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宇宙中最冷的实验,德国科学家发明原子干涉仪的新仪器
发布时间:2020-01-12 15:24
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原标题:做到了这一步,量子计算机的扩展也许指日可待

一个以德国科学家为主的欧洲研究团队在微重力下的量子气体项目上取得重要进展,他们成功开发出一种仪器,其可在失重条件下产生玻色—爱因斯坦凝聚态。科学家希望借助这种零重力下的超低温量子气体研制原子干涉仪等高精密测量仪器,以用于测量地球的重力场,同时解决物理学领域的一些基础问题。相关成果发表在最新的《科学》杂志上。

你能想到的最冷的地方在哪里?

我写过不少关于量子计算的文章,实际上主要是两类:一类是基于量子门的计算,另一类是绝热量子计算。其实还有第三种,叫做“量子行走”。所谓量子行走,用自然界的例子来说,就是光合作用过程中电子转移的工作原理。当前,研究者已经能够催动整块的原子云“齐步走”,实现量子行走。

物质波干涉开辟了计量学和基础物理学领域精确测量的全新办法。一个充满希望的干涉源就是玻色—爱因斯坦凝聚。玻色—爱因斯坦凝聚态是原子在冷却到绝对零度左右时所呈现出的一种气态的、超流性的物态。在这种状态下,几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,原子因此失去其独立的身份,可以用一个波函数来描述。这种物质状态显示出和激光巨大的相似性。将玻色—爱因斯坦凝聚体中的原子相干耦合输出,就可得到一种性能全新的相干物质波源——原子激光。这种原子激光是将来提高原子干涉仪灵敏度和准确性的关键。

在冬季,南极洲的温度低至零下85℃;在月球的阴暗面,温度可达到零下173℃;自然界中已知最冷的物质是液氦,它的温度是零下269℃。

光可以实现量子行走,但需要配备一台新式计算机来算出每一步。不过,在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质的关系都反过来了。研究人员就是通过这个原理实现了玻色凝聚态下的量子行走。

现在,由德国汉诺威大学领导的QUANTUS项目组成功研发出一种新仪器,其外形是一个与门差不多高和宽的圆柱体,内部安装有原子芯片、螺线管、激光器和摄像头。该设备已在不来梅应用空间技术和微重力中心146米的下降塔中得到应用,并在失重条件下成功获得了玻色—爱因斯坦凝聚态。

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在不来梅下降塔的自由下落实验中,科学家在原子芯片上创造了一个数毫米大的宏观波包,并且观察其演变超过1秒。归功于类似激光的特性,科学家们借助光诊断的方法确认这个物质波包中超过10000个原子是不确定的(即处于玻色—爱因斯坦凝聚态)。研究小组在不来梅下降塔进行投放试验超过180次,是目前为止最复杂和最稳定的试验。这些试验结果为未来利用原子干涉观察量子物质演变以及将其作为惯性传感器的研究奠定了基础。

不过宇宙中有这样一个地方,它的温度比液氮还要冷得多,只比绝对零度(理论预言的物质能够达到的温度极低限)高十亿分之一度,这个地方就是位于国际空间站的冷原子实验室。顾名思义,冷原子实验室就是制造“超冷”原子云的地方。

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型,类似波的特点清晰可见。

未来原子干涉仪的应用范围将从地球重力场测量的跨学科应用延伸至弱等效原则的量子试验。弱等效原则是广义相对论的理论基石。与组成无关的物质波以同样的方式在重力场中下降需要弱等效原则。等效原则试验或许有助于将量子力学和广义相对论统一到一个共同的理论里。因此,这个量子物质等效原则试验是利用玻色—爱因斯坦凝聚态验证爱因斯坦相对论的一个令人鼓舞的做法。

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三类量子计算机

来源:仪表展览网

不过,科学家们为什么要在太空中造出比绝对零度高出几十亿分之一度、甚至几百亿分之一度的原子云呢?这还要从最有名的物理学家爱因斯坦说起。

进入正题之前,我想先对不同类型的量子计算机做一番简要的比较。量子门是大家最熟悉的,就是通过一个量子门的集合来完成严谨的逻辑运算,末端读出结果。

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最冷条件下的新状态

绝热量子计算则不涉及严谨运算,而是将问题转化为实现某一能量景观的最低能耗,打个比方,解决方案就在丘壑地区的深谷之中。思路是这样的:先从一片平滑的碗状地带入手,逐渐制造出“山陵”,直至量子位落入最深的“谷底”,计算结束。读出量子位的值,问题就解决了。

1925年,爱因斯坦单独发表了一篇名为《理想气体的量子统计》的论文。在这篇论文中,爱因斯坦首次预言了玻色-爱因斯坦凝聚态,这是一种原子在极低温度下所达到的物质状态,在固态、液态、气态和等离子态之后,它被称为物质的第五种状态。为什么叫玻色-爱因斯坦凝聚态呢?这里有一个小故事。

而量子行走跟量子门、绝热计算都不一样。对于量子行走来说,问题转化为一系列的线路。一个量子态将同时出现在所有可能的线路中,但各条线路会相互干涉,而包含了答案的那条线路出现量子态的概率更高,其他线路的概率则较低。换而言之,先放进一个微观物体——比方说一个光子,然后测量光子出现的位置,就能找到答案。

通常,在我们的概念中,组成物质的粒子都是一个个单独的个体,它们都做着各自的不规则热运动,运动的大小和方向各不相同,这些粒子都处于不同的状态,也就是说,各个粒子是可以区分的。

此时的思路是这样的:制造一套相互关联的线路,将有待解决的问题编入其中。如果说一个光子是一个量子位,那么光纤就是实现上述方案的材料。先使光纤相互耦合,确保量子位沿多条线路游走并自我干涉。耦合的强度决定了每一根光纤中光子的“数量”,而光纤的长度决定了干涉的性质是有益还是有害。

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光的量子行走固然好,但每一根光纤须得维持不变:光纤的长度以及不同光纤之间的耦合强度无法及时调整。说到底,这种基于光学量子行走的计算机,缺少可编程的因素。

然而,早在1924年,一位印度的数学物理学家玻色在研究光子统计的时候,就提出了一个想法,微观粒子存在彼此不可区分的情况,在得出这个想法之后,玻色马上写了一篇相关的论文。不过,由于当时的玻色是一个连博士学位都没有的无名科学家,没有期刊愿意登出他的论文。于是,玻色一气之下,直接把论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦看到玻色的论文非常激动,亲自将玻色的论文翻译成德语,并发表在德国的杂志上。后来,爱因斯坦在玻色理论的基础上提出了玻色-爱因斯坦凝聚态的现象。人们为了纪念两人对这种新状态的预言,便称它为玻色-爱因斯坦凝聚态。

像光一样流动的物质

讲了半天这个玻色-爱因斯坦凝聚态,它到底是怎么回事呢?

在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质扮演的角色可以互换。所谓玻色凝聚,指处在同一量子态的冷原子的集合。简而言之,该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。这时候如果用脉冲光对其加以轰击,这颗“粒子”将以一定频率震颤,导致漂移。至于漂移的方向,取决于玻色凝聚的内部状态。

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微观世界的粒子具有波粒二象性,也就是说,微观粒子不仅可以用粒子的术语来描述,还可以用波的术语来描述。以原子为例,原子既可以看成一个粒子,也可以看成是一个波。粒子运动的特性可以用动量(粒子质量和速度的乘积)来描述,粒子波动的特性可以用波长来描述,而动量和波长呈反比,即粒子的运动速度越慢,波长越长。同时,物质的温度来自于本身的热运动,如果粒子运动速度降低,温度自然就变低了。

玻色凝聚的内部状态是由微波脉冲设定的。比方说,适当的微波脉冲会令玻色凝聚态处在两种量子态的叠加态。此时如果再用激光脉冲加以轰击,玻色凝聚就必然因叠加态而同时向两个方向移动。

一般情况下,原子和原子之间的距离都特别大,它们的动量也比较大。但随着原子运动速度越来越慢,即原子的温度越来越冷,原子就开始慢慢展现出自己波动的性质。我们可以把原子波长变长形象地比喻成原子变得越来越胖。当原子本身波长接近或者超过原子之间的距离之时,原子之间就开始“碰到”了,继续冷下去就变成了你中有我、我中有你,所有的原子就变成了一个整体,拥有一样的状态,即玻色-爱因斯坦凝聚态。处于这个状态的原子会有一些奇特的性质,而这些性质可以为我们研究原子或其他的物理现象提供一个新视角。

研究者证实,只要依次施以微波和激光脉冲,就能像经验丰富的弹球玩家一样,随意控制玻色凝聚的空间线路。不同的是,这里是量子弹球——每当玻色凝聚撞到反弹杠,就会同时向多个方向反弹,再撞到更多的反弹杠。更复杂的是,量子弹球会穿越不同的线路,再在各类节点重新组合。线路交叉之处,玻色凝聚发生自我干涉。干涉会导致在某些线路上找到玻色凝聚的概率降低,而在另一些线路上的概率上升。量子计算恰好需要这个。

生产冷原子的“小盒子”

把光变成固体

2018年5月21号,美国国家航空航天局将一个差不多抽屉大小的小型设备——冷原子实验室发往国际空间站(由16个国家共同参与管理),在发送成功后的7个月里,科学家们每天都通过远程操控的方式,生产着超冷原子,并观测着超冷原子的行为。该冷原子实验室由激光器、真空室和一把电磁“刀”组成,它利用了激光冷却和蒸发冷却两种技术。

光的量子行走尚且需要玻璃纤维以固定的方式、(在交汇点上)以固定的长度相互耦合,而玻色凝聚则更为灵活。脉冲光可以推动玻色凝聚在自由空间行动,而微波脉冲则如同各条线路之间的耦合器。脉冲光的数量,决定了行动线路的长度;而微波脉冲的强度,则决定了各条线路的耦合性。这是重点。

接下来,我们分别了解一下这两种技术。

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如果一个粒子朝我们飞来,我们该如何让它停下来?答案自然是对着粒子运动的方向施加一个力,让它减速。类似地,激光中的光子具有一定的动量,方向为光传播的方向,如果光子和原子发生碰撞,也会产生一个力,让原子减速。由于原子的热运动是不规则的,我们不知道它具体的运动方向,因此,就需要用激光在各个方向上让原子减速,来降低它的温度。这就是激光冷却技术的原理。

玻色凝聚态下,量子行走的路线是可编程的。因为光也好,微波脉冲也好,都不是一成不变,可以随时调整。

虽然激光冷却技术可以将原子温度降到极低,但这个温度还不足以让原子达到玻色-爱因斯坦凝聚态。原子的进一步冷却就需要用到蒸发冷却技术,这个技术的基本原理类似于一杯热水的冷却。在人们喝水的时候,如果水太烫了,人就要吹一吹,让水变凉。由于分子在不停的运动,水的表面有一些速度大的分子(即能量高、比较热的分子)会脱离液态水分子集团,跑到空气中,这部分水分子变成了水蒸气,将水表面比较热的水蒸气分子吹跑,水杯中的水就凉下来了。类似地,蒸发冷却就是将原子云中比较热的原子移走(这部分原子能量较高,本身就容易逃离原子云),整个原子云的温度就会下降了。

只不过,这样的计算机还没造出来。科学家虽已证明了对单个玻色凝聚实现量子行走的可能,但还没有证明他们能够在量子行走中对某个问题进行编码。

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据我所知,在量子行走中对问题进行编码,难度不小。必须设定好各个微波脉冲、分别对应不同行走线路,才能造出计算机。再以光纤为例。在光学量子行走中,如果光子同时进入左右两条线路,那么左边那条线路就会受制于右边那条线路的长度和耦合度。但是,在玻色凝聚中,不同线路之间相距无几,根本不能使微波脉冲对准具体任何一条。换句话说,微波源将不可避免地修改整个玻色凝聚的内部状态。

实际上,利用这两种技术,地球上的实验室也可以产生超冷原子。但是在地面上,重力会作用于冷却的原子云,使它们迅速下落,原子云马上又热起来了。在这期间,科学家们能够观察玻色-爱因斯坦凝聚态原子云的时间只有几分之一秒。虽然磁场可以用来“捕获”原子云并使其保持静止,但是这样就观测不到凝聚态原子的自然运动行为了。因此,科学家们想在太空中生产冷原子,因为在太空的微重力下,冷原子云漂浮的时间要长得多,科学家们可以对凝聚态原子的行为有更深入的了解。

话说回来,现在毕竟有了好的开端。玻色凝聚态下的量子行走,有利于将量子门和绝热计算的优势结合起来。其一,玻色凝聚是在真空洁净环境下,靠的是中性原子,有可能形成高度可靠、长期存在的量子位。在这个意义上,玻色凝聚更像是离子阱量子计算机。其二,它既有望解决更复杂的难题,又不必专门处理大量的量子位,倒更像是绝热量子计算的方法,发展前景可期。

mg娱乐游戏平台,mg游戏网站,不过,一个能够送到太空中的冷原子实验室并不容易制作。通常,地球上的冷原子设备非常庞大,能占据一整间实验室,同时一些开关都暴露在外面,以便科学家们随时调整设备。首先,送往太空的最冷实验室体积要小;其次,科学家们只能在地球对它进行远程操作。实际上,科学家和工程师们在2012年就开始制作这个太空冷原子实验室了,但直到2018年,它才成功地被送到太空中。

本文作者Chris Lee系荷兰方堤斯应用科学大学教师。

改造未来的新材料

翻译:李芜

自玻色-爱因斯坦凝聚态被观测到以来,冷原子实验就备受关注,原因在于冷原子实验的结果可能会导致许多技术的发展,比如传感器、原子钟、干涉仪和量子计算机等。

校对:李莉

以量子计算机为例,量子计算机的实现需要利用到量子效应。经典计算机中一比特只能处于1或0的两种二进制状态之一,那么,两个比特可以表示0、1、2、3四个数之一(二进制1、0为十进制的2,二进制1、1为十进制的3)。我们利用电路的断开和闭合来表示0和1,然后通过复杂的电路,让计算机完成复杂的运算。而基于量子力学规律的量子计算机基本存储单位是量子比特,相对于比特中存储的信息只能是0或1两种状态,由于量子处于叠加态,所以量子比特中存储的信息可能是1也可能是0,即量子比特存储的信息可以既是0又是1。因此,一个量子比特可以同时表示1和0两个数,两个量子比特可以同时表示0、1、2、3四个数。实际上,量子计算机可以通过冷原子在自身的基态和某一激发态(比基态高出特定能量的状态)之间的跃迁来表示0和1。而冷原子作为微观粒子,具有量子的叠加特性,即冷原子既可以处于基态也可以处于激发态。同时,冷原子的运动速度慢,能量低,与热原子相比有更加明确的能量状态(热原子可能处于的能量状态不只两种),因此,冷原子是一种很好的量子比特候选材料。

编辑:颖仔

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来源:arstechnica

另外,冷原子实验还可以用来提高原子钟的精度。目前,我们对时间的定义是由铯原子所释放的光子频率决定的,如何确定这个频率就决定了时间的精确度。科学家们会让铯原子通过微波腔(微波腔可以发出特定频率的电磁波,并且研究人员可以调节电磁波的频率),当微波腔发出的频率和铯原子的光子频率相同时,就会产生共振,科学家们就可以确定铯原子的光子频率。然而,铯原子在常温下的平均速度约几百米每秒,通过微波腔的时间非常短,极大地限制了确定频率的稳定度。而太空中的冷原子运动速度被极大地降低了,通过微波腔的时间长了,精度自然也就提高了。原子钟的精度原先误差为1秒/300万年,冷原子钟的精度可以提高到1秒/3亿年,提高了2个数量级。

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任何一个物理现象的背后都有着深远的现实意义,关键在于我们能否及时发现并应用。太空冷原子实验以及玻色-爱因斯坦凝聚态的研究必定会对物理学产生深远的影响,促进科学技术的进步。

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