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“高温”玻色—爱因斯坦凝聚是怎样的存在？ |
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美国麻省理工学院孙永宝博士科普量子计算机前沿 |
迄今为止，明升体育app家还没有研制出真正意义上的量子计算机。实现量子计算的关键在于对微观量子态的构造以及精确操纵。玻色—爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate，BEC）是一个很好的出发点，因为它提供了很多相同量子态的粒子，可用以构建量子器件、量子开关，甚至实现量子计算。
美国麻省理工学院孙永宝博士担纲的研究团队，通过建立光学谐振的激子等离激元体系，首次在40K的温度下实现了BEC，并初步展示出易操控易观测的性质，为人类实现量子计算机梦想向前迈近了一步。日前，孙博士向科技日报记者介绍了BEC的进展和最新突破。
最冷的相
根据量子力学，微观粒子具有波粒二象性。以原子为例，它既是粒子也是波。气态原子在常温下表现出经典粒子的特点，随着温度降低，波动性不断增强，经典物理的统计方法将不再适用。1925年，爱因斯坦预言，当温度降到足够低时，本来各自独立的原子会变成一群“集体主义”的原子，“凝聚”在一个相同的量子状态，整个系统就会形成“玻色—爱因斯坦凝聚”。这种状态也被称为与气相、液相、固相、等离子体并列的物质“第五相”。
要验证爱因斯坦的预言，需要将系统的温度降到极低。直到1995年，美国科罗拉多大学的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼利用磁场约束原子，同时利用激光冷却和磁势阱蒸发冷却，在170nK（仅比绝对零度高百万分之0.17度）温度下实现了BEC，并因此得了2001年的诺贝尔物理学奖。
自然条件下的最低温度约为3K，也就是宇宙背景辐射的温度。埃里克和卡尔实现BEC的温度比自然最低温还要低百万倍。在当时，这种物质状态真可谓是“最冷的相”。
突破至寒
尽管明升体育app家可使用不同原子实现BEC，但转变温度都局限于超低温，很难进入实际应用。怎样才能在更高温度下实现BEC呢？
2006年，法国明升体育app家卡斯普扎克和同事首次通过半导体微腔中的激子等离激元，在温度降到4K时，观测到了基态的宏观占据和相干态的形成，向实现“高温”BEC迈出了重要一步。理论上讲，发生凝聚的温度与玻色子粒子的质量有关。粒子质量越轻，就可能在越高温度下实现凝聚。
激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子，质量仅为原子质量的千万分之一至一亿分之一，似乎是很好的选择。然而其寿命只有1皮秒（1×10-12秒）左右。在如此短暂的寿命里，其没有足够的时间达到热平衡，更无法形成BEC。也因此，明升体育app家们将卡斯普扎克等人的贡献折中地称为“准”或者“半”BEC。
2017年1月，美国《物理评论快报》杂志发表了一项研究，采用“超长寿”的激子等离激元和环形光阱，首次在40K下实现了BEC。负责该项研究的孙永宝博士等使用了一种特殊的半导体微腔结构，使激子等离激元的寿命从1皮秒左右提高到270皮秒，并通过空间光学调制手段将其束缚在一个环形光阱中。这种束缚可增加激子等离激元之间相互作用的概率，有效促进其达到热平衡。在该研究中，实验测量的量子相变的相图和理论预测几乎完全一致，有力地证明了他们在“高温”下实现的BEC。至此，BEC终于突破至寒。
让粒子赛跑
“高温”BEC的实现为其走出实验室，走向工业界提供了可能。那么，“高温”BEC中粒子相互作用有多强？这不仅是一个重要的理论问题，也决定着“高温”BEC在量子计算中的应用价值。
长期以来，对激子等离激元相互作用强度的测量都是一个难题，因为产生激子等离激元的同时，也会产生自由载流子二者之间的相互作用，会对激子等离激元相互作用强度的测量造成很大的干扰。
2017年9月，在英国《自然·物理》发表的另一项研究成果中，孙永宝博士构思了一个聪明的办法来解决这个问题：让自由载流子和激子等离激元赛跑！由于激子等离激元比自由载流子轻一万倍左右，在相同外力驱动下，激子等离激元可以跑得更快，只要时间足够长，就可以将二者分开。他们把起跑线设为环形，利用“超长寿”激子等离激元，有效地分开了激子等离激元和自由载流子，将激子等离激元收集在圆环中心的“凝聚池”中，从而方便对其相互作用强度的测量。
“凝聚”中的斥力
由于激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子，很多明升体育app家猜测它们之间的相互作用非常弱。这几乎是给基于激子等离激元的量子器件宣判了死刑，因为如果激子等离激元之间没有相互作用，各种逻辑运算就无法实现，也难以对激子等离激元的量子态进行人工操控。
然而，孙永宝博士却持不同观点。他认为，由于激子等离激元存在于一个光学谐振腔中，它们之间的相互作用会由于谐振场效应增强。这种增益相互作用机制非常复杂，无法通过现有的理论精确计算。然而通过实验，可以对“凝聚池”中“赛跑”后的激子等离激元的相互作用强度进行准确的测量。
实验测量的结果验证了他们的猜想。光学谐振腔中，谐振场的增益效应显著，增强了激子等离激元之间的相互作用，为激子等离激元的在量子计算中的应用提供了可靠论证。
由于BEC和超导存在的联系，“高温”BEC的实现，将为高温超导提供了一个潜在的非传统的全光体系，对此体系中粒子相互作用强度的测量，则为这些应用提供了广阔的平台和支持。
（科技日报纽约5月12日电）
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