仅有单个原子时，量子物理的作用便能够更清晰地显现。
于是我选择在一个具有高反射率镜壁的微腔中进行研究，这个微腔能够长时间（约0.1 s）存储微波光子。我的研究团队花了很长时间才建造出这样一个空腔，为实现高反射率，我们甚至使用了超导材料；此外，我们还需要准备一些特殊的原子，它们会与空腔中的微波光子发生强相互作用。这种令人感到兴奋的原子名为“里德堡”原子，这种原子的核外电子在距原子核很远的地方绕轨道运动。这种处于激发态的原子可以用激光来制备，它们会对微波场表现出极其敏感的反应。在进行了一系列的研究后，我们得出了这样一个构想：穿过空腔的原子会与一个单光子发生相互作用，这也是能想到的最简单、最根本的光与物质相互作用。
在实验条件齐备后，我们便开始观察在这种简单情况下所发生的现象，我们最早研究量子物理学创始人在一百年前就曾预测过，但一直无法真正观察到的物理现象（因为这些现象被大样本统计效应掩盖了）：对离开空腔的里德堡原子状态的测量会对场的状态产生直接影响，这种现象被称为“量子纠缠”。我们还可以制备出由几个光子组成的不同场态，这些光子同时具有两个不同的相位，而这种情况也使我们联想到那只著名的“薛定谔的猫”：光子会在与原子相互作用后，同时处于“死”和“活”的状态。我们还可以在不破坏光子的情况下看到光子，这一行为被称作“量子非破坏 (QND) 测量”，而这也是以前从未实现的。一般来说，对光子的观测普遍具有破坏性；但在QND实验中，光子并不会湮灭，而是会在原子上留下微妙的印记。【编者注：题目“窥影逐光，轻探量子”即为描述此工作】
当时，我们在好奇心驱使下进行了这些实验，因为我们想知道自己究竟能够在原子和光子的微观世界中走多远，使我们能够在不破坏它的情况下精确操纵这些微观实体。于是从那时起，这便成为了一个被称作“量子信息科学”的研究领域。最开始的时候，我们在毫不知情的情况下做量子信息研究，初衷只是为了探索和挑战未知。薛定谔在1952年曾断言：“我们永远无法用单个电子或原子进行实验”，他还补充到，“如果能做这种实验的话，将会产生不可思议的后果”。于是，当我们开始实验后，一个强大的内在动机便是证明薛定谔是错的。爱因斯坦和薛定谔是非常著名的科学家，他们对现代物理学做出了巨大的贡献，因此，挑战他们的论断或想法本身就是一件值得令人兴奋的事情。
这里我必须补充一点：我的团队并不是世界上唯一一个在操纵单量子领域内工作的团队。其他的研究团队并没有选择在空腔中捕获光子，而是为带电原子开发了“陷阱”，即所谓的“离子阱”。他们观测到了与我们所用系统类似的研究结论，即量子叠加态、量子纠缠及类薛定谔态等。David Wineland教授是位于科罗拉多大学博尔德（Boulder）分校的离子阱物理学研究团队的领导者，也是我的老朋友和同事。我很高兴与他一同分享诺贝尔奖。尽管我们没有使用同一个实验系统，但我们从两个不同的角度探讨了一个相同的问题，不同的是他用光去探测原子，而我用原子去探测光。
陆朝阳：您和您的导师、您导师的导师都获得了诺贝尔奖，您对所在实验室取得的斐然成就有何感想？有没有什么有趣的故事想要与中国的年轻人分享？
Serge Haroche：我科学事业的道路上一直充满了幸运。作为一名年轻的研究生，我很幸运能够加入导师所在的物理实验室，而实验室隶属的ENS曾在很长一段历史时期内完成了极其优秀的科学和人文学科研究，校友中有很多人都曾获得过诺奖。ENS每年招收不到100名学生，但自20世纪初算起，这所学校曾培养出十几位诺贝尔物理学、化学及文学奖获得者（不包括经济学奖）。我毕业的实验室，也就是现在的Kastler-Brossel实验室，一直是一个充盈着浓厚学术氛围的奇妙之地，教授们都是极富个人魅力和学术热情的良师，他们充分信任年轻学生，并给予他们发展创造力和想象力所需的一切自由环境。
在这个实验室中，Kastler和他的学生兼同事Brossel共同发明了光泵浦(optical pumping)方法，该方法旨在利用光场来改变和调控原子的内部状态。实验最初是用较大尺寸的样品，在光强较弱的经典光谱灯的辐照下进行的，这种方法发明之初，激光器还未问世。当20世纪60年代激光器发展趋于成熟之后，光泵浦的技术构想便愈加蓬勃发展。Kastler提出用光操纵原子的实验原理对我之后的研究起到了决定性的启发作用，激光器的发明大大增加了实验的可能性。因此，我很感慨自己当年的双倍运气：能够在这样一个团结奋进的实验室接受科研训练，并且能够在激光这种非凡光源发明之时开启自己的物理生涯。
1966年10月的某天，当我在实验室工作时，突然得知了Kastler教授获得诺贝尔奖的消息，我用相机记录下了那振奋人心的一刻，并常常在报告中展示这一幕，这张照片可以在 Reviews of Modern Physics上我所发表的诺贝尔演讲中找到。那真是美妙的一天，我们唯一的遗憾是Brossel并没有和Kastler一同获奖。事实上，Kastler也多次表示，这个奖项应该与以前的学生和同事分享，而不是自己独享（并不是因为奖项授予人数过多）。Kastler是提出实验方案的人，但Brossel动手完成了实验，他拥有实现光泵的能力和天赋。在我看来，Brossel是一位真正的绅士，因为他从未抱怨没有和Kastler教授一同获得诺贝尔奖，但时至今日，我仍旧不明白诺贝尔委员会为什么不给他颁奖。
图1 Serge教授所摄：Kastler教授获得诺贝尔奖时的合影
从左至右依次为: Franck Laloe¨, Claude Cohen-Tannoudji (Nobel 1997), Alfred Kastler (Nobel 1966), Serge Haroche, Jean Brossel, Alain Omont.（源自Serge Haroche, Nobel Lecture: Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary, Rev. Mod. Phys. 2013, 85, 1083）
陆朝阳：我感觉诺贝尔委员会也正在做出改变，现在他们更倾向于给年轻人颁奖。
Serge Haroche：是的，他们也正在试图纠正一些错误。但不管怎样，这已经是一个令我终生难忘的时刻。我仍然记得第一次与报社记者接触的故事，当时他们蜂拥而至，来到我们的实验室。我记得其中一名记者错误地以为光泵浦与激光是一样的，所以我们试图告诉他们，Kastler并没有发明激光，让他不要过分吹捧Kastler教授所做的工作。
陆朝阳：我听说您在62岁生日当天午夜还出现在实验室里，并和学生们一起首次观察到了单个光子的诞生和湮灭，您能和我们分享一下当时的心情吗？
Serge Haroche：事实上，我们当时一直在试图去实现这样一种实验：腔内只有一个光子，它会在镜壁间来回反弹，并在其中停留足够长的时间，与穿过空腔的原子发生相互作用。我们很自信能够实现这一情景，但在此之前，我们需要一个很好的腔体。事实上，寻找合适的腔体花费了我们很多年的时间。直到2006年夏天我们才找到合适的腔体，并开始热火朝天地筹备实验。
我记得那一天刚好是我的生日。9月11日，我们在家里举行了家庭聚会，而我的博士后Stefan Kuhr仍然在实验室中工作。当晚10点，他打电话给我，告诉我实验所需的一切都已准备妥当。我告诉他“稍等，我马上过来”，然后我便离开了聚会。10分钟后，我到达了实验室，并与我的学生们共同目睹了期待已久的信号：数百个原子一个接一个地穿过空腔，每个原子都在电脑屏幕上留下自己的痕迹，进而证明了腔内仅存在一个光子的事实。突然，光子又意外地消失了，接下来通过腔体的原子都留下了不同的信号。
这种信号变化——量子跳跃（quantum jump），是我们多年以来苦苦追求的痕迹，当时的兴奋感难以用语言描述。我们在实验室中呆了很长一段时间，着迷地观察着腔内光子的诞生和湮灭，当时，我们意识到自己正在完成一项真正具有开创意义的工作。
事实上，当时我刚与Jean-Michel Raimond共同撰写了一本名为《Exploring the Quantum: atoms, cavities and photons》的书籍，在这本书中我们预言了实验中可能会观测到的现象。但可惜的是，这本书在实验完成之前就已经出版，因此它只将光子的无损探测和其他许多效应描述为理论模型，并没有补充进一步的实验验证。从那以后，我一直有一个执念，应当为这本书做进一步的补充，将这些真正的实验描述添加进去。但很遗憾，我们一直没有时间去完成这件事。
陆朝阳：这真是一份最好的生日礼物，也许是您的实验装置一直在等待，直到您生日当天才会发送这些量子跳跃信号。
Serge Haroche：也许吧，但我想补充一点，这不仅是我个人的生日礼物，它更是当晚在场所有人共同努力的结果。这件事上我有着和Kastler类似的感觉，我认为我的两位同事Jean-Michel Raimond和Michel Brune，同样值得与我一同分享诺贝尔奖。顺便提一句，Michel Brune现在也正在上海访问。
陆朝阳：是的，他明天将访问我们在中国科学技术大学上海研究院的实验室。
Serge Haroche：诺贝尔奖所表彰的工作更应该是一项集体成就，我很荣幸能够在职业生涯中遇到许多位聪慧过人、勤奋敬业的学生和博士后。Jean-Michel Raimond和Michel Brune一直陪伴在我身边，我们共同努力工作，确保每一个学生都能够以出色的成果获得博士学位。
陆朝阳：说到合作，这也是我想请教的下一个问题。您有一些学生后来成为了长期合作的同事，例如Jean-Michel Raimond和Michel Brune。我隐隐感觉到法国和美国的科研文化略有不同，例如，在美国通常是单个项目负责人制（principle investigator，以下简略为PI），而法国允许多位教授长期合作，这个模式具体是什么样的？您对此感觉如何呢？
Serge Haroche：你说得对。法国的传统，至少在我们实验室，是这样的：几位教授可以同时负责一个大的项目。事实上，Jean-Michel Raimond是我的第一批学生之一，他很早就在巴黎第六大学找到了教职，但他平时仍在ENS同我一起做研究。10年后，Michel Brune也加入了我的实验室，后来他获得了本校的教职，我们因此能够共同工作。我们俩之间的关系更像是朋友，我们经常分享一些想法，一起培养学生。由于我是实验室行政级别最高的人，所以还肩负着一些管理责任（例如我多年间一直担任ENS物理系主任）。尽管我需要分心去做一些其他的研究活动，但我仍然可以在Michel和Jean-Michel的共同帮助下完成培养学生和博士后的任务。我们能够在友好而高效的合作中产生新的灵感，并调整课题组后续研究的思路。
正如你前面提到的，美国的情况与我们大不相同，因为实验室首席研究员(PI) 往往需要独立工作。不过，据我所知也有例外：美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的David Wineland教授，也曾与和他一样担任长期高级职位的同事共事。NIST并不是一所大学，它本质上是一个研究机构，因此可能与一般的情况不同。在我看来，只要研究人员之间相处融洽，并且能够得到足够的认同感，几名资深科学家一同工作也未尝不是一种极其有效的研究模式。
不幸的是，即使是在当今的法国，这种情况也变得难以维持，PI独自参与一个项目已成为普遍规则。当下的研究大多需要高昂的研究经费，如果不申请资助，就很难开展研究，但资助机构通常希望每个项目只有一个PI，我们现在不得不努力适应这条规则。就当下而言，我们团队内的部分学生和博士后已经展露出过人的才智，我们努力保证他们每个人都有自己独立的项目可做。几年前，我和Jean-Michel Raimond一样，成为了一名名誉教授，实验室目前的PI是Michel Brune。尽管当下的规则如此，但他仍然在一定程度上保持了实验室早期建立时的合作氛围，确保从事不同项目的学生和博士后能够以同事的身份去互动、交流与分享。
陆朝阳：当你们一起合作时，是否也能够更有效地利用各种昂贵的实验资源（例如激光器）？我感觉这是一个很好的并值得推广的模式。
Serge Haroche：是的，我们共享了实验设备，这是合作研究的一大显著优势；当时我们还共同完成了论文的撰写工作，我对那段时间有着难忘的美好回忆。我们彼此毫无保留地交换着意见，并试图以更加准确、易懂的方式去撰写、修改论文，并将其放在理论工作的背景框架下。共同撰写论文是合作型研究中十分重要的一环，它将助力我们走向成功。
陆朝阳：听起来很不错！我认为这是一个很好的模式，值得大力推广。正如您刚才提到的，法国有着非常深厚的科学传统，总共获得了70余项诺贝尔奖。当您与中国的科研人员互动并且亲身到访中国时，您能感到中法科学文化有哪些明显的不同吗？您可否给中国的科研人员，甚至是中国的科研经费资助机构的决策者，提出一些建议？
Serge Haroche：其实我想以目前中国科研的一些好的方面为例，给法国的研究人员一些建议。对于这个问题的前半部分：我认为法国之所以能够获得如此多的诺贝尔奖，是因为这个国家拥有悠久的科学传统，特别是在光学和其他相关的技术领域。包括19世纪，Fresnel、Fizeau和Foucault；20世纪，Fabry、Pérot、Kastler等人，这些都在生动阐释着这一传统。在我获得2012年诺贝尔物理学奖之前，Kastler教授曾于1966年获奖，我的导师Claude Cohen-Tannoudji教授则于1997年获奖。2017年Gerard Mourou获得诺奖，2022年Alain Aspect获得诺奖，2023年Pierre Agostini和Anne L’huillier也获得了诺贝尔奖，而所有这些奖项都与光学有关。值得一提的是，Anne L’huillier是我在ENS研究生班指导过的一名学生，作为老师，我很高兴看到她得到世界最高水准的认可。
我认为，法国科学研究有一个传统是至关重要的：科学是广泛意义上的文化活动的一部分，它在艺术、人文、哲学以及文学的背景下蓬勃发展，并衍生出极富创造力和想象力的学术氛围。在法国乃至整个欧洲，伟大的科学家往往都会受到哲学家、作家以及艺术家思想的影响。ENS的校友就曾在哲学、文学以及经济领域获得诺奖，他们在读书时为ENS带来的充满着自由思想的学术氛围，使得从事物理、化学研究的校友也相继获得诺奖。我认为，想要攀登科学的顶峰，首先必须要在一个艺术或人文领域研究同样发达的环境中工作，这需要极大的科学自由。
既然我们谈论的是诺贝尔奖，那么我们就不应忘记Alfred Nobel创立这个奖项时的初衷与精神，他想奖励的是那些对人类共同利益做出卓越贡献的人，他将科学、文学以及和平放在了同样的奖励标准上。诺贝尔奖的精神是奖励一切形式的创造力，而不仅仅是“硬科学”。中国也应该更多地考虑这一点，大学应当开放更多的人文学科，并鼓励科学家和学者进行跨领域的交流。
此外，还有一个方面值得注意：在中国及其他亚洲国家，存在一种类似等级制的传统，要求尊重资历更深的人群，并高度重视他们的想法。我自己现在已经到了暮年，从我的立场出发，似乎不应该抱怨这件事。但我希望，这种对于资历的尊重，不应该成为老科学家限制年轻科学家想法的枷锁。科学家的创造力会在其年轻时达到最高水平，因此，年轻人应该得到信任，在学术界获得更多的自由。我有一种感觉，中国现在正朝着正确的方向变化，但这种变化的步调，应当更快一些。
如今，当我和法国国内一些制定政策的人交流时，我常常会告诉他们：应该多向中国学习，为科学研究提供更多的资金支持（尤其是量子物理和量子信息等领域）。对一个国家而言，最重要的财富莫过于年轻一代人的智慧和想象力，每个国家都有责任去培养年轻人。通过向值得信赖的年轻人提供经济支持，助力其实现伟大事业以获得财富反馈，进而构成一个良性循环。我认为不仅是中国，对于欧洲和世界上其他国家来说，这一点都至关重要。
最后提一件令我感到担忧的事：地缘政治导致的紧张局势，使得中国和包括法国在内的西方国家科学家之间的交流变得愈发困难。这是非常可惜的，因为科学是一项不分国界的全球性活动，不同工作环境下科学家之间的交流，及其引发的良性竞争都至关重要。科学能解决的问题，以及人类面临的挑战，往往都是全球性的，如果我们无法齐心协力，势必将陷入一个极其困难的境地。
陆朝阳：您说的没错。事实上，我和周围的一些同事也有幸获得了法国学术氛围的熏陶。我所在高校（中国科学技术大学）的第二任校长严济慈，师从Charles Fabry教授，是近代第一位在法国获得博士学位的中国人。从法国回来之后，严老为中国科学界做出了杰出贡献。另外，我们学校有三位教授都是欧洲物理学会以法国光学先驱菲涅耳命名的奖项的获得者。
让我们继续访谈，您作为如今被广泛应用的腔量子电动力学（C-QED）研究领域的先驱，能否向广大读者描述您最早开展研究时该领域的状态，以及预测一下这个领域未来会如何发展？（未完待续，预计将在3月19日发表该专访的下篇）
Serge Haroche简介：
Serge Haroche教授，1944年9月出生于摩洛哥。法国物理学家、法兰西公学院名誉教授、法国科学院院士、欧洲科学院院士、美国国家科学院外籍院士、美国人文与科学院外籍院士、巴西科学院外籍院士。研究方向为量子光学和量子信息学，对量子光学中的量子电动力学研究做出重要贡献，在实验量子力学领域享有盛名，被业内誉为“腔量子电动力学的实验奠基人”。曾获法国物理学会GrandPrix Jean Ricard奖（1983年），爱因斯坦激光科学奖（1988年），洪堡奖（1992年），富兰克林研究所 Michelson奖章（1993年），罗马第一大学Tomassoni奖（2001年），欧洲物理学会量子电子学奖（2002年），国际量子通信、测量和计算大会量子通信奖（2002年），美国光学学会Townes奖（2007年），法国国家科学研究中心（CNRS）金质奖章（2009年），德国物理学会和美国光学学会Herbert Walter奖（2010年），诺贝尔物理学奖（2012年，与David Wineland共享）。
陆朝阳教授简介：
陆朝阳，中国科学技术大学教授、上海量子科学中心副主任、中国光学工程学会理事。长期致力于量子信息和量子计算等交叉领域的研究，在《现代物理评论》《自然》《科学》等期刊杂志发表论文140余篇，连续四年被评为全球“高被引科学家”。多自由度量子隐形传态工作入选英国物理学会Breakthrough of The Year，“九章”系列光量子计算原型机和实数量子力学检验的工作连续入选美国物理学会Highlights of The Year，他的工作还被联合国教科文组织评选为“年度世界十大数字创新技术”。曾获国家自然科学一等奖、何梁何利科学与技术创新奖、《自然》中国科学之星、探索奖、新基石研究员、菲涅耳奖、仁科芳雄亚洲奖、IUPAP-ICO光学青年科学家奖、美国光学学会阿道夫隆奖章、美国物理学会量子计算奖、CLEO 戈登纪念演讲奖和亚洲成就奖等。
英文全文已发表于Advanced Photonics 2024年第1期，欢迎阅读：
Chao-Yang Lu. Light touch in quantum: an interview with Prof. Serge Haroche[J]. Advanced Photonics, 2024, 6(1): 010503.

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