人類首次遠(yuǎn)程制作玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)物質(zhì)

　　Amruta Gadge博士的家距離蘇塞克斯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室約3公里，目前她只能居家工作，可以在她的屏幕上看到玻色-愛因斯坦凝聚的圖像

新浪科技訊 北京時(shí)間5月26日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，在新冠病毒疫情隔離期間，英國(guó)一位物理學(xué)家在自家客廳利用量子技術(shù)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，制造出了第五種物質(zhì)狀態(tài)。

Amruta Gadge博士是英國(guó)蘇塞克斯大學(xué)數(shù)學(xué)與物理科學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家，她制造的是名為“玻色-愛因斯坦凝聚”（Bose-Einstein Condensate，簡(jiǎn)稱BEC）的物質(zhì)狀態(tài)。這是玻色子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，極低溫的原子聚集在一起，表現(xiàn)得如同一個(gè)單一的實(shí)體。

在疫情隔離期間，Gadge博士只能在離實(shí)驗(yàn)室約三公里外的自家起居室里工作，但她還是用電腦控制激光和無(wú)線電波，創(chuàng)造出了玻色-愛因斯坦凝聚。劍橋大學(xué)量子系的研究人員認(rèn)為，這是第一次有人通過(guò)遠(yuǎn)程操作，在之前從未制造過(guò)玻色-愛因斯坦凝聚的實(shí)驗(yàn)室里制造出了這種物質(zhì)狀態(tài)。

這一成就或許能為使用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作量子技術(shù)提供啟發(fā)，比如在太空或水下等難以接近的環(huán)境中。利用量子物理中鬼魅般的超距效應(yīng)，量子技術(shù)可以極大地加快信息處理的速度，從而開發(fā)出地球上最強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

“我們都非常興奮，因?yàn)槲覀兛梢栽诟綦x期間，以及未來(lái)任何可能的隔離情況下，采用遠(yuǎn)程方式繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，”蘇塞克斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授彼得·克魯格（Peter Kruger）說(shuō)，“增強(qiáng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室控制的能力，對(duì)于研究在太空、地下、潛艇以及極端天氣下難以接近的環(huán)境中操作量子技術(shù)而言，有著重大意義?！?/p>

玻色-愛因斯坦凝聚是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)（當(dāng)氣體中的原子電離時(shí)產(chǎn)生的）之后的第五種物質(zhì)狀態(tài)。20世紀(jì)20年代中期，阿爾伯特·愛因斯坦和印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）預(yù)言，量子力學(xué)可以迫使大量粒子表現(xiàn)出單個(gè)粒子的行為，這開啟了對(duì)所謂“第五物質(zhì)”的研究。

　　這張圖像證實(shí)了玻色-愛因斯坦凝聚的成功制造。從左到右可以看到，當(dāng)原子冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，其行為就像一個(gè)單一實(shí)體

然而，直到1995年6月，科學(xué)家們通過(guò)在170nK（1.7×10^-7K）的低溫下冷卻由大約2000個(gè)銣-87原子組成的稀薄氣體，才制造出了世界上第一個(gè)玻色-愛因斯坦凝聚。

玻色-愛因斯坦凝聚通常是一團(tuán)由成千上萬(wàn)個(gè)銣原子組成的云，這些氣態(tài)原子冷卻至接近絕對(duì)零度，即原子停止運(yùn)動(dòng)的溫度。然而，就在絕對(duì)零度之上，原子具有一種不同尋常的性質(zhì)，它們會(huì)結(jié)合成一個(gè)單一的量子物體，也就是幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，形成一個(gè)宏觀的量子狀態(tài)，并可以感知非常弱的磁場(chǎng)。

蘇塞克斯大學(xué)的量子系統(tǒng)與設(shè)備研究小組就在布萊頓郊外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目的是用玻色-愛因斯坦凝聚作為磁傳感器?！拔覀兪褂枚鄠€(gè)精心定時(shí)的激光和無(wú)線電波冷卻步驟，在超低溫條件下制備出銣原子氣體，”克魯格教授說(shuō)，“這需要用計(jì)算機(jī)對(duì)激光、磁鐵和微芯片中的電流進(jìn)行精確控制，同時(shí)也需要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件進(jìn)行警覺的監(jiān)控，因?yàn)闆]有人能夠親自到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查?！?/p>

Gadge博士在大學(xué)量子實(shí)驗(yàn)室設(shè)置了控制原子的激光器，之后實(shí)驗(yàn)室就因新冠疫情關(guān)閉

就在隔離措施規(guī)定可以居家工作的人應(yīng)該待在家里之前，研究人員設(shè)置了一個(gè)二維磁光阱，這是一套看起來(lái)很奇怪的金屬裝置，利用激光和磁鐵來(lái)產(chǎn)生捕獲的原子。Gadge博士通過(guò)遠(yuǎn)程訪問實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)，在家中運(yùn)行序列，從而進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。

“研究小組一直在觀察隔離和在家工作的情況，因此我們已經(jīng)有好幾個(gè)星期無(wú)法進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室了，”Gadge博士說(shuō)，“過(guò)程要比我在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)候慢得多，因?yàn)檫@個(gè)實(shí)驗(yàn)不穩(wěn)定，每次運(yùn)行之間我都需要10到15分鐘的冷卻時(shí)間?！?/p>

“這顯然沒有手動(dòng)操作的效率高，而且也更加費(fèi)力，因?yàn)槲覠o(wú)法像在實(shí)驗(yàn)室工作那樣進(jìn)行系統(tǒng)掃描或修復(fù)不穩(wěn)定性，”她補(bǔ)充道，“但我們決心繼續(xù)研究，我們也一直在探索遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的新方法?！?/p>

被捕獲的低溫量子氣體在受控狀態(tài)下，可以創(chuàng)建極其精確的傳感器，用于探測(cè)和研究新的材料、幾何形狀和設(shè)備。目前研究小組正在對(duì)傳感器進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)，以應(yīng)用于電動(dòng)汽車電池、觸摸屏、太陽(yáng)能電池以及腦成像等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。

掃描隧道顯微鏡顯示了一個(gè)精確放置并封裝在硅中的磷原子量子比特

在過(guò)去的9個(gè)月里，該研究團(tuán)隊(duì)還一直致力于建立第二個(gè)實(shí)驗(yàn)室，以穩(wěn)定地制造出玻色-愛因斯坦凝聚。這將作為開發(fā)新型磁顯微鏡和其他量子傳感器等更大項(xiàng)目的一部分。

蘇塞克斯大學(xué)是英國(guó)國(guó)家量子計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的一部分。該網(wǎng)絡(luò)成立于2013年，目標(biāo)是將第一臺(tái)通用的量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化。早在2017年，劍橋大學(xué)就在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）雜志上發(fā)表了建造量子計(jì)算機(jī)的藍(lán)圖。2019年10月，谷歌公司聲稱已經(jīng)取得了量子計(jì)算的突破，其開發(fā)的處理器可以在幾分鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要1萬(wàn)年才能完成的計(jì)算。然而，谷歌在量子技術(shù)研究領(lǐng)域的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，包括IBM等，對(duì)谷歌聲稱已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的所謂“量子霸權(quán)”提出了異議。所謂量子霸權(quán)，又稱量子優(yōu)越性，是指量子計(jì)算機(jī)能夠解決古典計(jì)算機(jī)實(shí)際上無(wú)法解決的問題。

IBM也在研究自己的量子計(jì)算機(jī)，該公司認(rèn)為，谷歌的“Sycamore”量子計(jì)算機(jī)所完成的隨機(jī)數(shù)生成任務(wù)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)理論上在經(jīng)過(guò)1萬(wàn)年的處理后也是可以完成的。IBM研究人員在一篇博客文章中寫道，由于約翰•普萊斯基爾（John Preskill）在2012年提出的“量子霸權(quán)”一詞的原意是描述量子計(jì)算機(jī)可以做到經(jīng)典計(jì)算機(jī)不能做到的事情，因此谷歌還沒有達(dá)到這個(gè)門檻。

蘇塞克斯量子技術(shù)中心主任溫弗里德·亨辛格（Winfried Hensinger）教授當(dāng)時(shí)在接受采訪時(shí)表示：“他們（谷歌）選擇的問題是一個(gè)完全沒有實(shí)際用途的問題，下一步將是解決有用的問題?！?/p>

什么是量子計(jì)算機(jī)？它是如何工作的？

量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵在于它不僅能在“開”或“關(guān)”的回路基礎(chǔ)上工作，而且還能同時(shí)處于“開”和“關(guān)”的狀態(tài)。這聽起來(lái)很奇怪，但卻是由量子力學(xué)的規(guī)律決定的。量子力學(xué)決定了組成原子的粒子的行為。在這個(gè)微觀尺度上，物質(zhì)的行為方式在我們所處宇宙的宏觀尺度上是不可能的。

量子力學(xué)允許這些極小的粒子以多種狀態(tài)存在，這就是所謂的“疊加”，直到它們被觀察或被干擾。一個(gè)很好的類比是一枚在空中旋轉(zhuǎn)的硬幣，在它落地之前，你不能說(shuō)它是“正”還是“反”。

現(xiàn)代計(jì)算的核心是二進(jìn)制代碼，經(jīng)典計(jì)算機(jī)幾十年來(lái)都以此為基礎(chǔ)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)的“比特”由0和1組成，而量子計(jì)算機(jī)的“量子位”既可以取0或1的值，還可以同時(shí)取0和1的值。對(duì)量子計(jì)算機(jī)而言，其發(fā)展的主要障礙之一是如何證明它們可以打敗經(jīng)典計(jì)算機(jī)。谷歌、IBM和英特爾等公司都在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

玻色-愛因斯坦凝聚：物質(zhì)的第五種狀態(tài)

　　在瑞典基律納進(jìn)行的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)用來(lái)產(chǎn)生玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的原子“阱”。阿爾伯特·愛因斯坦和印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色在1924年到1925年之間就預(yù)言了玻色-愛因斯坦凝聚，但制造這種物質(zhì)狀態(tài)所需的技術(shù)直到1995年才出現(xiàn)

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（BEC）被稱為物質(zhì)的第五態(tài)，而前四種分別是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)。這種狀態(tài)是在接近絕對(duì)零度的低溫下形成的，而且只在表現(xiàn)得像玻色子的原子中形成。

玻色子是兩種基本粒子中的一種。當(dāng)玻色子原子冷卻形成凝聚態(tài)時(shí)，它們會(huì)失去自己的特性，其行為就像一個(gè)巨大的超級(jí)原子集團(tuán)，有點(diǎn)像在激光束中變得難以分辨的光子。1995年6月5日，美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼通過(guò)實(shí)驗(yàn)制造出了第一個(gè)玻色-愛因斯坦凝聚。四個(gè)月后，麻省理工學(xué)院的沃爾夫?qū)た颂乩帐褂免c-23獨(dú)立獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。2001年，康奈爾、威曼和克特勒分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。（任天）