女物理学家用量子技术远程制造出第五种物质状态

原标题：女物理学家用量子技能长途制作出第五种物质状况 来历：新浪科技

北京时刻5月26日音讯，据国外媒体报道，在新冠病毒疫情阻隔期间，英国一位物理学家在自家客厅运用量子技能长途操控试验室设备，制作出了第五种物质状况。

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，她制作的是名为“玻色-爱因斯坦凝集”（Bose-Einstein Condensate，简称BEC）的物质状况。这是玻色子原子在冷却到挨近绝对零度所呈现出的一种气态的、超流性的物质状况。在这种状况下，极低温的原子集合在一起，体现得好像一个单一的实体。

在疫情阻隔期间，Gadge博士只能在离试验室约三公里外的自家起居室里作业，但她仍是用电脑操控激光和无线电波，发明出了玻色-爱因斯坦凝集。剑桥大学量子系的研讨人员以为，这是第一次有人经过长途操作，在之前从未制作过玻色-爱因斯坦凝集的试验室里制作出了这种物质状况。

这一成果或许能为运用核算机长途操作量子技能供给启示，比如在太空或水劣等难以挨近的环境中。运用量子物理中鬼怪般的超距效应，量子技能能够极大地加速信息处理的速度，然后开宣布地球上最强壮的核算机。

“咱们都十分振奋，因为咱们能够在阻隔期间，以及未来任何或许的阻隔状况下，选用长途方法持续进行试验，”苏塞克斯大学试验物理学教授彼得·克鲁格（Peter Kruger）说，“增强长途试验室操控的才干，关于研讨在太空、地下、潜艇以及极点气候下难以挨近的环境中操作量子技能而言，有着重大意义。”

玻色-爱因斯坦凝集是继固态、液态、气态和等离子态（当气体中的原子电离时发生的）之后的第五种物质状况。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，量子力学能够迫使很多粒子体现出单个粒子的行为，这敞开了对所谓“第五物质”的研讨。

这张图画证明了玻色-爱因斯坦凝集的成功制作。从左到右能够看到，当原子冷却到挨近绝对零度时，其行为就像一个单一实体

但是，直到1995年6月，科学家们经过在170nK（1.7 x 10^-7K）的低温下冷却由大约2000个铷-87原子组成的淡薄气体，才制作出了世界上第一个玻色-爱因斯坦凝集。

玻色-爱因斯坦凝集通常是一团由不计其数个铷原子组成的云，这些气态原子冷却至挨近绝对零度，即原子中止运动的温度。但是，就在绝对零度之上，原子具有一种不同寻常的性质，它们会结组成一个单一的量子物体，也便是简直悉数原子都集合到能量最低的量子态，构成一个微观的量子状况，并能够感知十分弱的磁场。

苏塞克斯大学的量子体系与设备研讨小组就在布莱顿城外进行试验，意图是用玻色-爱因斯坦凝集作为磁传感器。“咱们运用多个精心守时的激光和无线电波冷却进程，在超低温条件下制备出铷原子气体，”克鲁格教授说，“这需求用核算机对激光、磁铁和微芯片中的电流进行准确操控，一起也需求对试验室的环境条件进行警惕的监控，因为没有人能够亲自到现场进行检查。”

Gadge博士在大学量子试验室设置了操控原子的激光器，之后试验室就因新冠疫情封闭

就在阻隔办法规则能够居家作业的人应该待在家里之前，研讨人员设置了一个二维磁光阱，这是一套看起来很古怪的金属设备，运用激光和磁铁来发生捕获的原子。Gadge博士经过长途拜访试验室的核算机，在家中运转序列，然后进行杂乱的核算。

“研讨小组一向在调查阻隔和在家作业的状况，因而咱们现已有好几个星期无法进入试验室了，”Gadge博士说，“进程要比我在试验室的时分慢得多，因为这个试验不稳定，每次运转之间我都需求10到15分钟的冷却时刻。”

“这明显没有手动操作的效率高，并且也愈加吃力，因为我无法像在试验室作业那样进行体系扫描或修正不稳定性，”她弥补道，“但咱们决计持续研讨，咱们也一向在探究长途进行试验的新方法。”

被捕获的低温量子气体在受控状况下，能够创立极端准确的传感器，用于勘探和研讨新的资料、几许形状和设备。现在研讨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范畴。

扫描隧道显微镜显现了一个准确放置并封装在硅中的磷原子量子比特

在曩昔的9个月里，该研讨团队还一向致力于树立第二个试验室，以稳定地制作出玻色-爱因斯坦凝集。这将作为开发新式磁显微镜和其他量子传感器等更大项意图一部分。

苏塞克斯大学是英国国家量子核算网络的一部分。该网络成立于2013年，方针是将第一台通用的量子核算机商业化。早在2017年，剑桥大学就在《科学开展》（Science Advances）杂志上宣布了制作量子核算机的蓝图。2019年10月，谷歌公司宣称现已取得了量子核算的打破，其开发的处理器能够在几分钟内完结传统核算机需求1万年才干完结的核算。但是，谷歌在量子技能研讨范畴的首要竞争对手，包含IBM等，对谷歌宣称现已完结的所谓“量子霸权”提出了贰言。所谓量子霸权，又称量子优越性，是指量子核算机能够处理古典核算机实践上无法处理的问题。

IBM也在研讨自己的量子核算机，该公司以为，谷歌的“Sycamore”量子核算机所完结的随机数生成使命，经典核算机理论上在经过1万年的处理后也是能够完结的。IBM研讨人员在一篇博客文章中写道，因为约翰?普莱斯基尔（John Preskill）在2012年提出的“量子霸权”一词的本意是描绘量子核算机能够做到经典核算机不能做到的作业，因而谷歌还没有到达这个门槛。

苏塞克斯量子技能中心主任温弗里德·亨辛格（Winfried Hensinger）教授其时在承受采访时表明：“他们（谷歌）挑选的问题是一个彻底没有实践用处的问题，下一步将是处理有用的问题。”

什么是量子核算机？它是怎么作业的？

量子核算机的关键在于它不仅能在“开”或“关”的回路根底上作业，并且还能一起处于“开”和“关”的状况。这听起来很古怪，但却是由量子力学的规则决议的。量子力学决议了组成原子的粒子的行为。在这个微观尺度上，物质的行为方法在咱们所在世界的微观尺度上是不或许的。

量子力学答应这些极小的粒子以多种状况存在，这便是所谓的“叠加”，直到它们被调查或被搅扰。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”仍是“反”。

现代核算的中心是二进制代码，经典核算机几十年来都以此为根底。经典核算机的“比特”由0和1组成，而量子核算机的“量子位”既能够取0或1的值，还能够一起取0和1的值。对量子核算机而言，其开展的首要妨碍之一是怎么证明它们能够打败经典核算机。谷歌、IBM和英特尔等公司都在努力完结这一方针。

玻色-爱因斯坦凝集：物质的第五种状况

在瑞典基律纳进行的另一个试验中，一个用来发生玻色-爱因斯坦凝集态的原子“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-爱因斯坦凝集，但制作这种物质状况所需的技能直到1995年才呈现

玻色-爱因斯坦凝集态（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。这种状况是在挨近绝对零度的低温下构成的，并且只在体现得像玻色子的原子中构成。

玻色子是两种基本粒子中的一种。当玻色子原子冷却构成凝集态时，它们会失掉自己的特性，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辩的光子。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·威曼经过试验制作出了第一个玻色-爱因斯坦凝集。

四个月后，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒运用钠-23独立获得了玻色-爱因斯坦凝集。2001年，康奈尔、威曼和克特勒共享了诺贝尔物理学奖。