陈宇翱：为什么科学家要把原子冻到“瑟瑟发抖”？

真正的创新并非为新而新。科学进步由无数看似“无用”的基础探索累积而成。多年前，量子通信尚属冷门，今日已成热点。我们应多多关注那些尚未被广泛认知却蕴含巨大潜力的“酷”科学——如冷原子物理。持续深耕基础，才能在未来摘取真正改变世界的果实。

2016年8月，墨子沙龙邀请到陈宇翱教授开展了一场关于前沿物理领域“冷原子”的主题讲座。本文根据报告内容整理而成。

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第一部分

玻色-爱因斯坦凝聚态：温度越低，原子越“胖”？

冷原子是一种“冷”而“酷”的前沿物理领域。要理解冷原子，首先要从“温度”谈起。温度的国际标准单位是开尔文（K），开尔文的零度与我们日常使用的摄氏度相差273.15度。太阳表面温度约为6000 K，足以汽化地球上所有物质。这一温度比我们日常饮用的开水（约373 K）高出近两个数量级。而自然界中已知最冷的物质状态是液氦，温度大约4 K，与太阳表面温度相差约三个数量级。我们所要讨论的“冷原子”，则远低于此，是比液氦还要低上万倍的极端低温。

▲开尔文勋爵，首次提出不依赖任何物质特性的绝对温标的概念。（来源：维基百科）

在这样的低温下，原子的行为不再能被简单地视为经典粒子，而必须考虑其量子波动性。随着温度进一步降低，原子的德布罗意波长逐渐增大。最终，在某一临界温度以下，它就会达到原子界中的里程碑——玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein Condensation, BEC），这是物质的一种极端状态。

为形象说明这个过程，可以打个比方：在一个空间中的某两个原子，一个是A，一个是B，它们很小很小，所以它们之间间距很大。而随着降温，它们之间的运动速度减慢，它们越来越冷，慢慢展现出它们波动的性质（原子变得越来越“胖”）；温度继续下降，A和B越来越“胖”，胖到互相碰到彼此；温度再降，A和B膨胀充满了整个空间，就形成 了你中有我，我中有你的状态，整个空间中的原子就变成了同一个量子态，以至于在外界看来，分不清哪个是A，哪个是B。这正是玻色-爱因斯坦凝聚的本质：所有原子处于同一个量子态，不可区分，构成一个宏观的量子相干体。

▲美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室（图片来源：NASA）

这一现象最早由阿尔伯特·爱因斯坦于1925年提出。其理论基础源于印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）的一项工作。早在 1924 年，玻色就曾经对其中一类粒子做过统计学计算，后来这类粒子就以他的姓氏命名，称为玻色子。玻色把自己的论文送给爱因斯坦。爱因斯坦看出了它的重要性，亲自将其译成德文发表。爱因斯坦还把玻色理论扩展到玻色子具有质量的情况，连续发表了两篇文章，预言当一定数量的粒子足够趋近，而运动足够慢时，它们将一起转变到最低能态，这样，玻色-爱因斯坦凝聚就发生了。

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第二部分

哈伯德模型：当计算机算不动电子运动

自预言提出以来，实现玻色-爱因斯坦凝聚成为实验物理界长期追求的“圣杯”。与此同时，在凝聚态物理领域，科学家还在探索如何理解电子的运动。其中最经典的是1963年由约翰·哈伯德（John Hubbard）提出的哈伯德模型。这个美妙的方程式描述出了电子简单的运动。但遗憾的是，这个方程式没有解析解，要想解数值解，所需要的计算资源是呈指数增长的。该模型以简洁数值模拟所需计算资源随粒子数呈指数增长——例如，模拟仅300个电子所需的存储空间为2³⁰⁰，这个数字很大，大到已经超越了目前所知的宇宙原子数总和。已远超可观测宇宙中原子总数。即便是2016年时世界最快的超级计算机“神威·太湖之光”，也只能处理约45个电子的精确模拟；普通智能手机则仅能处理约35个。所以想真正研究电子运动相当困难。

▲神威·太湖之光超级计算机（来源：国家超级计算无锡中心官网）

面对这一困境，理查德·费曼提出把计算机量子化，也是他首次提出量子计算和量子模拟的概念。利用一个可控的量子体系，用原子体系来模拟电子的体系。类比于航空工程中通过风洞模拟飞行器空气动力学行为，费曼主张构建一个“电子的风洞”——利用高度可控的冷原子系统来模拟电子在晶格中的运动。

▲理查德·费曼，量子模拟的提出者（来源：百度百科）

为何必须使用冷原子？关键在于玻色-爱因斯坦凝聚所提供的高度相干性和全同性。只有冷原子的量子行为才能精确复现电子在固体中的动力学特性。借助光学晶格等技术，科学家可将冷原子排布成人工晶格，从而实现对哈伯德模型等强关联系统的量子模拟。一旦操控约50个原子，其模拟能力即可超越现有最强超算；操控100个原子，则计算能力有望超过全球所有经典计算机总和的百万倍。

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第三部分

冷却原子：比吹凉咖啡高效1亿倍的制冷术

这是一个里程碑式的构想，但冷却原子并不容易。实现玻色-爱因斯坦凝聚的道路漫长而曲折。直到20世纪80年代，激光冷却技术的突破才使极低温成为可能。这就是通过发射光，来阻挡原子前进的路线，比如原子要向右走，左侧发出一束光像如来神掌一样把原子打回去。因为光最大的加速度是重力加速度的负一万倍，可以在相当短的时间内使原子温度降到数十微开尔文量级。通过在各个方向上打光调节原子运动的方向，从而使得原子被冷却。在1989年，实验发现了蒸发冷却的方法：将原子束缚在磁阱或光阱中，选择性地移除高能（热）原子，剩余原子通过碰撞重新热化，整体温度随之下降。它的原理和吹冷一杯热水相似，在一个杯子里，热原子处在边缘处，比较容易逃逸，冷原子则位于底层，当热原子跑出去之后，剩下的冷原子的温度重新分布，从而降温。1995年，埃里克·康奈尔与卡尔·威曼利用铷原子、沃尔夫冈·克特勒利用钠原子，分别独立实现了玻色-爱因斯坦凝聚。三位科学家因此荣获2001年诺贝尔物理学奖。这是我们了解电子运动的一个新起点。

▲光镊里的冷原子（来源：中国科学技术大学官网）

冷原子系统在多个方向展现出巨大潜力。例如，高温超导机制至今尚未完全阐明，如同“加盐少许”的菜谱，缺乏定量理解。借助冷原子量子模拟，有望揭示它的微观起源，并指导新型超导材料的设计。若未来能实现室温超导，磁悬浮列车等技术将不再受限于高昂能耗，京沪间半小时通达或将成为现实。

冷原子是一个全新的研究平台，是国际上具有前瞻性和挑战性的前沿领域。冷原子在量子精密测量、量子模拟和量子计算等领域有着重要的应用价值，是世界各国展开激烈竞争的下一代量子信息体系的焦点。

▲“天元”量子模拟器示意。红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。（制图：陈磊）

最后，我想说真正的创新并非为新而新。科学进步由无数看似“无用”的基础探索累积而成。多年前，量子通信尚属冷门，今日已成热点。我们应多多关注那些尚未被广泛认知却蕴含巨大潜力的“酷”科学——如冷原子物理。只有持续深耕基础科学，才能在未来摘取真正改变世界的果实。

文字整理：诗学

文章转载自“墨子沙龙”公众号