陳宇翱：為什么科學(xué)家要把原子凍到“瑟瑟發(fā)抖”？ | 星聚墨子（4）

真正的創(chuàng)新并非為新而新。科學(xué)進(jìn)步由無數(shù)看似“無用”的基礎(chǔ)探索累積而成。多年前，量子通信尚屬冷門，今日已成熱點(diǎn)。我們應(yīng)多多關(guān)注那些尚未被廣泛認(rèn)知卻蘊(yùn)含巨大潛力的“酷”科學(xué)——如冷原子物理。持續(xù)深耕基礎(chǔ)，才能在未來摘取真正改變世界的果實(shí)。

2016年8月，墨子沙龍邀請到陳宇翱教授開展了一場關(guān)于前沿物理領(lǐng)域“冷原子”的主題講座。本文根據(jù)報(bào)告內(nèi)容整理而成。

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第一部分

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)：溫度越低，原子越“胖”？

冷原子是一種“冷”而“酷”的前沿物理領(lǐng)域。要理解冷原子，首先要從“溫度”談起。溫度的國際標(biāo)準(zhǔn)單位是開爾文（K），開爾文的零度與我們?nèi)粘Ｊ褂玫臄z氏度相差273.15度。太陽表面溫度約為6000 K，足以汽化地球上所有物質(zhì)。這一溫度比我們?nèi)粘ｏ嬘玫拈_水（約373 K）高出近兩個數(shù)量級。而自然界中已知最冷的物質(zhì)狀態(tài)是液氦，溫度大約4 K，與太陽表面溫度相差約三個數(shù)量級。我們所要討論的“冷原子”，則遠(yuǎn)低于此，是比液氦還要低上萬倍的極端低溫。

▲開爾文勛爵，首次提出不依賴任何物質(zhì)特性的絕對溫標(biāo)的概念。（來源：維基百科）

在這樣的低溫下，原子的行為不再能被簡單地視為經(jīng)典粒子，而必須考慮其量子波動性。隨著溫度進(jìn)一步降低，原子的德布羅意波長逐漸增大。最終，在某一臨界溫度以下，它就會達(dá)到原子界中的里程碑——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（Bose-Einstein Condensation, BEC），這是物質(zhì)的一種極端狀態(tài)。

為形象說明這個過程，可以打個比方：在一個空間中的某兩個原子，一個是A，一個是B，它們很小很小，所以它們之間間距很大。而隨著降溫，它們之間的運(yùn)動速度減慢，它們越來越冷，慢慢展現(xiàn)出它們波動的性質(zhì)（原子變得越來越“胖”）；溫度繼續(xù)下降，A和B越來越“胖”，胖到互相碰到彼此；溫度再降，A和B膨脹充滿了整個空間，就形成 了你中有我，我中有你的狀態(tài)，整個空間中的原子就變成了同一個量子態(tài)，以至于在外界看來，分不清哪個是A，哪個是B。這正是玻色-愛因斯坦凝聚的本質(zhì)：所有原子處于同一個量子態(tài)，不可區(qū)分，構(gòu)成一個宏觀的量子相干體。

▲美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實(shí)驗(yàn)室（圖片來源：NASA）

這一現(xiàn)象最早由阿爾伯特·愛因斯坦于1925年提出。其理論基礎(chǔ)源于印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）的一項(xiàng)工作。早在 1924 年，玻色就曾經(jīng)對其中一類粒子做過統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算，后來這類粒子就以他的姓氏命名，稱為玻色子。玻色把自己的論文送給愛因斯坦。愛因斯坦看出了它的重要性，親自將其譯成德文發(fā)表。愛因斯坦還把玻色理論擴(kuò)展到玻色子具有質(zhì)量的情況，連續(xù)發(fā)表了兩篇文章，預(yù)言當(dāng)一定數(shù)量的粒子足夠趨近，而運(yùn)動足夠慢時，它們將一起轉(zhuǎn)變到最低能態(tài)，這樣，玻色-愛因斯坦凝聚就發(fā)生了。

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第二部分

哈伯德模型：當(dāng)計(jì)算機(jī)算不動電子運(yùn)動

自預(yù)言提出以來，實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚成為實(shí)驗(yàn)物理界長期追求的“圣杯”。與此同時，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域，科學(xué)家還在探索如何理解電子的運(yùn)動。其中最經(jīng)典的是1963年由約翰·哈伯德（John Hubbard）提出的哈伯德模型。這個美妙的方程式描述出了電子簡單的運(yùn)動。但遺憾的是，這個方程式?jīng)]有解析解，要想解數(shù)值解，所需要的計(jì)算資源是呈指數(shù)增長的。該模型以簡潔數(shù)值模擬所需計(jì)算資源隨粒子數(shù)呈指數(shù)增長——例如，模擬僅300個電子所需的存儲空間為23??，這個數(shù)字很大，大到已經(jīng)超越了目前所知的宇宙原子數(shù)總和。已遠(yuǎn)超可觀測宇宙中原子總數(shù)。即便是2016年時世界最快的超級計(jì)算機(jī)“神威·太湖之光”，也只能處理約45個電子的精確模擬；普通智能手機(jī)則僅能處理約35個。所以想真正研究電子運(yùn)動相當(dāng)困難。

▲神威·太湖之光超級計(jì)算機(jī)（來源：國家超級計(jì)算無錫中心官網(wǎng)）

面對這一困境，理查德·費(fèi)曼提出把計(jì)算機(jī)量子化，也是他首次提出量子計(jì)算和量子模擬的概念。利用一個可控的量子體系，用原子體系來模擬電子的體系。類比于航空工程中通過風(fēng)洞模擬飛行器空氣動力學(xué)行為，費(fèi)曼主張構(gòu)建一個“電子的風(fēng)洞”——利用高度可控的冷原子系統(tǒng)來模擬電子在晶格中的運(yùn)動。

▲理查德·費(fèi)曼，量子模擬的提出者（來源：百度百科）

為何必須使用冷原子？關(guān)鍵在于玻色-愛因斯坦凝聚所提供的高度相干性和全同性。只有冷原子的量子行為才能精確復(fù)現(xiàn)電子在固體中的動力學(xué)特性。借助光學(xué)晶格等技術(shù)，科學(xué)家可將冷原子排布成人工晶格，從而實(shí)現(xiàn)對哈伯德模型等強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的量子模擬。一旦操控約50個原子，其模擬能力即可超越現(xiàn)有最強(qiáng)超算；操控100個原子，則計(jì)算能力有望超過全球所有經(jīng)典計(jì)算機(jī)總和的百萬倍。

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第三部分

冷卻原子：比吹涼咖啡高效1億倍的制冷術(shù)

這是一個里程碑式的構(gòu)想，但冷卻原子并不容易。實(shí)現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚的道路漫長而曲折。直到20世紀(jì)80年代，激光冷卻技術(shù)的突破才使極低溫成為可能。這就是通過發(fā)射光，來阻擋原子前進(jìn)的路線，比如原子要向右走，左側(cè)發(fā)出一束光像如來神掌一樣把原子打回去。因?yàn)楣庾畲蟮募铀俣仁侵亓铀俣鹊呢?fù)一萬倍，可以在相當(dāng)短的時間內(nèi)使原子溫度降到數(shù)十微開爾文量級。通過在各個方向上打光調(diào)節(jié)原子運(yùn)動的方向，從而使得原子被冷卻。在1989年，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了蒸發(fā)冷卻的方法：將原子束縛在磁阱或光阱中，選擇性地移除高能（熱）原子，剩余原子通過碰撞重新熱化，整體溫度隨之下降。它的原理和吹冷一杯熱水相似，在一個杯子里，熱原子處在邊緣處，比較容易逃逸，冷原子則位于底層，當(dāng)熱原子跑出去之后，剩下的冷原子的溫度重新分布，從而降溫。1995年，埃里克·康奈爾與卡爾·威曼利用銣原子、沃爾夫?qū)た颂乩绽免c原子，分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚。三位科學(xué)家因此榮獲2001年諾貝爾物理學(xué)獎。這是我們了解電子運(yùn)動的一個新起點(diǎn)。

▲光鑷?yán)锏睦湓樱▉碓矗褐袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)官網(wǎng)）

冷原子系統(tǒng)在多個方向展現(xiàn)出巨大潛力。例如，高溫超導(dǎo)機(jī)制至今尚未完全闡明，如同“加鹽少許”的菜譜，缺乏定量理解。借助冷原子量子模擬，有望揭示它的微觀起源，并指導(dǎo)新型超導(dǎo)材料的設(shè)計(jì)。若未來能實(shí)現(xiàn)室溫超導(dǎo)，磁懸浮列車等技術(shù)將不再受限于高昂能耗，京滬間半小時通達(dá)或?qū)⒊蔀楝F(xiàn)實(shí)。

冷原子是一個全新的研究平臺，是國際上具有前瞻性和挑戰(zhàn)性的前沿領(lǐng)域。冷原子在量子精密測量、量子模擬和量子計(jì)算等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值，是世界各國展開激烈競爭的下一代量子信息體系的焦點(diǎn)。

▲“天元”量子模擬器示意。紅色和藍(lán)色的小球分別代表自旋相反的原子，它們在三維空間交錯排列，形成了反鐵磁晶體。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。（制圖：陳磊）

最后，我想說真正的創(chuàng)新并非為新而新。科學(xué)進(jìn)步由無數(shù)看似“無用”的基礎(chǔ)探索累積而成。多年前，量子通信尚屬冷門，今日已成熱點(diǎn)。我們應(yīng)多多關(guān)注那些尚未被廣泛認(rèn)知卻蘊(yùn)含巨大潛力的“酷”科學(xué)——如冷原子物理。只有持續(xù)深耕基礎(chǔ)科學(xué)，才能在未來摘取真正改變世界的果實(shí)。

文字整理：詩學(xué)