上海時間5月26日消息，據(jù)美國媒體報導，在新冠病毒疫情隔離期間，美國一位化學學家在自家臥室借助量子技術(shù)遠程控制實驗室設備，制造出了第五種物質(zhì)狀態(tài)。
Gadge博士是美國蘇塞克斯學院物理與數(shù)學科學大學的化學學家，她制造的是名為“玻色-愛因斯坦匯聚”（Bose-，簡稱BEC）的物質(zhì)狀態(tài)。這是玻骰子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現(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)得就像一個單一的實體。
▲Gadge博士的家距離蘇塞克斯學院的實驗室約3公里，目前她只能居家工作，可以在她的屏幕上見到玻色-愛因斯坦匯聚的圖象
在疫情隔離期間，Gadge博士只能在離實驗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線電波，創(chuàng)造出了玻色-愛因斯坦匯聚。劍橋?qū)W院量子系的研究人員覺得，這是第一次有人通過遠程操作，在之前未曾制造過玻色-愛因斯坦匯聚的實驗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算機遠程操作量子技術(shù)提供啟發(fā)，例如在太空或水下等無法接近的環(huán)境中。借助量子化學中鬼魅般的超距效應，量子技術(shù)可以極大地推進信息處理的速率，進而開發(fā)出月球上最強悍的計算機。
“我們都十分激動，由于我們可以在隔離期間，以及未來任何可能的隔離情況下，采用遠程方法繼續(xù)進行實驗，”蘇塞克斯學院實驗化學學院士彼得·克魯格（Peter）說，“增強遠程實驗室控制的能力，對于研究在太空、地下、潛艇以及極端天氣下無法接近的環(huán)境中操作量子技術(shù)而言，有著重大意義。”
玻色-愛因斯坦匯聚是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)（當二氧化碳中的原子電離時形成的）以后的第五種物質(zhì)狀態(tài)。20世紀20年代中期量子物理學家證實了世界是由能量構(gòu)成的，阿爾伯特·愛因斯坦和美國化學學家薩特延德拉·納特·玻色（NathBose）預言，量子熱學可以促使大量粒子表現(xiàn)出單個粒子的行為，這開啟了對所謂“第五物質(zhì)”的研究。
▲這張圖象否認了玻色-愛因斯坦匯聚的成功制造。從左到右可以看見，當原子冷卻到接近絕對零度時，其行為如同一個單一實體
但是，直至1995年6月，科學家們通過在170nK（1.7×10^-7K）的高溫下冷卻由大概2000個銣-87原子組成的黏稠二氧化碳，才制造出了世界上第一個玻色-愛因斯坦匯聚。
玻色-愛因斯坦匯聚一般是一團由成千上萬個銣原子組成的云，這種氣態(tài)原子冷卻至接近絕對零度，即原子停止運動的體溫。但是，就在絕對零度之上，原子具有一種不同尋常的性質(zhì)，它們會結(jié)合成一個單一的量子物體，也就是幾乎全部原子都集聚到能量最低的量子態(tài)，產(chǎn)生一個宏觀的量子狀態(tài)量子物理學家證實了世界是由能量構(gòu)成的，并可以感知特別弱的磁場。
蘇塞克斯學院的量子系統(tǒng)與設備研究小組就在利物浦郊外進行實驗，目的是用玻色-愛因斯坦匯聚作為磁傳感。“我們使用多個悉心定時的激光和無線電波冷卻步驟，在超高溫條件下制備出銣原子二氧化碳，”克魯格院長說，“這須要用計算機對激光、磁鐵和微芯片中的電壓進行精確控制，同時也須要對實驗室的環(huán)境條件進行警覺的監(jiān)控，由于沒有人就能親自到現(xiàn)場進行檢查。”
▲Gadge博士在學院量子實驗室設置了控制原子的激光器，然后實驗室就因新冠疫情關掉
就在隔離舉措規(guī)定可以居家工作的人應當待在家里之前，研究人員設置了一個二維磁光阱，這是一套看上去很奇怪的金屬裝置，借助激光和吸鐵石來形成捕獲的原子。Gadge博士通過遠程訪問實驗室的計算機，在家中運行序列，因而進行復雜的估算。
“研究小組仍然在觀察隔離和在家工作的情況，因而我們早已有好幾個禮拜未能步入實驗室了，”Gadge博士說，“過程要比我在實驗室的時侯慢得多，由于這個實驗不穩(wěn)定，每次運行之間我都須要10到15分鐘的冷卻時間。”
“這畢竟沒有自動操作的效率高，但是也愈發(fā)吃力，由于我沒法像在實驗室工作那樣進行系統(tǒng)掃描或修補不穩(wěn)定性，”她補充道，“但我們決心繼續(xù)研究，我們也仍然在探求遠程進行實驗的新方式。”
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，用于偵測和研究新的材料、幾何形狀和設備。目前研究小組正在對傳感進行進一步開發(fā)，以應用于電動車輛電瓶、觸摸屏、太陽能電板以及腦成像等醫(yī)學領域。
▲掃描隧洞顯微鏡顯示了一個精確放置并封裝在硅中的磷原子量子比特
在過去的9個月里，該研究團隊還仍然旨在于構(gòu)建第二個實驗室，以穩(wěn)定地制造出玻色-愛因斯坦匯聚。這將作為開發(fā)新型磁顯微鏡和其他量子傳感等更大項目的一部份。
蘇塞克斯學院是美國國家量子估算網(wǎng)路的一部份。該網(wǎng)路創(chuàng)立于2013年，目標是將第一臺通用的量子計算機商業(yè)化。早在2017年，劍橋?qū)W院就在《科學進展》（）刊物上發(fā)表了建造量子計算機的新藍圖。2019年10月，微軟公司宣稱早已取得了量子估算的突破，其開發(fā)的處理器可以在幾分鐘內(nèi)完成傳統(tǒng)計算機須要1萬年才會完成的估算。但是，微軟在量子技術(shù)研究領域的主要競爭對手，包括IBM等，對微軟宣稱早已實現(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，是指量子計算機就能解決古典計算機實際上難以解決的問題。
IBM也在研究自己的量子計算機，該公司覺得，微軟的“”量子計算機所完成的隨機數(shù)生成任務，精典計算機理論上在經(jīng)過1萬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，因為約翰?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算機可以做到精典計算機不能做到的事情，因而微軟還沒有達到這個門檻。
蘇塞克斯量子技術(shù)中心院長溫弗里德·亨辛格（）院長當時在接受專訪時表示：“他們（微軟）選擇的問題是一個完全沒有實際用途的問題，下一步將是解決有用的問題。”
哪些是量子計算機？它是怎樣工作的？
量子計算機的關鍵在于它除了能在“開”或“關”的回路基礎上工作，并且能夠同時處于“開”和“關”的狀態(tài)。這聽上去很奇怪，但卻是由量子熱學的規(guī)律決定的。量子熱學決定了組成原子的粒子的行為。在這個微觀尺度上，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，你不能說它是“正”還是“反”。
現(xiàn)代估算的核心是二補碼代碼，精典計算機幾六年來都借此為基礎。精典計算機的“比特”由0和1組成，而量子計算機的“量子位”既可以取0或1的值，還可以同時取0和1的值。對量子計算機而言，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算機。微軟、IBM和英特爾等公司都在努力實現(xiàn)這一目標。
玻色-愛因斯坦匯聚：物質(zhì)的第五種狀態(tài)
▲在美國基律納進行的另一個實驗中，一個拿來形成玻色-愛因斯坦匯聚態(tài)的原子“阱”。阿爾伯特·愛因斯坦和美國化學學家薩特延德拉·納特·玻色在1924年到1925年之間就預言了玻色-愛因斯坦匯聚，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。當玻骰子原子冷卻產(chǎn)生匯聚態(tài)時，它們會喪失自己的特點，其行為如同一個巨大的超級原子集團，有點像在激光束中顯得無法區(qū)分的光子。1995年6月5日，韓國佛羅里達學院博爾德校區(qū)的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼通過實驗制造出了第一個玻色-愛因斯坦匯聚。四個月后，麻省理工大學的沃爾夫?qū)た颂乩帐褂免c-23獨立獲得了玻色-愛因斯坦匯聚。2001年，康奈爾、威曼和克特勒分享了諾貝爾化學學獎。