奇异量子效应终于被证实:可使物质隐形

2021/11/23 9:59:03 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

北京时间 11 月 23 日消息,在一项新研究中,科学家终于证实了一个几十年前预言的奇异量子效应 —— 如果能使一团气体变得足够冷且足够致密,那就能让它隐形。这项技术或许可以用于防止量子计算机的信息丢失。

▲ 研究人员利用蓝色激光来检测气体透明度的增加

美国麻省理工学院的研究人员利用激光挤压并冷却锂气体,使其密度和温度变得足够低,以减少光的散射,如果能将这团气体冷却到更接近绝对零度(零下 273.15 摄氏度),那这团气体将完全隐形。

这种奇异的量子效应被称为“泡利阻塞”(Pauli blocking),而这项研究也成为历史上该量子力学过程的首个具体例子。

被观察到的是泡利阻塞的一种非常特殊和简单的形式。泡利阻塞阻止了一个原子的自然行为:使光散射,这是第一次清楚地观察到这种效应的存在,展示了物理学上的一种新现象。

研究人员称,这种新技术可用于开发光抑制材料,以防止量子计算机中的信息丢失。泡利阻塞源自泡利不相容原理,由奥地利著名物理学家沃尔夫冈・泡利于 1925 年首次提出。泡利假设所有具有相同量子态的费米子 —— 如质子、中子和电子 —— 不可能存在于同一空间。

这是因为,在量子水平上只存在有限数量的能态,迫使原子中的电子把自己堆积起来,形成更高能级的壳层,在距离原子核更远的轨道上运转。根据著名物理学家弗里曼・戴森在 1967 年参与撰写的一篇论文,泡利阻塞可以让不同原子之间的电子保持距离,因为如果没有这个不相容原理,所有原子都会坍塌,并释放出巨大的能量。

泡利不相容原理也适用于气体中的原子。通常情况下,气体云中的原子有很大的弹跳空间,这意味着即使它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子,但仍有足够的未被占据能级供它们跃迁;泡利不相容原理并不会显著阻碍它们的运动。将光子送入一团相对温暖的气体云时,它碰撞到的任何原子都能与之相互作用,吸收其带来的动量,反冲到不同的能级,并散射光子。

然而,如果将气体冷却下来,你会看到完全不同的情况。此时原子失去了能量,填满了所有可能的最低能级,形成了所谓的“费米海”。这些粒子现在被彼此包围,不能向上移动到更高的能级,也不能下降到更低的能级。

研究人员解释道,此时这些堆积在壳层里的粒子就像满座音乐厅里的听众一样,即使被击中也无处可去。它们是如此密集,以至于粒子不再能与光相互作用。光线被泡利阻塞了,只能径直通过。

一个原子只有通过移动到另一个“座位”上,才能吸收光子的撞击,从而散射光子,如果其他“座位”都被占用,那它就不再有能力吸收撞击并散射光子。因此,原子就变得透明了。

不过,让原子云达到这种状态是非常困难的。这不仅需要极低的温度,还需要将原子压缩到创纪录的密度。这是一项精细的任务,因此研究人员在捕获了原子阱中的气体后,用激光对其进行了轰击。

在这种情况下,研究人员调整了激光束中的光子,使其只碰撞与它们反向运动的原子,从而使原子速度变慢并冷却下来。研究人员将锂气体云冻结到 20 微开尔文,只略高于绝对零度。然后,他们使用另一束紧聚焦激光将原子压缩到每立方厘米约 1000 万亿个原子的密度水平,创下了新的记录。

接着,为了观察超冷原子的隐形程度,研究人员又将第三束也是最后一束激光射向原子,并使用一台高度灵敏的相机来计算散射光子的数量。这束激光经过了仔细校准,使其不改变气体的温度或密度。正如理论预测的那样,被冷却并压缩的原子所散射的光,比室温下的原子少 38%,这使它们显著变暗。

此外,有两个独立的研究团队冷却了另外两种气体,即钾和锶,也证明了这种效应。在锶实验中,研究人员泡利阻塞了激发态原子,使它们在激发态中保持了更长时间。这三篇证明泡利阻塞的论文都发表在 11 月 18 日的《科学》(Science)杂志上。

现在,研究人员终于证明了泡利阻塞效应,并有望用这一效应来开发抑制光的材料。这对于提高量子计算机的效率尤为有利,因为目前的量子计算机受到量子退相干的阻碍,即由光携带得量子信息会逸失到计算机的周围环境中。

每当我们要控制量子世界,比如量子计算机时,就总会遇到光散射的问题,这意味着信息正在从量子计算机中泄露出来,泡利阻塞是抑制光散射的一种方式,为控制原子世界这一主题做出贡献。

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