疫情隔离,女物理学家用量子技术远程制造出第五种物质状态

新浪科技 2020/5/26 9:09:52 责编:懒猫

北京时间5月26日消息,据国外媒体报道,在新冠病毒疫情隔离期间,英国一位物理学家在自家客厅利用量子技术远程控制实验室设备,制造出了第五种物质状态。

Amruta Gadge博士是英国苏塞克斯大学数学与物理科学学院的物理学家,她制造的是名为“玻色-爱因斯坦凝聚”(Bose-Einstein Condensate,简称BEC)的物质状态。这是玻色子原子在冷却到接近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状态。在这种状态下,极低温的原子聚集在一起,表现得如同一个单一的实体。

▲ Amruta Gadge博士的家距离苏塞克斯大学的实验室约3公里,目前她只能居家工作,可以在她的屏幕上看到玻色-爱因斯坦凝聚的图像

在疫情隔离期间,Gadge博士只能在离实验室约三公里外的自家起居室里工作,但她还是用电脑控制激光和无线电波,创造出了玻色-爱因斯坦凝聚。剑桥大学量子系的研究人员认为,这是第一次有人通过远程操作,在之前从未制造过玻色-爱因斯坦凝聚的实验室里制造出了这种物质状态。

这一成就或许能为使用计算机远程操作量子技术提供启发,比如在太空或水下等难以接近的环境中。利用量子物理中鬼魅般的超距效应,量子技术可以极大地加快信息处理的速度,从而开发出地球上最强大的计算机。

“我们都非常兴奋,因为我们可以在隔离期间,以及未来任何可能的隔离情况下,采用远程方式继续进行实验,”苏塞克斯大学实验物理学教授彼得·克鲁格(Peter Kruger)说,“增强远程实验室控制的能力,对于研究在太空、地下、潜艇以及极端天气下难以接近的环境中操作量子技术而言,有着重大意义。”

玻色-爱因斯坦凝聚是继固态、液态、气态和等离子态(当气体中的原子电离时产生的)之后的第五种物质状态。20世纪20年代中期,阿尔伯特·爱因斯坦和印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色(Satyendra Nath Bose)预言,量子力学可以迫使大量粒子表现出单个粒子的行为,这开启了对所谓“第五物质”的研究。

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▲ 这张图像证实了玻色-爱因斯坦凝聚的成功制造。从左到右可以看到,当原子冷却到接近绝对零度时,其行为就像一个单一实体

然而,直到1995年6月,科学家们通过在170nK(1.7×10^-7K)的低温下冷却由大约2000个铷-87原子组成的稀薄气体,才制造出了世界上第一个玻色-爱因斯坦凝聚。

玻色-爱因斯坦凝聚通常是一团由成千上万个铷原子组成的云,这些气态原子冷却至接近绝对零度,即原子停止运动的温度。然而,就在绝对零度之上,原子具有一种不同寻常的性质,它们会结合成一个单一的量子物体,也就是几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一个宏观的量子状态,并可以感知非常弱的磁场。

苏塞克斯大学的量子系统与设备研究小组就在布莱顿郊外进行实验,目的是用玻色-爱因斯坦凝聚作为磁传感器。“我们使用多个精心定时的激光和无线电波冷却步骤,在超低温条件下制备出铷原子气体,”克鲁格教授说,“这需要用计算机对激光、磁铁和微芯片中的电流进行精确控制,同时也需要对实验室的环境条件进行警觉的监控,因为没有人能够亲自到现场进行检查。”

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▲ Gadge博士在大学量子实验室设置了控制原子的激光器,之后实验室就因新冠疫情关闭

就在隔离措施规定可以居家工作的人应该待在家里之前,研究人员设置了一个二维磁光阱,这是一套看起来很奇怪的金属装置,利用激光和磁铁来产生捕获的原子。Gadge博士通过远程访问实验室的计算机,在家中运行序列,从而进行复杂的计算。

“研究小组一直在观察隔离和在家工作的情况,因此我们已经有好几个星期无法进入实验室了,”Gadge博士说,“过程要比我在实验室的时候慢得多,因为这个实验不稳定,每次运行之间我都需要10到15分钟的冷却时间。”

“这显然没有手动操作的效率高,而且也更加费力,因为我无法像在实验室工作那样进行系统扫描或修复不稳定性,”她补充道,“但我们决心继续研究,我们也一直在探索远程进行实验的新方法。”

被捕获的低温量子气体在受控状态下,可以创建极其精确的传感器,用于探测和研究新的材料、几何形状和设备。目前研究小组正在对传感器进行进一步开发,以应用于电动汽车电池、触摸屏、太阳能电池以及脑成像等医学领域。

▲ 扫描隧道显微镜显示了一个精确放置并封装在硅中的磷原子量子比特

在过去的9个月里,该研究团队还一直致力于建立第二个实验室,以稳定地制造出玻色-爱因斯坦凝聚。这将作为开发新型磁显微镜和其他量子传感器等更大项目的一部分。

苏塞克斯大学是英国国家量子计算网络的一部分。该网络成立于2013年,目标是将第一台通用的量子计算机商业化。早在2017年,剑桥大学就在《科学进展》(Science Advances)杂志上发表了建造量子计算机的蓝图。2019年10月,谷歌公司声称已经取得了量子计算的突破,其开发的处理器可以在几分钟内完成传统计算机需要1万年才能完成的计算。然而,谷歌在量子技术研究领域的主要竞争对手,包括IBM等,对谷歌声称已经实现的所谓“量子霸权”提出了异议。所谓量子霸权,又称量子优越性,是指量子计算机能够解决古典计算机实际上无法解决的问题。

IBM也在研究自己的量子计算机,该公司认为,谷歌的“Sycamore”量子计算机所完成的随机数生成任务,经典计算机理论上在经过1万年的处理后也是可以完成的。IBM研究人员在一篇博客文章中写道,由于约翰•普莱斯基尔(John Preskill)在2012年提出的“量子霸权”一词的原意是描述量子计算机可以做到经典计算机不能做到的事情,因此谷歌还没有达到这个门槛。

苏塞克斯量子技术中心主任温弗里德·亨辛格(Winfried Hensinger)教授当时在接受采访时表示:“他们(谷歌)选择的问题是一个完全没有实际用途的问题,下一步将是解决有用的问题。”

什么是量子计算机?它是如何工作的?

量子计算机的关键在于它不仅能在“开”或“关”的回路基础上工作,而且还能同时处于“开”和“关”的状态。这听起来很奇怪,但却是由量子力学的规律决定的。量子力学决定了组成原子的粒子的行为。在这个微观尺度上,物质的行为方式在我们所处宇宙的宏观尺度上是不可能的。

量子力学允许这些极小的粒子以多种状态存在,这就是所谓的“叠加”,直到它们被观察或被干扰。一个很好的类比是一枚在空中旋转的硬币,在它落地之前,你不能说它是“正”还是“反”。

现代计算的核心是二进制代码,经典计算机几十年来都以此为基础。经典计算机的“比特”由0和1组成,而量子计算机的“量子位”既可以取0或1的值,还可以同时取0和1的值。对量子计算机而言,其发展的主要障碍之一是如何证明它们可以打败经典计算机。谷歌、IBM和英特尔等公司都在努力实现这一目标。

玻色-爱因斯坦凝聚:物质的第五种状态

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▲ 在瑞典基律纳进行的另一个实验中,一个用来产生玻色-爱因斯坦凝聚态的原子“阱”。阿尔伯特·爱因斯坦和印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色在1924年到1925年之间就预言了玻色-爱因斯坦凝聚,但制造这种物质状态所需的技术直到1995年才出现

玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)被称为物质的第五态,而前四种分别是固态、液态、气态和等离子态。这种状态是在接近绝对零度的低温下形成的,而且只在表现得像玻色子的原子中形成。

玻色子是两种基本粒子中的一种。当玻色子原子冷却形成凝聚态时,它们会失去自己的特性,其行为就像一个巨大的超级原子集团,有点像在激光束中变得难以分辨的光子。1995年6月5日,美国科罗拉多大学博尔德分校的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼通过实验制造出了第一个玻色-爱因斯坦凝聚。四个月后,麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒使用钠-23独立获得了玻色-爱因斯坦凝聚。2001年,康奈尔、威曼和克特勒分享了诺贝尔物理学奖。

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关键词:量子技术

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