研究人员控制玻色-爱因斯坦凝聚态波动 用创新冷却方法稳定量子实验

量子实验，无论是量子计算机、量子瞬移，还是新型量子传感器，都始终面临着一个共同的挑战：量子效应非常脆弱，很容易受到破坏。它们对外部干扰极其敏感，例如，仅仅是周围温度引起的波动。因此，尽可能有效地冷却量子实验非常重要。通过巧妙地拆分玻色-爱因斯坦凝聚态，维也纳工业大学利用新技术实现了更稳定的量子实验。

维也纳理工大学（TU Wien）现在已经证明，可以通过一种有趣的新方法实现这种冷却：玻色-爱因斯坦凝结物被分成两部分，既不是突然也不是特别缓慢，而是以一种非常特殊的时间动态来确保尽可能完美地防止随机波动。这样，本已极冷的玻色-爱因斯坦凝聚态的相关温度就可以大大降低。这对于量子模拟器来说非常重要，维也纳工业大学利用量子模拟器来深入了解以前的方法无法研究的量子效应。

"我们在研究中使用量子模拟器，"Maximilian Prüfer 说，他正在德国联邦科学基金会 Esprit 补助金的帮助下，在维也纳工业大学原子研究所研究新方法。"量子模拟器是一种系统，其行为由量子力学效应决定，可以很好地控制和监测。因此，这些系统可用于研究量子物理学的基本现象，而这些现象也会出现在其他量子系统中，但这些系统却不容易研究"。

张甜甜和 Maximilian Prüfer。图片来源：维也纳工业大学

这意味着，一个物理系统实际上是用来了解其他系统的。这种想法在物理学中并不新鲜：例如，你也可以通过水波实验来了解声波，但水波更容易观察。

马克西米利安-普吕费尔（Maximilian Prüfer）说："在量子物理学中，量子模拟器近年来已成为一种极为有用的多功能工具。实现有趣模型系统的最重要工具之一是极冷原子云，比如我们在实验室研究的那些原子云"。在目前发表在《物理评论 X》上的这篇论文中，约尔格-施米德迈尔和马克西米利安-普吕费尔领导的科学家们研究了量子纠缠如何随时间演变，以及如何利用这一点实现比以前更冷的温度平衡。量子模拟也是最近启动的 QuantA 英才集群的核心课题，该集群正在研究各种量子系统。"

越冷越好

目前，限制这种量子模拟器适用性的决定性因素通常是其温度，马克西米利安-普吕费尔（Maximilian Prüfer）说："我们越能冷却冷凝物中有趣的自由度，就越能更好地利用它，也就能从中学到更多东西。"

冷却的方法有很多种：例如，可以通过非常缓慢地增加气体体积来冷却气体。对于极冷的玻色-爱因斯坦凝聚态，通常会使用其他技巧：快速移除能量最高的原子，直到只剩下一组原子，这些原子具有相当均匀的低能量，因此温度较低。

该研究的第一作者张甜甜说："但我们使用了一种完全不同的技术。我们制造了一个玻色-爱因斯坦凝聚态，然后通过在中间制造一个屏障将其分成两部分。最终位于屏障右侧和左侧的粒子数量是不确定的。由于量子物理定律，这里存在一定的不确定性。可以说，两边都处于不同粒子数量状态的量子物理叠加中。"张甜甜在维也纳量子科技中心博士学院的博士论文中研究了这一课题。

马克西米利安-普吕费尔说："平均而言，正好有 50% 的粒子在左边，50% 在右边。但量子物理学认为，粒子总是存在一定的波动。这种波动，即与预期值的偏差，与温度密切相关"。

通过控制波动降温

维也纳科技大学的研究团队能够证明：玻色-爱因斯坦凝聚态的极速或极慢分裂都不是最佳的。必须找到一种折中的方法，一种巧妙定制的动态分裂凝结物的方法，以尽可能好地控制量子波动，这个问题无法用传统计算机解决。但通过实验，研究小组能够证明：适当的分裂动力学可以用来抑制粒子数量的波动，而这反过来又会降低温度，从而达到最小化的目的。

马克西米利安-普吕费尔解释说："这个系统中同时存在不同的温标，我们降低的是其中一个非常特殊的温标。因此，不能把它想象成一个整体温度明显变低的迷你冰箱。但我们要说的不是这个：抑制波动正是我们所需要的，这样我们就能比以前更好地把我们的系统用作量子模拟器。我们现在可以用它来回答以前无法回答的基本量子物理学问题。"

编译来源：ScitechDaily