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作者:冯卫东 来源: 发布时间:2018/5/14 9:39:27
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“高温”玻色—爱因斯坦凝聚是怎样的存在?
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,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,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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