上海時(shí)間5月26日消息，據(jù)美國(guó)媒體報(bào)導(dǎo)，在新冠病毒疫情隔離期間，美國(guó)一位化學(xué)學(xué)家在自家臥室借助量子技術(shù)遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，制造出了第五種物質(zhì)狀態(tài)。
Gadge博士是美國(guó)蘇塞克斯學(xué)院物理與數(shù)學(xué)科學(xué)大學(xué)的化學(xué)學(xué)家，她制造的是名為“玻色-愛(ài)因斯坦匯聚”（Bose-，簡(jiǎn)稱BEC）的物質(zhì)狀態(tài)。這是玻骰子原子在冷卻到接近絕對(duì)零度所呈現(xiàn)出的一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)。在這些狀態(tài)下，極高溫的原子集聚在一起，表現(xiàn)得就像一個(gè)單一的實(shí)體。
▲Gadge博士的家距離蘇塞克斯學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室約3公里，目前她只能居家工作，可以在她的屏幕上見(jiàn)到玻色-愛(ài)因斯坦匯聚的圖象
在疫情隔離期間，Gadge博士只能在離實(shí)驗(yàn)室約三公里外的自家起三居里工作，但她還是用筆記本控制激光和無(wú)線電波，創(chuàng)造出了玻色-愛(ài)因斯坦匯聚。劍橋?qū)W院量子系的研究人員覺(jué)得，這是第一次有人通過(guò)遠(yuǎn)程操作，在之前未曾制造過(guò)玻色-愛(ài)因斯坦匯聚的實(shí)驗(yàn)室里制造出了這些物質(zhì)狀態(tài)。
這一成就也許能為使用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程操作量子技術(shù)提供啟發(fā)，例如在太空或水下等無(wú)法接近的環(huán)境中。借助量子化學(xué)中鬼魅般的超距效應(yīng)，量子技術(shù)可以極大地推進(jìn)信息處理的速率，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出月球上最強(qiáng)悍的計(jì)算機(jī)。
“我們都十分激動(dòng)，由于我們可以在隔離期間，以及未來(lái)任何可能的隔離情況下，采用遠(yuǎn)程方法繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，”蘇塞克斯學(xué)院實(shí)驗(yàn)化學(xué)學(xué)院士彼得·克魯格（Peter）說(shuō)，“增強(qiáng)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)室控制的能力，對(duì)于研究在太空、地下、潛艇以及極端天氣下無(wú)法接近的環(huán)境中操作量子技術(shù)而言，有著重大意義。”
玻色-愛(ài)因斯坦匯聚是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)（當(dāng)二氧化碳中的原子電離時(shí)形成的）以后的第五種物質(zhì)狀態(tài)。20世紀(jì)20年代中期量子物理學(xué)家證實(shí)了世界是由能量構(gòu)成的，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦和美國(guó)化學(xué)學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色（NathBose）預(yù)言，量子熱學(xué)可以促使大量粒子表現(xiàn)出單個(gè)粒子的行為，這開(kāi)啟了對(duì)所謂“第五物質(zhì)”的研究。
▲這張圖象否認(rèn)了玻色-愛(ài)因斯坦匯聚的成功制造。從左到右可以看見(jiàn)，當(dāng)原子冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，其行為如同一個(gè)單一實(shí)體
但是，直至1995年6月，科學(xué)家們通過(guò)在170nK（1.7×10^-7K）的高溫下冷卻由大概2000個(gè)銣-87原子組成的黏稠二氧化碳，才制造出了世界上第一個(gè)玻色-愛(ài)因斯坦匯聚。
玻色-愛(ài)因斯坦匯聚一般是一團(tuán)由成千上萬(wàn)個(gè)銣原子組成的云，這種氣態(tài)原子冷卻至接近絕對(duì)零度，即原子停止運(yùn)動(dòng)的體溫。但是，就在絕對(duì)零度之上，原子具有一種不同尋常的性質(zhì)，它們會(huì)結(jié)合成一個(gè)單一的量子物體，也就是幾乎全部原子都集聚到能量最低的量子態(tài)，產(chǎn)生一個(gè)宏觀的量子狀態(tài)量子物理學(xué)家證實(shí)了世界是由能量構(gòu)成的，并可以感知特別弱的磁場(chǎng)。
蘇塞克斯學(xué)院的量子系統(tǒng)與設(shè)備研究小組就在利物浦郊外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，目的是用玻色-愛(ài)因斯坦匯聚作為磁傳感。“我們使用多個(gè)悉心定時(shí)的激光和無(wú)線電波冷卻步驟，在超高溫條件下制備出銣原子二氧化碳，”克魯格院長(zhǎng)說(shuō)，“這須要用計(jì)算機(jī)對(duì)激光、磁鐵和微芯片中的電壓進(jìn)行精確控制，同時(shí)也須要對(duì)實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境條件進(jìn)行警覺(jué)的監(jiān)控，由于沒(méi)有人就能親自到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查。”
▲Gadge博士在學(xué)院量子實(shí)驗(yàn)室設(shè)置了控制原子的激光器，然后實(shí)驗(yàn)室就因新冠疫情關(guān)掉
就在隔離舉措規(guī)定可以居家工作的人應(yīng)當(dāng)待在家里之前，研究人員設(shè)置了一個(gè)二維磁光阱，這是一套看上去很奇怪的金屬裝置，借助激光和吸鐵石來(lái)形成捕獲的原子。Gadge博士通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)，在家中運(yùn)行序列，因而進(jìn)行復(fù)雜的估算。
“研究小組仍然在觀察隔離和在家工作的情況，因而我們?cè)缫延泻脦讉€(gè)禮拜未能步入實(shí)驗(yàn)室了，”Gadge博士說(shuō)，“過(guò)程要比我在實(shí)驗(yàn)室的時(shí)侯慢得多，由于這個(gè)實(shí)驗(yàn)不穩(wěn)定，每次運(yùn)行之間我都須要10到15分鐘的冷卻時(shí)間。”
“這畢竟沒(méi)有自動(dòng)操作的效率高，但是也愈發(fā)吃力，由于我沒(méi)法像在實(shí)驗(yàn)室工作那樣進(jìn)行系統(tǒng)掃描或修補(bǔ)不穩(wěn)定性，”她補(bǔ)充道，“但我們決心繼續(xù)研究，我們也仍然在探求遠(yuǎn)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的新方式。”
被捕獲的高溫量子二氧化碳在受控狀態(tài)下，可以創(chuàng)建非常精確的傳感，用于偵測(cè)和研究新的材料、幾何形狀和設(shè)備。目前研究小組正在對(duì)傳感進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，以應(yīng)用于電動(dòng)車輛電瓶、觸摸屏、太陽(yáng)能電板以及腦成像等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。
▲掃描隧洞顯微鏡顯示了一個(gè)精確放置并封裝在硅中的磷原子量子比特
在過(guò)去的9個(gè)月里，該研究團(tuán)隊(duì)還仍然旨在于構(gòu)建第二個(gè)實(shí)驗(yàn)室，以穩(wěn)定地制造出玻色-愛(ài)因斯坦匯聚。這將作為開(kāi)發(fā)新型磁顯微鏡和其他量子傳感等更大項(xiàng)目的一部份。
蘇塞克斯學(xué)院是美國(guó)國(guó)家量子估算網(wǎng)路的一部份。該網(wǎng)路創(chuàng)立于2013年，目標(biāo)是將第一臺(tái)通用的量子計(jì)算機(jī)商業(yè)化。早在2017年，劍橋?qū)W院就在《科學(xué)進(jìn)展》（）刊物上發(fā)表了建造量子計(jì)算機(jī)的新藍(lán)圖。2019年10月，微軟公司宣稱早已取得了量子估算的突破，其開(kāi)發(fā)的處理器可以在幾分鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)須要1萬(wàn)年才會(huì)完成的估算。但是，微軟在量子技術(shù)研究領(lǐng)域的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，包括IBM等，對(duì)微軟宣稱早已實(shí)現(xiàn)的所謂“量子霸權(quán)”提出了異議。所謂量子霸權(quán)，又稱量子優(yōu)越性，是指量子計(jì)算機(jī)就能解決古典計(jì)算機(jī)實(shí)際上難以解決的問(wèn)題。
IBM也在研究自己的量子計(jì)算機(jī)，該公司覺(jué)得，微軟的“”量子計(jì)算機(jī)所完成的隨機(jī)數(shù)生成任務(wù)，精典計(jì)算機(jī)理論上在經(jīng)過(guò)1萬(wàn)年的處理后也是可以完成的。IBM研究人員在一篇博客文章中寫道，因?yàn)榧s翰?普萊斯基爾（John）在2012年提出的“量子霸權(quán)”一詞的本意是描述量子計(jì)算機(jī)可以做到精典計(jì)算機(jī)不能做到的事情，因而微軟還沒(méi)有達(dá)到這個(gè)門檻。
蘇塞克斯量子技術(shù)中心院長(zhǎng)溫弗里德·亨辛格（）院長(zhǎng)當(dāng)時(shí)在接受專訪時(shí)表示：“他們（微軟）選擇的問(wèn)題是一個(gè)完全沒(méi)有實(shí)際用途的問(wèn)題，下一步將是解決有用的問(wèn)題。”
哪些是量子計(jì)算機(jī)？它是怎樣工作的？
量子計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵在于它除了能在“開(kāi)”或“關(guān)”的回路基礎(chǔ)上工作，并且能夠同時(shí)處于“開(kāi)”和“關(guān)”的狀態(tài)。這聽(tīng)上去很奇怪，但卻是由量子熱學(xué)的規(guī)律決定的。量子熱學(xué)決定了組成原子的粒子的行為。在這個(gè)微觀尺度上，物質(zhì)的行為方法在我們所處宇宙的宏觀尺度上是不可能的。
量子熱學(xué)容許這種極小的粒子以多種狀態(tài)存在，這就是所謂的“疊加”，直至它們被觀察或被干擾。一個(gè)挺好的類比是一枚在空中旋轉(zhuǎn)的硬幣，在它落地之前，你不能說(shuō)它是“正”還是“反”。
現(xiàn)代估算的核心是二補(bǔ)碼代碼，精典計(jì)算機(jī)幾六年來(lái)都借此為基礎(chǔ)。精典計(jì)算機(jī)的“比特”由0和1組成，而量子計(jì)算機(jī)的“量子位”既可以取0或1的值，還可以同時(shí)取0和1的值。對(duì)量子計(jì)算機(jī)而言，其發(fā)展的主要障礙之一是怎樣證明它們可以擊敗精典計(jì)算機(jī)。微軟、IBM和英特爾等公司都在努力實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。
玻色-愛(ài)因斯坦匯聚：物質(zhì)的第五種狀態(tài)
▲在美國(guó)基律納進(jìn)行的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)拿來(lái)形成玻色-愛(ài)因斯坦匯聚態(tài)的原子“阱”。阿爾伯特·愛(ài)因斯坦和美國(guó)化學(xué)學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色在1924年到1925年之間就預(yù)言了玻色-愛(ài)因斯坦匯聚，但制造這些物質(zhì)狀態(tài)所需的技術(shù)直至1995年才出現(xiàn)
玻色-愛(ài)因斯坦匯聚態(tài)（BEC）被稱為物質(zhì)的第五態(tài)，而前四種分別是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)。這些狀態(tài)是在接近絕對(duì)零度的高溫下產(chǎn)生的，并且只在表現(xiàn)得像玻骰子的原子中產(chǎn)生。
玻骰子是兩種基本粒子中的一種。當(dāng)玻骰子原子冷卻產(chǎn)生匯聚態(tài)時(shí)，它們會(huì)喪失自己的特點(diǎn)，其行為如同一個(gè)巨大的超級(jí)原子集團(tuán)，有點(diǎn)像在激光束中顯得無(wú)法區(qū)分的光子。1995年6月5日，韓國(guó)佛羅里達(dá)學(xué)院博爾德校區(qū)的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼通過(guò)實(shí)驗(yàn)制造出了第一個(gè)玻色-愛(ài)因斯坦匯聚。四個(gè)月后，麻省理工大學(xué)的沃爾夫?qū)た颂乩帐褂免c-23獨(dú)立獲得了玻色-愛(ài)因斯坦匯聚。2001年，康奈爾、威曼和克特勒分享了諾貝爾化學(xué)學(xué)獎(jiǎng)。