無論是透過粒子隱形傳態實現安全通信，或是超高速運算能力，量子力學——這個探索微觀世界的奇妙學科——都處於現代物理學的最前線。但如果沒有今年諾貝爾物理學獎得主們取得的突破性進展，這些未來技術都將無法實現，甚至連測試都無法進行。
塞爾日·阿羅什和戴維·溫蘭德都發展出了控制和測量脆弱、轉瞬即逝的量子態的方法，這曾被認為是不可能實現的。他們的工作使得在最小尺度上對光與物質的關係進行實際研究成為可能，而不再局限於理論探討，因為在這些尺度上，常規的物理定律不再適用。量子力學的本質使得他們的工作看似不可能，然而我們最終卻做到了。
要理解量子不確定性，可以從薛丁格的貓說起。這隻虛構的貓同時存在於一個盒子裡，處於兩種可能的狀態：它既是死的又是活的，對所有人來說，在所有情況下都是如此。但一旦你打開盒子，也就是一旦你測量它的狀態，這隻貓就只能處於其中一種狀態。你的測量迫使它做出選擇，這相當於改變了量子系統。所有量子系統都是如此，它們同時存在於所有狀態，直到你對其進行觀察。美國國家標準與技術研究院的比爾·菲利普斯解釋說，溫蘭德和哈羅什都設計了繞過這種不確定性的方法。菲利普斯本人也是諾貝爾獎得主。
他們的方法非常相似，但使用的技術卻不同：溫蘭德捕獲離子並用光子測量它們，而哈羅什捕獲光子並用原子測量它們。
溫蘭德是第一個描述並展示了被捕獲離子冷卻的人，這些離子是真空中的帶電原子。他透過在電場中包圍帶正電的原子來捕獲它們。然後，他用雷射光束照射它們，雷射光束有效地推動它們，使它們減速。 （速度越慢，溫度越低。）菲利普斯說：「讓它們保持低溫對於控制它們至關重要；當它們非常冷時，你可以用它們做很多有趣的事情。」以下是一些例子：
極其精準的時鐘
任何時鐘都需要一個滴答作響的指針來記錄時間，而最好的指針就是原子本身；更理想的是單個原子，它獨立存在，不受任何其他事物（包括其他原子）的干擾。美國國家標準與技術研究院（NIST）專門製造原子鐘，而溫蘭德的陷阱已被用於製造迄今為止最精確的時鐘。 「他製造的時鐘如此精準——它是迄今為止製造的最好的時鐘——即使長時間運行，30億年也只會快或慢一秒，」菲利普斯說。 “這就是我們所說的‘足夠精確，可以用於政府工作’，”他笑著補充道。這台極為精確的時鐘已被用來測量愛因斯坦的相對論以及重力對時間流逝的影響。
同時身處兩個地方
雷射還可以使離子處於疊加態——就像薛丁格的貓一樣，它可以同時處於兩種不同的狀態。溫蘭德的方法使離子處於兩個不同的能階。離子最初處於低能階，雷射脈衝會將其微調到高能階，使其幾乎躍遷到高能階但又沒有完全躍遷過去。這樣，離子就變成了一種介於兩個能階之間的“半吊子”，處於能量疊加態。
「戴夫可能會說那是一隻薛定諤小貓，或是一隻胚胎小貓。但這正是量子力學奇特之處的體現，」菲利普斯說。 “這完全得益於戴夫取得的進展。”
也可以利用雷射以可測量的方式散射光子來研究這種能量過渡狀態。
哈羅什則利用微波腔來捕捉光子（光粒子）。然後，他用原子來測量光子的行為。光子會引起原子能階的變化，從而提供關於光子的資訊。這被稱為量子糾纏；光子發生的任何變化也會發生在原子上，這使得哈羅什能夠在不直接測量的情況下研究原子能階隨時間的變化。菲利普斯解釋說，如果你試圖用任何類型的探測器來觀察光子，那是不可能的。
「那樣做的話，探測器會吞噬光子。它們就消失了。哈羅什的做法是，先把光子放入諧振腔，確認它們存在，然後再送入一個原子。原子會探測到光——實際上是微波——以及這些微波的特定強度。基於這種強度，原子就可以開始改變它的量子態。」
量子邏輯
菲利普斯指出，疊加也是量子閘的基礎，而量子閘門是量子電腦的關鍵組成部分。溫蘭德的研究小組率先示範了使用兩個量子位元的量子操作。未來，這項技術或許可以用來製造擺脫二進位代碼束縛的量子電腦。量子位元並非只有0或1兩種狀態，而是同時具有0和1的特性。兩個量子位元可以同時處於四種狀態——00、01、10、11——以此類推，直到建構出一台擁有300個量子位元的計算機，其可能的狀態數量甚至超過了宇宙中所有原子的數量。
哈羅什還可以建構一個初始狀態未知的量子系統。這對於量子電腦和密碼學至關重要。你可以從數量未知的光子開始，進行一系列測量，有意地改變系統狀態，從而縮小可能存在的光子範圍。透過二次測量，例如使用不同速度的原子，可以提供更深入的見解，並告訴你係統中存在多少光子以及它們的狀態。 「你透過測量迫使它做出選擇，選擇它所處的那個狀態，」菲利普斯說。 “你迫使自然界從其固有的不同可能性中做出選擇，決定哪一個才是最終的結果。”
美國物理學會出版副總裁約翰·海恩斯表示，哈羅什和溫蘭德的研究是現代物理學中最具影響力的研究之一。 「量子力學曾經只是理論和哲學，但透過他們的工作以及其他研究人員的持續研究，我們現在正在檢驗、操控和發展這些科學原理，」他說。
