2026年度沃尔夫物理学奖深度解读：在绝对零度之上，搭建量子世界的巅峰协作

在绝对零度之上

搭建量子世界的巅峰协作

2026年度沃尔夫物理学奖深度解读

操控“冷”原子，点亮“热”科技

10月1日晚，以色列沃尔夫基金会公布2026年度沃尔夫物理学奖。美国国家标准与技术研究院（NIST）与科罗拉多大学博尔德分校的叶军（Jun Ye），以及德国马克斯·普朗克量子光学研究所（MPQ）与慕尼黑大学的伊曼纽尔·布洛赫（Immanuel F. Bloch）共享这一奖项。基金会授奖词称，表彰二人“在超冷原子系统操控方面所取得的变革性、广泛适用的进展”（for transformative, widely applicable advances in the control of ultracold atomic systems）。

图1 叶军和布洛赫共同获得2026年度沃尔夫物理学奖

© The Wolf Foundation

这是沃尔夫物理学奖自1978年设立以来，第二次授予华裔科学家。首届得主为吴健雄。沃尔夫基金会指出，二人的工作把实验物理推进到以往几乎无法操控的疆域，标志着现代物理的一次关键转向：从观测量子世界，走向对量子体系的精准控制、测量与驾驭。

布洛赫借助光晶格，把超冷原子做成研究量子多体物理的实验平台；叶军则把同一类技术推向计量的极限，重塑时间与频率的标尺。二者一重“模拟”、一重“精密”，共同构成冷原子研究由基础发现走向量子计算、强关联材料机理和相对论测地学等应用的支柱。

光晶格：一座可调的量子实验室

多体量子物理是能源、材料与信息处理等技术的底层语言。粒子数一增加，希尔伯特空间便指数膨胀，强关联体系随即撞上所谓“指数墙”。1982年，理查德·费曼（Richard P. Feynman）提出用遵循量子规律的机器去模拟物理世界，认为唯有这样的系统，才能处理经典计算机难以逾越的多体问题[1]。

激光冷却与玻色–爱因斯坦凝聚分别于1997年和2001年获得诺贝尔物理学奖之后，这条路开始变得可走。1998年，迪特尔·雅克施（Dieter Jaksch）、彼得·佐勒（Peter Zoller）与伊格纳西奥·西拉克（J. Ignacio Cirac）等人提出，用光晶格中的超冷原子模拟玻色–哈伯德模型：格点间隧穿与格点内相互作用的竞争，可以分别给出超流态和莫特绝缘态[2]。

在其导师、2005年诺贝尔物理学奖得主特奥多尔·亨施（Theodor W. Hänsch）的启发下，布洛赫用激光干涉形成的周期性势场搭建光学晶格，模拟固体中的晶格。与充满声子、缺陷和杂质的真实晶体不同，光晶格干净、参数可调，原子行为可由玻色或费米–哈伯德模型较精确地描述。调节激光强度，即可改变隧穿能与相互作用能，从而直接观察从超流到莫特绝缘体的量子相变[3–5]。

图2 光晶格示意图：激光干涉形成周期性势阱，超冷原子被囚禁在格点上。依据雅克施等人提出的光晶格玻色–哈伯德模型及布洛赫组的实验实现[2,3]

图3 超流–莫特绝缘体相变的飞行时间图像示意。浅晶格下可见衍射峰（左，超流）；晶格加深后相干峰消失（右，莫特绝缘体）。依据格莱纳、布洛赫等2002年的实验现象[3]

精密计量走的是另一条路。2001年前后，东京大学与理化学研究所的香取秀俊（Hidetoshi Katori）等人提出光晶格钟构想，并引入“魔术波长”（magic wavelength）：在这一波长上，钟跃迁的基态与激发态感受到相同的交流斯塔克位移（光频移）。2005年至2006年，香取秀俊团队与叶军团队先后在实验中用光晶格囚禁锶原子实现这一构想，以魔术波长消除晶格光场的高度不均匀及其随时间起伏对跃迁频率的干扰，使频率保持接近未受扰动的本征值。此后叶军小组持续处于前沿，并于2018年实现10⁻¹⁹量级的精度。

图4 锶光晶格钟装置示意：真空腔中的超冷锶原子被激光晶格囚禁，用以读取光学钟跃迁。依据香取秀俊提出、叶军团队实现的光晶格钟；装置实拍见叶军组与Brad Baxley/JILA，NIST公开图像，https://www.nist.gov/image/strontium-lattice-optical-atomic-clock

随着激光冷却、玻色–爱因斯坦凝聚、光晶格和费什巴赫共振等技术成熟，光子、电子、原子与分子之间的相互作用已可在很高精度上调节。相对传统固体，光晶格的优势在于参数几乎可以全维度调控，研究也从统计平均转向单原子分辨。学界普遍认为，在通用容错量子计算机仍是长期目标的情况下，基于特定物理载体的专用量子模拟器，有望更早展现针对具体问题的量子优势。

布洛赫：把冷原子做成量子模拟器

布洛赫的贡献，是把冷原子实验室改造成可以处理凝聚态问题的模拟器。

2002年，在亨施支持下，布洛赫作为项目负责人，与马库斯·格莱纳（Markus Greiner）等合作，首次在光晶格中观测到玻色子从超流到莫特绝缘体的量子相变。这项工作验证了雅克施等人的理论设想，也被视为超冷原子量子模拟时代的开端[3]。随后，费米子的莫特绝缘态及金属–绝缘体行为亦被观测到[4,5]。

2009年至2010年，格莱纳团队与布洛赫团队分别实现具有单原子分辨的量子气体显微镜[6,7]，并进一步拓展到费米原子[8,9]。探测由此不再限于模糊的吸收成像，而可以对密度和自旋作格点分辨，使多体纠缠与关联动力学能够从单原子、单自旋的角度审视。单自旋寻址也随之成为可能[10]。

图5 量子气体显微镜示意：高数值孔径物镜对光晶格中的单原子荧光作格点分辨成像，空位对应缺陷。依据巴克尔（Waseem S. Bakr）、格莱纳等2009年及谢尔松（Jacob F. Sherson）、布洛赫等2010年的实验[6,7]

在费米–哈伯德体系中，布洛赫团队于单格点、单自旋分辨率下直接观测反铁磁关联[11,12]，并追踪掺杂之后从磁极化子、赝能隙金属到费米液体的演化[13]。这为理解高温超导等强关联现象提供了微观图像。同期，格莱纳团队在二维体系中实现跨越整个系统的反铁磁序[14]；中国科学技术大学潘建伟团队则首次观测到三维费米–哈伯德模型中的反铁磁相变[15]。

同一平台还被用于拓扑物态、多体局域化以及分数量子霍尔态等方向：超冷费米子实现哈尔丹模型[16]，准无序与二维光晶格中观测多体局域化[17,18]，超冷原子实现分数量子霍尔态[19]。理论方面，光晶格亦被提议用于模拟量子化学中的电子结构问题[20]。

叶军：把频率做成探测新物理的工具

叶军把光谱精度推到当前实验物理的前沿，并证明精密测量不只是数字的堆叠，也可以是搜寻暗物质、检验引力红移和基本常数是否漂移的前哨。

在香取秀俊构想的基础上，叶军团队凭借低噪声激光与魔术波长操控，把光晶格钟的不确定度推进到10⁻¹⁹量级。这样的精度既关系到国际单位制中“秒”的未来定义，也使频率可以当作工具，用来探测基本物理常数的微小变化。

2022年，叶军团队利用超高精度光钟和高分辨原位成像，在实验室内仅毫米量级的垂直位移上检验了引力红移[21]。光钟由此从计时装置延伸为引力传感器，为相对论大地测量提供了新的技术路径。

图6 原位同步钟比对示意图。引力红移使处于高处的钟（蓝色）比低处的钟（红色）走得更快。依据博思韦尔（Tobias Bothwell）、叶军等，Nature 602, 420 (2022)[21]

叶军并未止步于电子能级。他正与合作者发展核钟，利用真空紫外激光与光频梳相干操控钍-229极低能同核异能态，试图在原子核内部实现更高稳定度的频率基准。与此同时，他与黛博拉·金（Deborah S. Jin）合作，制备出首个极性分子量子气体，打开超冷分子与超冷化学的实验窗口[22]。

中国相关进展

国内已有北京大学、中国科学院武汉物理与数学研究所、山西大学、中国科学技术大学、清华大学、华东师范大学、浙江大学、南方科技大学等多家单位，实现铷、钾、镱、锂、铯、钠、锶、镝等超冷原子气体。

中国科学技术大学团队深耕十余年，近五年集中出现一批有国际影响的工作：用超冷原子制备大规模纠缠态并探索量子计算，构建拓扑体系、模拟人工规范场，解析费米超流输运，观测三维反铁磁量子相变[15]，并开展超冷分子化学研究。该团队已发展出铷、锂、钠等多种元素的量子气体显微镜。其中，超冷三原子分子的合成，与哈佛大学激光冷却三原子分子一并入选英国物理学会《物理世界》2022年度国际物理学十大进展，为亚洲超冷原子研究首次入选。山西大学近年在超冷费米气体自旋–轨道耦合，以及扭转光晶格量子物态方面，也取得原创结果。

基准光钟同样进入第一梯队。中国科学技术大学、中国计量科学研究院、中国科学院国家授时中心、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学院上海光学精密机械研究所、华中科技大学、华东师范大学、北京大学以及清华大学等单位，已实现锶光晶格钟、镱光晶格钟、钙离子钟、铝离子钟、镱离子钟、镥离子钟和钍核光钟等，形成中性原子与单离子并进、地基高精度与空间应用兼顾的格局。

其中，中国科学技术大学潘建伟团队开发出零死时间双钟系统，并改进空间热环境黑体辐射评估，将锶光晶格钟的频率稳定度与综合系统不确定度推进至10⁻¹⁹量级。国家授时中心自主研制的锶光晶格钟不确定度优于2×10⁻¹⁸，可长期连续运行，并与中国计量科学研究院的锶光晶格钟一道，参与国际原子时的自主校准与驾驭。精密测量院高克林团队研制的钙离子光钟，借助液氮低温技术，系统不确定度达到4.4×10⁻¹⁹。清华大学团队研制高性能深紫外连续激光，并在国际上共同率先实现对钍-229核跃迁的闭环精密测量。

依托中国空间站梦天实验舱的超冷原子物理柜与高精度时频实验柜，以及规划中的下一代量子科学实验卫星，我国正推进微重力环境下的空间光钟在轨运行和跨大洲激光时频传递。若星地时频网络得以建成，将为引力波探测、暗物质搜寻和等效原理检验提供新的实验平台。

从发现自然到重构自然

从验证基本量子相变，到模拟强关联材料，再到在毫米尺度检验引力红移，超冷原子技术的路径相当清晰：物理学正在从“发现自然”走向“重构自然”。2026年沃尔夫物理学奖，既是对过去二十余年这一领域的加冕，也标出了量子模拟与精密测量的下一步。

两人恰好代表原子分子与光物理的两翼。布洛赫向“宽度”延伸，用量子多体系统揭示量子相变、关联与多体局域化等范式；叶军向“深度”推进，以极致精度检验自然界的基本法则。基金会的表述是：他们的成就例证了现代物理从观测量子世界，到控制、测量并驾驭量子世界的转变。

展望后续，光晶格量子模拟器有望处理经典计算难以承担的部分电子结构问题，为量子化学与材料设计提供新的计算路径[20]。基于光钟的计量网络，则可能把地球引力场的监测推进到厘米量级。当实验者能够在光晶格上逐个操控原子的量子态时，测量的对象已不只是时间，也包括物质与时空的边界。

值得指出的是，因对光晶格钟的开创性贡献，叶军与香取秀俊先后获得2020年度墨子量子奖。2025年，布洛赫又与蒂尔曼·埃斯林格（Tilman Esslinger）、马库斯·格莱纳因在光晶格中实现玻色子与费米子哈伯德模型的量子模拟、系统研究量子物相、输运和拓扑现象，共同获得墨子量子奖。

图7 叶军等获得2020年度墨子量子奖

来源：墨子量子奖官方网站

http://www.miciusprize.org/

图8 布洛赫等获得2025年度墨子量子奖

来源：墨子量子奖官方网站

http://www.miciusprize.org/

除上述学者外，近年来还有多位墨子量子奖得主随后获得重要国际奖项：

2018年度得主戴维·多伊奇（David Deutsch）和彼得·肖尔（Peter W. Shor）获2023年科学突破奖；

2019年度得主安东·蔡林格（Anton Zeilinger）获2022年诺贝尔物理学奖；

2019年度得主查尔斯·贝内特（Charles H. Bennett）和吉勒·布拉萨德（Gilles Brassard）获2023年科学突破奖、2025年图灵奖；2020 年度得主香取秀俊和叶军获 2022 年科学突破奖。

2021年度得主约翰·克拉克（John Clarke）和米歇尔·德沃雷（Michel H. Devoret）获2025年诺贝尔物理学奖。

“墨子量子奖”的预见性体现了该奖已经成为量子信息与量子技术领域最具国际影响力的学术奖项。

参考文献：

[1] Feynman, R. P. Simulating physics with computers. Int. J. Theor. Phys. 21, 467–488 (1982).

[2] Jaksch, D., Bruder, C., Cirac, J. I., Gardiner, C. W. & Zoller, P. Cold bosonic atoms in optical lattices. Phys. Rev. Lett. 81, 3108–3111 (1998).

[3] Greiner, M., Mandel, O., Esslinger, T., Hänsch, T. W. & Bloch, I. Quantum phase transition from a superfluid to a Mott insulator in a gas of ultracold atoms. Nature 415, 39–44 (2002).

[4] Jördens, R. et al. A Mott insulator of fermionic atoms in an optical lattice. Nature 455, 204–207 (2008).

[5] Schneider, U. et al. Metallic and insulating phases of repulsively interacting fermions in a 3D optical lattice. Science 322, 1520–1525 (2008).

[6] Bakr, W. S. et al. A quantum gas microscope for detecting single atoms in a Hubbard-regime optical lattice. Nature 462, 74–77 (2009).

[7] Sherson, J. F. et al. Single-atom-resolved fluorescence imaging of an atomic Mott insulator. Nature 467, 68–72 (2010).

[8] Parsons, M. F. et al. Site-resolved imaging of fermionic ⁶Li in an optical lattice. Phys. Rev. Lett. 114, 213002 (2015).

[9] Omran, A. et al. Microscopic observation of Pauli blocking in degenerate fermionic lattice gases. Phys. Rev. Lett. 115, 263001 (2015).

[10] Weitenberg, C. et al. Single-spin addressing in an atomic Mott insulator. Nature 471, 319–324 (2011).

[11] Boll, M. et al. Spin- and density-resolved microscopy of antiferromagnetic correlations in Fermi–Hubbard chains. Science 353, 1257–1260 (2016).

[12] Hilker, T. A. et al. Revealing hidden antiferromagnetic correlations in doped Hubbard chains via string correlators. Science 357, 484–487 (2017).

[13] Koepsell, J. et al. Microscopic evolution of doped Mott insulators from polaronic metal to Fermi liquid. Science 374, 82–86 (2021).

[14] Mazurenko, A. et al. A cold-atom Fermi–Hubbard antiferromagnet. Nature 545, 462–466 (2017).

[15] Shao, H.-J. et al. Antiferromagnetic phase transition in a 3D fermionic Hubbard model. Nature 632, 267–272 (2024).

[16] Jotzu, G. et al. Experimental realization of the topological Haldane model with ultracold fermions. Nature 515, 237–240 (2014).

[17] Choi, J.-y. et al. Exploring the many-body localization transition in two dimensions. Science 352, 1547–1552 (2016).

[18] Schreiber, M. et al. Observation of many-body localization of interacting fermions in a quasirandom optical lattice. Science 349, 842–845 (2015).

[19] Léonard, J. et al. Realization of a fractional quantum Hall state with ultracold atoms. Nature 619, 495–499 (2023).

[20] Argüello-Luengo, J., González-Tudela, A., Shi, T., Zoller, P. & Cirac, J. I. Analogue quantum chemistry simulation. Nature 574, 215–218 (2019).

[21] Bothwell, T. et al. Resolving the gravitational redshift across a millimetre-scale atomic sample. Nature 602, 420–424 (2022).

[22] Ni, K.-K. et al. A high phase-space-density gas of polar molecules. Science 322, 231–235 (2008).