2019年12月，美国国家科学院发布报告《操纵量子系统：对美国原子分子物理学与光学的评估》^[1]，评估了原子分子物理学和光学（AMO）在未来十年的发展机遇。

　　AMO是物理学中的基础学科，研究光和物质及其相互作用，以及在量子水平研究电子、原子、分子和光。AMO为经济发展、国家安全和未来人类事业提供关键技术基础设施作出了重要贡献。过去几十年，AMO为导航和计时、健康和医疗等领域提供了许多改变人类社会的重要科学技术。过去的十年中，AMO科学技术在引力波的发现和随之而来的多信使天体物理学的新时代，以及量子信息和传感技术的爆炸性发展中发挥了关键作用。本报告评估了5个主要科学主题的未来机遇并对美国提出了相应的建议。

　　一、光工具

　　1895年被发现并于1901年获得第一届诺贝尔物理学奖的X射线，激发了量子力学的诞生，拓展了光谱学的研究范围，从而揭示了物质的量子结构以及宇宙的奥秘。1960年首次被实现并引入应用的激光，为科学、工程和社会带来了重大变革。当今的科学家正在学习操纵和利用光的特性，并将激光扩展到X射线领域。过去十年，激光研究的进展催生了精巧的光工具，可用于传递量子信息、基础物理学的精确测试以及制作物质运动的分子电影。

　　1、未来机遇

　　推进了解光特性前沿的发展以及创建新型的光平台，将成为AMO的重要组成部分，从而推动AMO的基础发现和新技术的发展。产生可精确控制特性的光，为探测和控制物质提供了新颖的工具，为基础物理学的独特现象提供了更大的覆盖范围。

　　AMO领域寻求创建并利用各种新光源，以提高用于控制电磁辐射的多种指标：从极紫外（XUV）到X射线域的超短光脉冲，极高强度的激光场，高非经典光，极度相干光。这些光源使研究人员能够进一步发展光谱学的前沿领域，建立包括量子通信和量子计算在内的新网络，并探索在超高场或超短时间尺度的极端条件下发生的现象。同时，以新颖的纳米光子结构或大型干涉仪等形式呈现的光和物质的集成，为制造大型和可移动设备提供了下一个技术前沿。

　　2、报告建议

　　（1）美国联邦政府机构应广泛投资利用超快X射线光源设施的科学领域，同时保持强大的单一首席研究员（PI）资助模式，这包括在依托大学的中型科研设施中建立用户设施。

　　（2）联邦政府应为可实现铸造供应平台等工业平台开发的基础研究和应用研究，以及支持可集成光子学与工程量子物质的跨学科实验室提供资助。

　　二、“少体系统”和“多体系统”的新现象

　　在量子水平上对各种原子和分子的微观控制是AMO的关键基础，由此产生了新的科学理解并创建了新的工具箱。本报告探讨了从几个粒子（少体）到许多粒子（多体）组成的原子和分子系统中由于原子之间的量子相互作用而出现的新现象。

　　1、未来机遇

　　（1）“少体”物理将在确定和检验量子普遍性以及加强“少体”和“多体”量子系统的可控性等方面继续受到关注，发展能够定量预测日益复杂的原子和分子的行为和相互作用的理论工具对这些领域的进一步发展至关重要。

　　（2）超冷分子已经成为非常有前途的研究平台，能够处理各种各样的多体现象和探索基本的反应过程，一些分子已为精密测量科学提供了可行的目标。

　　（3）囚禁离子系统、中性原子、具有长程相互作用的系统（如基于分子和里德堡原子的系统）和离子-中性杂化系统是量子信息处理和量子模拟以及研究化学动力学过程的主要候选系统。

　　（4）原子和分子的量子气体能够可控地探索平衡态和非平衡态的多体物理，产生和操纵适用于量子信息处理和量子计量学的纠缠态，进一步加深人们对热化特性、多体局域化、远离平衡态的稳定量子物质等深层问题的理解。

　　（5）基于AMO的量子模拟器能够在短期内展示出相对于经典计算设备的真正量子优势，而不需要掌握通用数字量子计算机所需的复杂量子门。这些系统可以为凝聚态物理和高能物理提供对复杂模型的独特见解，并导致实用量子算法的开发和测试。

　　2、报告建议

　　（1）AMO科学界应积极追求冷原子和分子的增强控制，联邦机构应该支持其发展，这是量子信息处理、精密测量和多体物理学未来发展的基础工作。

　　（2）美国联邦政府资助机构应启动新的项目来支持与平衡相和非平衡多体系统以及新应用都密切相关的跨学科研究。

　　（3）美国联邦政府资助机构应启动新的项目，包括开发、工程化和部署最先进的可编程量子模拟器平台，并向更广泛的科学家和工程师群体开放这些系统。

　　三、量子信息科学技术的基础

　　AMO提供了最精确可控量子系统之一，成为量子信息处理的基础。未来，AMO将在这一日益活跃的领域中继续发挥核心作用，提供最有希望的方法。量子比特的产生、传输、存储和使用是量子信息系统的组成部分，能为计算、模拟、通信、传感和网络的性能提供超越当前技术限制的巨大希望。

　　1、未来机遇

　　（1）量子信息处理很可能将依赖于多个平台来存储、操作和传输量子信息。一方面，与量子信息科学基础相关的开放性问题仍然需要探索和解决；另一方面，为促进量子技术的发展，现在需要开发一系列基于精确可控和可测量量子系统的新型量子信息处理工具和技术。

　　（2）包括超冷中性原子和分子、囚禁离子和光的量子态在内的AMO系统，对量子信息科学技术各个领域的发展都必不可少。量子光学系统为量子信息的传输和量子保密通信提供了资源。中性原子和囚禁离子平台允许大规模的量子模拟，特别是用于研究材料中的量子效应，并为量子系统的非平衡动力学提供前所未有的实验途径。AMO系统中量子相干态的高水平控制在传感和精密测量中有着直接的应用。

　　（3）未来十年，在AMO领域发展起来的实验和理论方法将使研究人员能够开始实施和测试用于各种科学应用的新型量子算法，探索用于量子纠错和容错的实用方法，从而实现和测试量子网络，并应用于远程量子通信和非局域量子传感。此外，可控量子系统已经用于部分世界上最精确的原子钟中，也已用于磁性传感器中并获得了前所未有的灵敏度和空间分辨率。

　　（4）在AMO、量子信息科学、器件工程、凝聚态物理和高能物理的交叉领域，出现了令人兴奋的新科学机遇，这一新的交叉领域目前被称为“量子信息科学和工程”。例如，利用量子相干和纠缠进行精确测量的进展，可能会实现对宇宙的基本对称性进行前所未有的测试，以及形成探索暗物质和暗能量的新策略。量子模拟器和量子计算机可以为研究强关联多体系统的行为以及强耦合量子场理论提供新的见解。粒子物理学和量子场论的概念可能会为量子计算机带来新的应用，为量子系统抗噪提供更加鲁棒的新方法。

　　2、报告建议

　　（1）为支持“国家量子计划”，美国联邦政府资助机构应广泛支持量子信息科学的基础研究。

　　（2）学术界和产业界应共同努力来实现、支持和整合前沿基础研究，并通过集中攻关最先进量子信息科学平台来实施。

　　（3）能源部（DOE）和其他联邦机构应鼓励学术界、国家实验室和产业界在量子信息科学领域开展中等规模的合作。

　　（4）国防部（DOD）应继续支持新技术的研发和已开发技术的应用。参与“国家量子计划”的资助机构在制定其在该计划下的项目时，应相互合作并与国防部合作。能源部及其实验室应与领先的学术机构和其他资助机构开展强有力的合作，以充分发挥量子信息科学的潜力。

　　四、在时域和频域利用量子动力学

　　AMO的基本目标之一是利用超短光脉冲或粒子拍摄一系列遵循动力学的“快照”，制作电子、原子和分子如何实时相互作用的分子电影，以使人们能够理解并随后控制不同的过程。在超快的时间尺度上，分子电影可以从最快的电子动力学中分辨出化学转化和生物转化，为基本原理研究和生化应用开发提供了希望。此外，控制分子和固体中的相干、亚飞秒电子动力学可以揭示和改变重要的材料特性，同时对信息处理技术也有重要的启示。对这些动力学的研究有助于实现能产生飞秒和亚飞秒脉冲的前沿光源。

　　1、未来机遇

　　新颖的光和物质工具为观察和理解系统在巨大的时间尺度和能量范围内的演化提供了前所未有的清晰度，从而为控制物质创造新机会。在不同的时间尺度上研究量子系统的动力学和变换，为创造、操纵和理解量子物质提供了难得的机会。

　　（1）利用相干电子动力学：阿秒技术能够测量和控制原子、分子和凝聚相系统中的电子动力学。其中，光波电子学的概念特别令人兴奋，半导体中的电流可以通过强激光脉冲产生的电场来控制，有可能影响电子设备的速度。此外，X射线自由电子激光（XFELs）即将可以在软X射线和硬X射线波段提供强阿秒脉冲，阿秒电子动力学的空间和时间分辨率将显著提高。

　　（2）制作从电子动力学到结构动力学的分子电影：目标是跟踪和控制从电子激发到结构变化和化学变化的能量流，其范围从亚飞秒到纳秒，从而解开电子、原子核和自旋之间强相关性的奥秘，有助于了解能量转移的基本问题、解析光收集和光保护等生物过程以及研发新的分子装置。尤其是超快X射线源、光谱学和衍射方法的最新进展，如升级后的直线加速器相干光源（LCLS-II）、相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）等非线性光谱学、光泵和X射线探针等，将使制作以单个分子为切入点的分子电影成为可能。

　　（3）复杂的反应动力学和碰撞物理学：需要改进理论和实验技术以预测反应速率并阐明日益复杂的原子、分子、离子和光子系统的复杂反应动力学，加深对化学转化过程和等离子体环境的理解。光学频率梳将从可见光和中红外波段发展到极紫外波段，对精密计量和超快科学带来革命性的影响。

　　（4）具有极端光源的极端物理学：红外/光学和X射线领域中具有极端强度的光源将允许对极端条件下的物质进行空前的研究，并具有广泛的应用潜力。目前激光的强度无法达到施温格（Schwinger）极限（1029瓦/平方厘米），但通过拍瓦级激光束与超相对论电子的碰撞，可能在未来十年内达到。

　　2、报告建议

　　（1）与“光工具”主题的共同建议，即联邦政府机构应广泛投资利用超快X射线光源设施的科学领域，同时保持强大的单一首席研究员资助模式，这包括在依托大学的中型科研设施中建立用户设施。

　　（2）国家实验室和国家航空航天局（NASA）应确保在其研究组合中继续使用碰撞物理学和光谱学专业知识。

　　五、宇宙的前沿和基本性质

　　基于AMO的技术正被用于解决著名的科学难题，包括基本对称性的研究、对物理假设的测试、暗物质探测、引力波探测等。AMO的主要科学主题是设计新的量子系统为搜寻新物理学提供下一代测量技术。此外，可以在基于AMO的简单台式实验和基本模型中探索量子力学的基础。

　　1、未来机遇

　　基于AMO技术搜寻新物理学，可以探测到对撞机和其他高能技术无法探测到的物理学。例如，搜寻电偶极矩可能需要在100万亿电子伏特（TeV）的能级下探索，这远远超出对撞机可达到的能量范围。因此，报告强调，大多数AMO实验都是台式实验，而且比传统的高能搜寻要便宜得多，导致了大量可以同时探索的新物理思想。这些AMO实验为发现新物理学提供了一条极具竞争力和成本效益的途径。

　　要抓住AMO在搜寻新物理学中的这一机遇，需要解决以下挑战：

　　（1）在量子信息科学的框架内开发新的测量方法和工具，特别是针对下面描述的新物理搜寻的测量方法和工具。

　　（2）在新物理理论预测的能量水平上，发现或排除电偶极矩。这将是粒子物理学的革命性发现，并将为未来任何粒子对撞机产生新粒子所需的能量建立明确的基准。

　　（3）暗物质的探测。充分利用时钟、干涉仪、磁强计等精密AMO实验能力，直接探测暗物质或相应的、新的力信号。一个特定的目标是在整个可能的质量范围内检测到或排除轴子。

　　（4）探测由更高能量尺度产生的新物理信号，这是可预见的未来对撞机所无法探测的。在搜寻基本常数的变化、违反洛伦兹对称性、违反等效原理等实验中，精度实现数量级的提升。

　　（5）为激光干涉引力波探测器开发先进技术。同时，示范使用原子传感器探测引力波的有希望的替代技术，包括引力波探测大型系统的概念验证。

　　2、报告建议

　　（1）能源部的高能物理计划、核物理计划和基础能源科学计划应通过AMO项目来资助量子传感和超越标准模型基础物理问题的研究。

　　（2）联邦政府资助机构应修改资助结构，通过更大型项目（超过5个首席研究员）和长期项目（10年），促进基于AMO搜寻新物理学的研究和基于AMO的精密测量平台开发，开展理论和实验合作。

　　（3）资助机构应建立资助结构，通过联合项目、联合暑期学校、专题年会等，持续支持AMO与粒子物理和其他领域开展理论和实验的联合研究。

　　（4）联邦政府机构应建立相关机制，与其他全球资助机构共同资助在精确搜寻新物理学方面的国际合作。                   （黄龙光）