冷原子实验室拓展量子研究新疆界

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

在距离地面约400千米的国际空间站内，一个只有迷你冰箱大小的实验设施，正在改变科学家理解宇宙的方式。

近日，美国国家航空航天局（NASA）宣布，国际空间站上的冷原子实验室完成第四次重大升级。这个实验室正在将原子冷却至接近绝对零度的极低温状态，使原子进入一种名为“玻色—爱因斯坦凝聚态”的奇特量子状态。这种状态被称为超越固态、液态、气态和等离子态之外的“第五种物质状态”。在这种状态下，物质表现得不再像传统意义上的粒子，而更像是波。

这一概念听起来像科幻故事，但其目标非常现实。科学家正在探索，量子系统是否能够打造更精准的时钟、更灵敏的引力传感器以及新型导航工具，未来或许可以帮助航天器摆脱对传统信号的完全依赖。

最新升级后的冷原子实验室展示了空间技术的一次重要转变：研究人员不再只是观察宇宙，而是在轨道上学习如何控制自然界最微小的基本组成单元。

微重力环境让量子世界更易被观察

为什么科学家要把量子实验搬到太空？原因在于，量子世界的规律与我们日常生活中的经验完全不同，而地球环境中的干扰会阻碍科学家观察这些现象。

在宏观世界中，物体通常具有确定的位置和状态。但在量子尺度，粒子却可能表现出完全不同的特征。例如，量子力学理论认为，粒子可以同时处于多个状态，即量子叠加；不同粒子之间还可能通过量子纠缠产生联系；粒子也可以表现出类似波的性质。

然而，观察这些量子行为并不容易。美国《趣味科学》网站打了一个形象的比方：如果把一个原子放大到高尔夫球大小，那么按照相同比例放大，人类的身高将达到约地球到月球的距离。这意味着，原子与人类之间存在着难以想象的尺度差异，也正因如此，研究原子的量子行为极具挑战性。此外，热运动和重力等因素也会破坏原本微妙的量子状态，使科学家难以获得稳定的观测结果。

其次，在正常环境中，例如地球表面，科学家虽然也能制造和测量超冷原子，但热能、重力等因素会干扰这些微妙现象，限制观测时间和精度。而国际空间站的微重力环境，为研究量子物质提供了独特条件。在轨环境能让超冷原子形成的量子波扩展得更大，并保持更长时间，使科学家能够更加精细地研究量子行为。

太空“冰箱”升级以进行更复杂量子实验

为了制造玻色—爱因斯坦凝聚态，国际空间站冷原子实验室利用激光和磁场控制原子运动。实验开始时，研究人员会将铷或钾金属加热至约400℃，使其产生原子气体。随后，他们利用激光降低原子能量，使其冷却，最后再通过磁场捕获原子，并进一步降低温度，使其接近绝对零度。

据印度《经济时报》报道，冷原子实验室就像一座“太空冰箱”，将激光系统、真空设备、冷却装置和磁场控制系统集成在有限空间内，使科学家能在轨道环境下开展量子实验。该设施无需宇航员现场操作，而是由地面团队远程控制，研究人员可根据实验方案调整激光、磁场等实验参数。

自2018年抵达国际空间站以来，冷原子实验室已完成多次升级。NASA表示，此次第四次升级包括重新设计约束原子云的磁阱、改进原子源以及提升测量能力等，使研究人员能够开展更加复杂的量子实验。

“这是目前我们最接近控制量子世界边界的方式。”冷原子实验室项目经理卡迈勒·乌德赫里表示，这次升级进一步拓展了探索量子世界的能力。

超冷原子技术助力未来深空探索

对超冷原子量子态的研究，并不只是为了探索微观世界的奇特规律。科学家希望，这些基础研究能推动下一代量子技术发展，并为未来空间探索提供新的技术工具。

其中，量子传感器是备受关注的方向。传统航天器导航通常依赖地面通信、卫星定位系统等外部信号，但随着探索距离不断增加，信号传输延迟、定位误差等问题会更加突出。对于月球、火星等深空任务而言，如何实现更加自主、精准的导航，是未来航天技术需要解决的重要问题。

《经济时报》报道称，基于超冷原子的量子传感器未来或许能通过测量航天器自身运动、加速度以及周围引力变化，帮助航天器判断自身位置，从而减少对外部信号的依赖。对于月球、火星等深空任务而言，这类技术有望提升航天器自主导航能力。

除了空间导航，超冷原子技术还可能推动高精度计时和引力测量技术发展。由于超冷原子对外界变化极其敏感，它们能帮助科学家制造更加精准的原子钟，探测微小的引力变化。这种技术未来有望应用于定位、导航、授时以及引力测量等领域，助力绘制出更加精细的地球引力地图。

不过，这些应用仍处于研究和验证阶段，距离真正用于航天任务还有较长距离。目前，冷原子实验室最重要的作用，仍是为人类探索量子规律提供一个地面难以替代的实验平台。