英女物理家用量子技術遠程制造第五種物質(zhì)狀態(tài)

據(jù)國外媒體報道，在新冠病毒疫情隔離期間，英國一位物理學家在自家客廳利用量子技術遠程控制實驗室設備，制造出了第五種物質(zhì)狀態(tài)。

Amruta Gadge博士是英國蘇塞克斯大學數(shù)學與物理科學學院的物理學家，她制造的是名為“玻色-愛因斯坦凝聚”（Bose-Einstein Condensate，簡稱BEC）的物質(zhì)狀態(tài)。這是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現(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)得如同一個單一的實體。

在疫情隔離期間，Gadge博士只能在離實驗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線電波，創(chuàng)造出了玻色-愛因斯坦凝聚。劍橋大學量子系的研究人員認為，這是第一次有人通過遠程操作，在之前從未制造過玻色-愛因斯坦凝聚的實驗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算機遠程操作量子技術提供啟發(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，量子技術可以極大地加快信息處理的速度，從而開發(fā)出地球上最強大的計算機。

“我們都非常興奮，因為我們可以在隔離期間，以及未來任何可能的隔離情況下，采用遠程方式繼續(xù)進行實驗，”蘇塞克斯大學實驗物理學教授彼得·克魯格（Peter Kruger）說，“增強遠程實驗室控制的能力，對于研究在太空、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)（當氣體中的原子電離時產(chǎn)生的）之后的第五種物質(zhì)狀態(tài)。20世紀20年代中期，阿爾伯特·愛因斯坦和印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）預言，量子力學可以迫使大量粒子表現(xiàn)出單個粒子的行為，這開啟了對所謂“第五物質(zhì)”的研究。

這張圖像證實了玻色-愛因斯坦凝聚的成功制造。從左到右可以看到，當原子冷卻到接近絕對零度時，其行為就像一個單一實體

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

玻色-愛因斯坦凝聚通常是一團由成千上萬個銣原子組成的云，這些氣態(tài)原子冷卻至接近絕對零度，即原子停止運動的溫度。然而，就在絕對零度之上，原子具有一種不同尋常的性質(zhì)，它們會結(jié)合成一個單一的量子物體，也就是幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子態(tài)，形成一個宏觀的量子狀態(tài)，并可以感知非常弱的磁場。

蘇塞克斯大學的量子系統(tǒng)與設備研究小組就在布萊頓郊外進行實驗，目的是用玻色-愛因斯坦凝聚作為磁傳感器?！拔覀兪褂枚鄠€精心定時的激光和無線電波冷卻步驟，在超低溫條件下制備出銣原子氣體，”克魯格教授說，“這需要用計算機對激光、磁鐵和微芯片中的電流進行精確控制，同時也需要對實驗室的環(huán)境條件進行警覺的監(jiān)控，因為沒有人能夠親自到現(xiàn)場進行檢查?！?/p>

Gadge博士在大學量子實驗室設置了控制原子的激光器，之后實驗室就因新冠疫情關閉

就在隔離措施規(guī)定可以居家工作的人應該待在家里之前，研究人員設置了一個二維磁光阱，這是一套看起來很奇怪的金屬裝置，利用激光和磁鐵來產(chǎn)生捕獲的原子。Gadge博士通過遠程訪問實驗室的計算機，在家中運行序列，從而進行復雜的計算。

“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)有好幾個星期無法進入實驗室了，”Gadge博士說，“過程要比我在實驗室的時候慢得多，因為這個實驗不穩(wěn)定，每次運行之間我都需要10到15分鐘的冷卻時間?！?/p>

“這顯然沒有手動操作的效率高，而且也更加費力，因為我無法像在實驗室工作那樣進行系統(tǒng)掃描或修復不穩(wěn)定性，”她補充道，“但我們決心繼續(xù)研究，我們也一直在探索遠程進行實驗的新方法?！?/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，用于探測和研究新的材料、幾何形狀和設備。目前研究小組正在對傳感器進行進一步開發(fā)，以應用于電動汽車電池、觸摸屏、太陽能電池以及腦成像等醫(yī)學領域。

掃描隧道顯微鏡顯示了一個精確放置并封裝在硅中的磷原子量子比特

在過去的9個月里，該研究團隊還一直致力于建立第二個實驗室，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目的一部分。

蘇塞克斯大學是英國國家量子計算網(wǎng)絡的一部分。該網(wǎng)絡成立于2013年，目標是將第一臺通用的量子計算機商業(yè)化。早在2017年，劍橋大學就在《科學進展》（Science Advances）雜志上發(fā)表了建造量子計算機的藍圖。2019年10月，谷歌公司聲稱已經(jīng)取得了量子計算的突破，其開發(fā)的處理器可以在幾分鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)計算機需要1萬年才能完成的計算。然而，谷歌在量子技術研究領域的主要競爭對手，包括IBM等，對谷歌聲稱已經(jīng)實現(xiàn)的所謂“量子霸權”提出了異議。所謂量子霸權，又稱量子優(yōu)越性，是指量子計算機能夠解決古典計算機實際上無法解決的問題。

IBM也在研究自己的量子計算機，該公司認為，谷歌的“Sycamore”量子計算機所完成的隨機數(shù)生成任務，經(jīng)典計算機理論上在經(jīng)過1萬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”一詞的原意是描述量子計算機可以做到經(jīng)典計算機不能做到的事情，因此谷歌還沒有達到這個門檻。

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

什么是量子計算機？它是如何工作的？

量子計算機的關鍵在于它不僅能在“開”或“關”的回路基礎上工作，而且還能同時處于“開”和“關”的狀態(tài)。這聽起來很奇怪，但卻是由量子力學的規(guī)律決定的。量子力學決定了組成原子的粒子的行為。在這個微觀尺度上，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，你不能說它是“正”還是“反”。

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

玻色-愛因斯坦凝聚：物質(zhì)的第五種狀態(tài)

在瑞典基律納進行的另一個實驗中，一個用來產(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家薩特延德拉·納特·玻色在1924年到1925年之間就預言了玻色-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。當玻色子原子冷卻形成凝聚態(tài)時，它們會失去自己的特性，其行為就像一個巨大的超級原子集團，有點像在激光束中變得難以分辨的光子。1995年6月5日，美國科羅拉多大學博爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼通過實驗制造出了第一個玻色-愛因斯坦凝聚。

四個月后，麻省理工學院的沃爾夫?qū)た颂乩帐褂免c-23獨立獲得了玻色-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獎。