现在读者可以坐在沙发里，以半躺着的舒服状态看我打一套太极拳，这些内容你更不必懂，但从这个内容的了解中，读者可以对现代科学研究有一点认识。首先，实验是物理学的核心，物理学首先是一门实验科学，它是从人类的思想过渡到自然世界的第一道“人机”界面，通过实验来检验理论的正确与否也是我们认识世界的唯一可靠途径。那么现代物理实验是什么样子呢？
我读博士到做教授所从事的领域叫冷原子物理，1997、2001、2005和2012年的诺贝尔物理学奖都颁给了相关领域。今日的物理学，如果要有新的发现，首先要学会制造仪器，为某一类构想而设计、提供新的工具。因为从业者太多了，只要市场上已有的工具，都会被用来看看这个，弄弄那个，能看的容易做的几乎都被做过了，所以一个较为靠谱的办法就是通过制造新工具、发展新技术从而发现知识的新大陆。为了把原子冷却下来，七十年代原子物理学家开始一系列艰巨而长期的努力，直到1995年实验上获得的玻色——爱因斯坦凝聚成为这一领域的里程碑。而后的二十年，工具和科学发现都在同步发展。而原子物理工具的进展，也被其他领域应用，比如引力波的测量，是2016年初的热闹新闻，而它的核心部件，就是原子物理中发展来的精密光学技术。
要从事实验物理，心态很重要。首先，要有一颗平静的心，平和而坚定，百折不挠。实验室里任何东西都可能随时坏掉，而且这个事情每天发生。所以要练习心性，做实验是最好的方法。我曾经在被钱钟书“酸酸的”嘲弄为野鸡大学的前身克莱顿（Clarendon Laboratory）地下乌漆麻黑的实验室里调钛宝石激光。几十万英镑的一台激光器，因为精密的需求，所有镜面对光洁度的要求极高，不能留下任何指纹或呼吸的水雾。十几瓦的氩气激光，你既要小心手不被烧到，又要保护自己的眼睛不被散射的光斑照到。屏息凝气，手要细致温柔，轻抚慢捻。生产这种激光的当时只有美国一家大公司的小部门，全欧洲只有一个客服工程师。他有一句名言：对待这激光，就像是红酒微光里，手指轻抚一美女，不轻不重地挑逗，重一分则戏谑，轻一分则无感。要守得住心性，按得住气息。最重要的是有耐心，因为经常一站就是几个小时，目不转睛、屏息凝视不足一寸的小纸片上的微弱的光斑。当角度合适，激光被触发时，会突然发出耀眼的闪光，这其中的难度相当于徒手把四根缝衣针头尾相接地立起来。这练的是心性，做物理实验，一定要耐心，当然，安全更重要。
接下来是实验设计中的具体技术活。
冷原子比室温低几百万倍到十亿倍，而实验不得不在室温下进行，放心，没有研究生愿意待在–270℃的实验室里。这样就要求冷原子和容器之间要有很好的隔离来防止热量的传导。热能的传递通过传导、对流、辐射三种方式。室温下对原子团的热辐射部分可以忽略，容器内部抽成极高的真空，来防止容器的别的室温的分子通过传导把能量带给冷原子团。这样，对容器的真空度要求就很高，高到什么程度呢？我们需要在一个几升的金属空腔里达到星际真空度（10-1mBar）。这个星际真空度是太阳系和其他星系之间的真空度，地球的大气层外，比这个要高几十万倍。为了达到这样的真空度，我们不得不在技术上有很多考虑。
首先，在容器壁上粘着的分子和很早以前已经渗进容器壁里的分子就是个麻烦，它们会随着时间慢慢地回到真空里来。这个自然过程可以持续几年甚至几十年。所以真空部件在安装之前要进行除气处理，这立刻会带来新的麻烦。为了让附着气体跑得快，需要给分子足够的动能来打断它们与金属微弱的附着力产生的化学势，即要对真空腔体进行加热。除气处理要先把真空腔安装好，包括真空腔、窗口、可能用到真空里的线缆、导体和机械部件，整体加热到200℃，同时用气泵把跑出来的气体分子抽出去，一直到10-9mBar。这要求所有涉及真空的零件都要经得起长期的高温烘烤。真空窗口玻璃的镀膜就是一个问题，它不能经受太高的温度，200℃是极限。真空胶在这个温度下也会变质，所以窗口通常是焊在金属法兰上，但玻璃和金属的膨胀系数又是不一样的，在高温烘烤的时候很容易裂开。至今，能在大尺寸法兰上焊接玻璃窗口并且能达到10-9mBar的真空度的，只有英国的一家小公司。接下来要考虑，焊接常用的焊锡和黄铜也不能经受这样温度的烘烤，所以要把金属件放到真空里，包括电子线路，都是要仔细考虑选材。可以用在这个条件下的材料有：
用作密封的金属：去氧黄铜、铟或者镍。
窗口材料：多数的玻璃都可以抽得到高真空，选择的时候要注意考虑到镀膜和有些晶体玻璃在高温下的隔绝效果会变差，比如氦气可以穿透并渗入石英玻璃。
绝缘：用在高真空里的导线一般要用Teflon和Dupont绝缘。
润滑：在真空里使用要运动的机械部件是个麻烦事情，大多润滑剂是可以长期挥发出气体的，目前只能用全氟润滑剂（PFPF）。
即使再仔细的准备，还是难免一些气体会留在真空里，这不仅是空气里留下的残存气体，还跟每一个部件的加工历史相关。常见的对实验有影响的有：氧气、氮气、水蒸气、氦气、氖气、甲醛、乙醚、油、氢气。为了尽可能减低这些残留气体，所有真空部件在安装之前，要进行五至七道工序的清洗，包括去离子水洗、超声波洗、乙醚洗等。指纹和汗液将来都是残留气体的来源，所以一定要戴一次性真空手套，清洗完的部件暂时不用，要用真空专用铝箔包好防尘。
真空封装：常用的胶圈封装在高真空的时候还是无法阻止气体渗入，所以通常使用全金属封装。最常用的是用纯铜垫片，在法兰刀口的压力下变形，软铜金属挤到法兰间的不锈钢缝隙里，形成永久形变。这时候拧螺丝又是个技术活。你根本不用想拧不好可以拆下来重新再拧，金属垫片形变后不能复用，所以必须一次成形，而定位螺丝压力的不均衡也会使得金属垫片形变以后也还会留出缝隙。通常采用对角螺丝，每1/12转换对角的一组，直到全部拧紧，当然手感是个重要的参考。这也是很多自动化安装的问题，因为螺丝的加工公差是允许零件稍有不同的，自动化设备目前还难以复杂到精确判断每一螺纹该紧到什么地方算是稳固。这不是个容易做好的事情，法兰有时候很重，要用手托稳，拧的过程中，哪怕一点点都不能移动。
真空的光学设计：为了让光和原子相互作用，激光要通过窗口进入到真空里。窗口玻璃如果不镀膜的话，对光有百分之几的散射。当光强很大的时候，就是个很麻烦的问题，从安全角度考虑，散射的激光会非常危险，几毫瓦的激光可以致盲，大于一瓦的激光会直接在视网膜上烧个洞。而实验里，经常用到几十瓦甚至是几百瓦的激光。从实验角度，每一次散射都会造成干涉条纹，对实验结果影响很大。所以如果可能，窗口材料一定要镀增透膜。而实验上我们希望真空腔的通光部分越多越好，这样就可以设计更加复杂的实验。所以主流上有两种窗口结构，一种是玻璃腔，它只能在外面镀膜来增透，一种是玻璃焊在法兰窗口上的双面镀膜。玻璃腔内壁镀膜是个工艺水平要求极高的工作，只有斯坦福一家公司有专利技术。不镀膜的话，只能适用于激光功率比较小的场合，而对于大功率，法兰窗口是主流的选择。
然后是真空泵。不管封口怎样严密，高真空本身不能永远自己维持。在实验要求的星际真空度下，环境里总会有一些气体渗漏进来，空气也还是能从真空腔的金属墙壁上逐渐渗进腔内，真空里的元件材质还是会在长达几年几十年的时间里持续放气，所以我们必须用真空泵来维持动态平衡。在烘烤之后，一般开始会用分子泵，让气压到了10-9mBar，再往上升就要开启钛升华泵。钛升华泵通过加热钛金属丝，使空气里的分子跟钛金属发生反应而被粘在泵上，
图2–21 真空腔
图2–22 组装后的真空
这样真空度可以达到10-11mBar。要是还需要更好的真空，可以使用离子泵，它通过释放金属离子电离空气中残余的分子，这些被电离的分子会被静电高压吸引到电极上。经过这样的流程处理，降回室温后真空度可以维持在10-11mBar上。对于一般的超冷原子实验，在收集原子的部分我们希望原子的浓度高一点，这样收集得快，对做实验的部分，我们希望真空度高一些，可以让冷原子维持的时间更久。于是在整体真空设计上，通常是两个不同真空度的真空腔通过一个极细的管子相连，而管两边都有真空泵维持差不多100倍的气压差，一端用来快速收集实验用的原子，一端用来做实验维持很长的量子气体寿命。
冷原子比室温低百万倍，意味着我们不能用任何接触的方式来让这些冷原子抵抗重力，实验上需要一种特殊的装置，比如磁场，来帮助原子平衡重力。原子本身是中性不带电的，电子围绕原子核运动形成微小的电流导致了原子具有一定的磁性，像小磁针一样。利用这点磁性，我们可以把磁场做得很大，来平衡原子的重力，我们把它叫作磁阱。能对单个原子平衡重力，对一大团原子也可以平衡重力。其实，核聚变里用的托克马克环，也是用来约束真空里的粒子的，只不过那是一亿度的高温离子。这样设计的磁场，也一样可以平衡一只青蛙的体重。做一个磁场，丢一只青蛙进去来看它悬浮，安德烈·海姆（Andre Geim）因此获得了2000年的搞笑诺贝尔奖（Ig Nobel），他还因发现了石墨烯而获得2010年的诺贝尔奖。
图2–23 磁光阱
磁性本来就很小，所以当原子速度很快的时候，磁阱就显得太弱了，原子高速飞过去的时候，根本感受不到磁阱的存在，自然也不会被磁场抓到。因此我们要有办法先把原子的速度降下来，于是就有了激光冷却，1997年的物理学诺贝尔奖颁给了这项技术的发现者。
第一步是用光和磁场对原子的降温、抓取和囚禁，我们把这个装置叫作磁光阱，它由一组或两组线圈和六束激光组成，这六束激光的频率要吻合原子的跃迁线，并且功率和自旋都在各个方向上匹配好。通常我们还要考虑屏蔽掉地磁，别看地磁不太大，但对于超低温的原子来说，它的影响就非常明显。所以在磁线圈的外层，我们还要设计三组地磁线圈来屏蔽地磁在各个方向上的影响。在芝加哥的一套装置上，我们发现楼里电梯的上下产生的电流也会对磁场有影响，而在北大的实验里，我们看到冷原子会受100米外地铁经过时的电流产生磁场的影响。为了屏蔽这些背景磁场的影响，我们要在地磁线圈上做外界磁场的测量和反馈。
光也可以产生压力。利用激光的压力我们也可以制造光阱。激光并不是一个完全平直的光，如果看它的截面，中心的光强最强而周围的光强会减弱，减弱的规律是高斯型的。而顺着激光传播的方向，激光也不是均匀粗细，会由一个最细的地方慢慢发散开，这个最细的地方叫光腰。通过透镜，光腰的粗细和位置是可以调节的。在光腰最小而光强最大的地方，会对原子有微小的束缚力。对温度非常低的原子团而言，这个束缚力足够它们克服重力，因此，我们也可以用很强的激光来做光阱。事实上，我见的第一个用来做光阱的激光有200W，这是可以烧穿钢板的能量强度。为了防止散射，光路里所有的镜子都是用背面有水管冷却的金镜。
为了让阱够深以捕捉更多的原子，磁场的电流可以做到很大，但这时候组成磁场的线圈的绝缘会因为大电流通过产生的热量而逐渐变差，为了解决这个问题，我们对线圈必须制冷。通常会采用水循环冷却，一个方案是使用中空的铜管，里面走冷却水，管壁上走大电流，也有合适的设计让整个磁场线圈都浸泡在冷却水里。需要注意的是，水必须很好地做去离子处理来保证导电率很低，否则即使很低的电压都会引起铜导线的电离。我见到过流经大电流控制箱的冷却水几分钟之内变成漂亮的绿色，几个月的工作报废了。如果水不够纯净，升温之后产生的水垢会堵住本来就很细的铜管。一旦磁场坏了，换一套非常麻烦，这意味着真空周围的光路要重新搭建，很轻易几个月的时间就因此浪费掉了。在这样一套水冷的电磁场下，电流可以轻松升到500安培，或者每平方毫米25安培，而对电流稳定性的控制，通常要达到万分之一的稳定度。
图2–24 高斯型的激光光腰对原子具有束缚力
这个电流不小，但在实验中经常要求磁场在几十微秒的时间里开关。大的电流变化会产生强大的感生电流，这个电流也不能长时间地存在线圈里或者金属的真空腔壁上。因此控制电路设计就非常有挑战性，一方面大电流的开关会用到场效应管MOSFET或者IGBT。这时候铝材做真空腔和光学平台就不是个好的选择，它们会产生很长时间的感生电流，而用来封真空的铜垫圈也会有感生电流产生，时间尺度都可以长达几百微秒。实在没法去除的话，一定要考虑做实验的时候怎样通过调节实验步骤，最大程度上避免感生电流导致的磁场影响。
还有一个麻烦事要考虑，因为磁场开关产生的磁力其实很大，而时间又很短，会对整个光学平台产生震动，而且震动力量可以非常大。虽然光学平台一般有几吨重，但磁场的开关会像用锤子重重地敲平台一样，即使磁场线圈非常稳定地固定在光学平台上，实验用的半导体激光因为开关电流引起的震动导致的频率突变也是经常发生的事情。(www.xing528.com)
有些实验里，因为我们把原子冷却到了十亿分之一度，室温的热辐射也会有所作用。它会让原子团每秒钟升几十nK（十亿分之一度）。为了让这些原子可以保持时间足够长，我们也会把整个真空冷却到很低的温度，比如在真空腔周围使用液氦，把真空周围的温度降到1K，这样会使室温的热辐射效果降低上亿倍而可以忽略不计。同样，为了获得更大的磁场，超导线圈也是一个备选方案，它可以使磁场上升到10特斯拉，并且由于超导的使用，液氦可以顺便避免室温的热辐射。
好吧，我们刚刚讲完真空周围的东西，实际做的事情要复杂得多。因为市场上没有现成的东西，往往需要研究生自己动手设计、绕线圈、调电路，经验不足的话，通常每一步都要反复做好几次，即使有经验，这套东西都准备好大概需要半年到一年的时间。
我在伯克利做博士后的时候，经常在楼里碰到一位老人，一米九的身高，笔挺的黑色西装，手里拎着一个黑色的公文包，每天上午九、十点间从打打闹闹喧嚣着的本科生身边飘过，很少引人注意到。这就是查尔斯·汤斯（Charles Townes），因发明了激光获得1964年的诺贝尔奖。
图2–25 搭建好的典型的激光光学平台
从汤斯发明的最早的激光开始，激光的种类已经有很多了，气体激光、钛宝石激光、固体激光、染料激光、光纤激光和半导体激光等。以半导体激光为例，对原子物理而言，对功率和激光的线宽要求比较高。早年的半导体激光价格比较高，随着计算机光驱的普及，红外半导体激光管的价格下降很快。半导体激光管自然线宽要几百兆赫兹，而实验上需要吻合原子的自然跃迁线宽，通常要到几兆赫兹，才能保证光能有效地被原子吸收。所以保持激光的频率稳定是核心的技术之一。这涉及几方面的具体工作，首先，激光介质的工作腔长度要稳定，工作腔长度是激光半波长的整数倍，如果稍有变化，激光的波长也会随之改变，我们需要有一个稳定的激光腔结构，要做到机械稳定，防止震动；需要稳定的温度，因为温度会改变二极管导带和禁带间的宽度，从而改变光的跃迁能量，结果会影响激光的波长，所以温度要极其稳定。其次，电流也是改变半导体导电与非导电区域宽度的原因。好在电流的改变速度和测量精度比温度要好，我们通常利用电流来做更快速度的反馈，这会用到下面要提到的PID（正比——积分——微分）反馈控制技术。这些东西都能做得非常好的话，我们可以把激光的自然线宽稳定千分之一，这对应于激光频率要稳定在亿分之一的精度上。如果要求更高，我们还可以不以原子的跃迁线为参照，找一个更稳定的参照物，比如说一个线宽很窄的FB腔，这样可以把激光的线宽进一步缩减，而引力波的测量里，这个技术是核心技术之一，它把长达四公里的光腔稳定到了质子大小的千分之一。
我们转向一个更具体但十分重要的分支，看一些更加具体但物理实验里处处都在的问题：噪声。
对物理实验而言，不管测量还是控制，噪声一直是一个核心问题。分析确定噪声的来源会让我们有办法和方向把这些噪声去掉，而很多时候，我们想要的数据，也隐藏在这些噪声里。
一个常用的办法就是先测量出噪声的频率谱。噪声可以表达为多种不同频率信号的组合，通过傅里叶分析，可以区别出来一些信号的来源。比如信号里出现了50赫兹的噪声，往往是信号线跟市电电源的隔离做得不好而引入的市电噪声。
白噪声：电信号里的白噪声是指与频率无关的杂乱信号，它通常是热效应或者量子的随机涨落引起。对付这种噪声的办法是降低电路温度，通过更好的设计实验来提高系统的稳定度。普通电阻常常会展现出白噪声，温度升高噪声会更明显，温度降低，噪声的幅值也降低。
粉噪声：是指与频率成反比的噪声，频率增加，噪声降低。它通常是由电子线路的电容或电感引起。当然很多系统里它的起因也很复杂，事实上，大多数的探测器都有自己对信号的响应曲线。比如人的眼睛是一个典型的探测器，它对光频的红色到紫色敏感，而绿色是几乎中间的位置，所以敏感程度最强。这也是为什么消防员要穿黄绿色的外衣的原因。对电子的探测器而言，响应曲线也常常因频率的增加而减弱，与粉噪声趋势类似。
实验上，几乎每一个探测器、控制器、数字电路和模拟电路的转换接口都需要对应的电子线路对它们进行控制和信号采集。在设计这些模拟电路的时候，频谱分析仪是一个很有用的工具。它可以使我们在线路设计上让噪声避开测量信号出现的区域，或者对这些区域进行有目的的放大，这就要我们对电子回路的滤波整流有清楚的了解，对各种高通、低通、选通的滤波器设计了如指掌，能根据不同的反馈需求来设计电路。对信号和噪声频谱的清晰了解，会让我们迅速锁定噪声或者信号不稳定性的来源。常见的情况是这样的：
直流和低频信号：系统漂移。
这个频域的信号和噪声产生往往是因为环境改变，比如温度、湿度和气压。对激光来说这一般是个大麻烦，所以实验室一般要求恒温、恒湿和恒压。温度的变化也会改变光路的准直，使得光纤耦合效率下降，而温度和湿度变化可以影响电路里的电容和电阻的具体值。记住，我们常常要求电路的稳定度要好于万分之一，甚至更高，这些变化就不能忽略不计了。而空调开关也会导致温度的骤升骤降，早年，我们不得不自己设计变频空调，而且保证空气是被抽走、气流向上，不是向下把灰尘吹到光学平台上而影响光学器件。
几赫兹或者几十赫兹的低频振动，有可能是建筑物在风中摇摆。所以我们通常不喜欢把实验室建到二层楼以上，地下室最好。我一位朋友在清华的实验室里，会因每天十几次，每次十分钟左右的几赫兹到几十赫兹的凌乱噪声给实验带来的麻烦苦不堪言，后来发现是实验室几百米外的小学课间自由活动的脚步影响了激光光谱的稳定！
几百赫兹到几百千赫的噪声，通常是机械振动引起的。比如真空泵的运转，光学快门的开关，甚至实验室里说话的声音。为了减少这个频率的噪声，在实验设计的时候就要仔细考虑隔振。通常会用重达几吨的光学平台放到隔震台上，隔震台是一个放在沙坑里几十吨重的水泥墩，用来避免走路、实验室外车辆经过震动光学器件。在会引起震动的机械件周围做减震，或者非常牢固地与光学平台固定在一起，比如真空磁场线圈，或者用橡胶垫非常好地做缓冲，但这又会影响到器件的稳固。而光学快门这些东西，往往从屋顶吊下来到光路上，从基座上跟光学平台隔开。
再高一点的频率的噪声来源通常是实验室里各种电路的电磁辐射，这些辐射可以被探测器的放大电路接收到而跑到测量数据里来。电脑的电源线，尤其是质量不太好的电源线会产生100千赫的噪声，而计算机的数字信号向模拟信号转化，也会在线路里造成高频的噪声。这时候控制线路信号的光隔离就是一个重要的手段。
人的眼睛是一个极好的光信号的探测器，有人说人眼睛可以在漆黑的夜里看到7公里以外点亮的烟头，这相当于每秒几十个光子落到人眼里。实验上做到同样的水平很不容易，我们要把一个光信号转化为电信号才能被我们的实验仪器记录下来。除了我们前面提到的各种噪声之外，当光变得非常弱，还会产生相当比例的散粒噪声，这个噪声自然地随机出现在信号里，没有有效的办法把它们简单去除。这时候利用光通过不同光路的相位差，而不是直接测量光的强度来分析信号是一个不错的选择。对这么弱的信号，在设计光信号的放大器增益的设计就尤为关键。因为你也许放大的不是想要的信号而是噪声，增益过大的时候，放大器本身也会产生相当可观的噪声。
把这些光信号探测器排列成方阵，就得到了CCD（电荷耦合元件）。每一个光信号的探测器就是一个CCD的像素。现在的技术可以把这些像素做到极小，以至于每一个像素都只有几个微米，而整个感光单元有几百万个像素。我们用CCD为原子拍照来研究原子的运动，从而推断出它的量子行为。首先，原子即使在宏观量子态玻色——爱因斯坦凝聚的情况下，尺寸也通常只有几个微米，相当于CCD的一个像素大小。CCD本身是光敏感单元，是不能让强激光直接照射的，但原子本身不会发出光来，需要有和它能级共振的光照射而散射光跑到探测器里形成影像。这样，我们一般要求在测量前，先让原子自由扩散到足够大的可成像的尺度，用共振激光照明，在CCD上显影。原子飞走之后，再拍一张只有激光照明的背景照片，两张相减得出原子云的照片，有时候实验需要我们在毫秒的时间尺度上多拍几张照片，这时候时序控制就成了关键因素，因为CCD的读取速度是一个重要的制约因素。几百万像素的数据在几毫秒之内传给计算机是非常非常困难的，需要特殊的带宽，或者有办法让CCD局部成像。我们可以让CCD的奇数行拍一张照片，再用偶数行拍照形成另外一张照片，这样可以把前后两张照片的时间间隔降到毫秒级。摄像设备端口的协议、触发，CCD的曝光时间控制，都要有精密的控制，原子是不会等着摆拍的。有时候成像要求光学镜头的分辨率达到几百个纳米，这时候在成像系统的光学要求就很高，这包括光学镜片的打磨、镀膜，以及镜片焦距的组合，德国的奥林巴斯（Olympus）是很少几个能生产冷原子所要的高需求光学镜头的公司，而一组好的光学镜头往往价值几百万人民币。
反馈控制是实验物理学、数学和电子工程学的重要内容。掌握了反馈控制方法，我们可以把对系统的控制精度提高到对系统参数测量精度。而对设备控制精度的提高，又促进了测量精度的提高。反馈控制的构造如下图：
图2–26 PID反馈回路
任何一个工作设备受环境影响输出都会发生变化，而输出本身也会有噪声。通过建立适当的负反馈机制，这些输出值的漂移、系统噪声都可以大幅度降低。除此之外，反馈控制的一个重要作用在于对控制信号的放大，通过降低反馈增益，输出信号可以很好地与控制信号保持严格而稳定的线性关系。由于反馈回路通常是通过电子线路来实现，电子线路一般会有共振频率，或者说某一频率范围之内，它不是负反馈而实际上变成正反馈，这时候增益很大的话反而会导致系统的不稳定。因此，即使我们会大量使用各种负反馈技术来提高系统的稳定性，工作系统本身的稳定性应该尽量先做到最好。
通过反馈控制可以压制不同频率的噪声，从而使系统稳定。这样就要对噪声的频谱进行测量。把测量结果输入控制端，控制端再给出不同频率的增益，因为相位相反，达到抑制的效果。这时输出的信号函数，对应于系统噪声谱，给出以频率为变量而系统对每一频率的抑制响应，称之为转化函数。它通常由三部分功能组成，正比（P）、积分（I）、微分（D），分别抑制低频分量、漂移分量和高频分量。通常信号从发出到经过系统到达探测器，从输入到控制端，不同频率的型号相位变化是不一样的，反馈回路的设计要保证反馈是在相位相反的范围内进行，在相位相同的范围就会变为增强了噪声。这样，反馈回路是有一个工作有效区间，称作反馈带宽。而通常因为电子线路的设计，超过10MHz的高频电子线路的设计要考虑到布线。平行的或垂直的导线之间会通过空间电磁波传递能量，改变增益大小，设计起来要格外小心。而对PID回路的优化，我们采用Ziegle-Nichols（辛格勒——尼科尔斯）法。这是个纯经验的方法，但很实用。首先开启正比反馈，建立一个低增益的锁相。逐渐调节增益大小，直到看到有稳定的振动发生，必要的时候需要给一点积分信号防止漂移发生。设定这时的增益为k0，振动周期是T0，那么需要设定的PID参数是：正比增益0.6k0，积分增益周期0.5T0，微分增益周期0.125T0。而最终的参数设定需要在频谱分析仪的帮助下，以这些参数为起点，反复优化。
计算机端，Labview是一个经常使用的流程控制软件，结合美国国家设备公司（National Instrument）的硬件一起使用，可以对每一步骤毫秒级的实验流程实施控制。对于更高频次的时序控制，需要有高频信号发生器作为辅助而由流程序列发出触发信号。一个冷原子实验流程通常要在几秒钟之内调用几万个机械、光学、电子、成像等部件的协同工作，控制程序的编程需要极大的总体设计能力和耐心，bug是经常出现的事情。而最终使用的控制流程程序，需要几年去完善。作为最早从事这个方向研究的麻省理工学院（MIT）的沃尔夫刚·凯塔勒（Wolfgang Ketteler，2001年诺奖得主）实验室的学生，也开发出了一个针对量子调控实验控制流程语言wordgenerator，在MIT系的研究人员里广泛使用。电路设计里PSpice等很多模拟软件也需要用到。对真空设计和机械件设计，Solidworks在这些年越来越普遍，功能也不断强大起来，早年我们是老老实实画工程图的。接下来，车钳铣刨也是实验物理的基础，我们这行的研究生第一年是要进行这方面的动手训练的，以至于成为一个常用的技能。伯克利物理系有一个三十多台机床的金工车间，专供研究人员自己用手加工实验仪器，我做博士后的时候是那里的常客。而为了把原子控制在芯片表面，我们也去材料系的纳米实验室学习和使用芯片刻蚀技术。
作为物理学工作者，数学基础是不可以缺少的。量子力学尤甚，入门的是微积分和线性代数，深一点的有群论和实变函数，要想碰相对论相关的，微分几何学是不可少的。物理学本身，从本科开始的理论力学、热统计物理学、电动力学和量子力学四大力学入门。高等量子力学里的量子场论和量子统计是这一门的核心基础课。我后来做了原子、分子和光学物理，有兴趣的还可以学习一下量子计算和量子信息。为了实验实现量子调控的目的，对原子的操控到达宏观量子层面，物理系的研究生，光（学）机（械）电（子）软（件）硬（件）通（信）这几项工程技术上都要亲自动手掌握并设计加工的。
数据分析是一个特殊的能力，一直是我引以自豪的本事，我可以在大量的数据里发现潜伏着的规律，这个不光是直觉训练，而是常年反复地看数据所训练出来的一种技能，“人脑的大数据处理器”。这也就是很多物理出身的人转战华尔街的原因，对数字有特殊的敏感。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
