「高溫」玻色—愛因斯坦凝聚，你是怎樣的存在？

400nK、200nK和50nK溫度下的玻色—愛因斯坦凝聚。波峰表示隨著溫度下降，越來越多的原子「凝聚」到同一能態。圖片來自網路

今日視點

迄今為止，科學家還沒有研製出真正意義上的量子計算機。實現量子計算的關鍵在於對微觀量子態的構造以及精確操縱。玻色—愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate，BEC）是一個很好的出發點，因為它提供了很多相同量子態的粒子，可用以構建量子器件、量子開關，甚至實現量子計算。

美國麻省理工學院孫永寶博士擔綱的研究團隊，通過建立光學諧振的激子等離激元體系，首次在40K的溫度下實現了BEC，並初步展示出易操控易觀測的性質，為人類實現量子計算機夢想向前邁近了一步。日前，孫博士向科技日報記者介紹了BEC的進展和最新突破。

最冷的相

根據量子力學，微觀粒子具有波粒二象性。以原子為例，它既是粒子也是波。氣態原子在常溫下表現出經典粒子的特點，隨著溫度降低，波動性不斷增強，經典物理的統計方法將不再適用。1925年，愛因斯坦預言，當溫度降到足夠低時，本來各自獨立的原子會變成一群「集體主義」的原子，「凝聚」在一個相同的量子狀態，整個系統就會形成「玻色—愛因斯坦凝聚」。這種狀態也被稱為與氣相、液相、固相、等離子體並列的物質「第五相」。

要驗證愛因斯坦的預言，需要將系統的溫度降到極低。直到1995年，美國科羅拉多大學的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼利用磁場約束原子，同時利用激光冷卻和磁勢阱蒸發冷卻，在170nK（僅比絕對零度高百萬分之0.17度）溫度下實現了BEC，並因此得了2001年的諾貝爾物理學獎。

自然條件下的最低溫度約為3K，也就是宇宙背景輻射的溫度。埃里克和卡爾實現BEC的溫度比自然最低溫還要低百萬倍。在當時，這種物質狀態真可謂是「最冷的相」。

突破至寒

儘管科學家可使用不同原子實現BEC，但轉變溫度都局限於超低溫，很難進入實際應用。怎樣才能在更高溫度下實現BEC呢？

2006年，法國科學家卡斯普扎克和同事首次通過半導體微腔中的激子等離激元，在溫度降到4K時，觀測到了基態的宏觀佔據和相干態的形成，向實現「高溫」BEC邁出了重要一步。理論上講，發生凝聚的溫度與玻色子粒子的質量有關。粒子質量越輕，就可能在越高溫度下實現凝聚。

激子等離激元是一種半光子半物質的複合粒子，質量僅為原子質量的千萬分之一至一億分之一，似乎是很好的選擇。然而其壽命只有1皮秒（1×10-12秒）左右。在如此短暫的壽命里，其沒有足夠的時間達到熱平衡，更無法形成BEC。也因此，科學家們將卡斯普扎克等人的貢獻折中地稱為「准」或者「半」BEC。

2017年1月，美國《物理評論快報》雜誌發表了一項研究，採用「超長壽」的激子等離激元和環形光阱，首次在40K下實現了BEC。負責該項研究的孫永寶博士等使用了一種特殊的半導體微腔結構，使激子等離激元的壽命從1皮秒左右提高到270皮秒，並通過空間光學調製手段將其束縛在一個環形光阱中。這種束縛可增加激子等離激元之間相互作用的概率，有效促進其達到熱平衡。在該研究中，實驗測量的量子相變的相圖和理論預測幾乎完全一致，有力地證明了他們在「高溫」下實現的BEC。至此，BEC終於突破至寒。

讓粒子賽跑

「高溫」BEC的實現為其走出實驗室，走向工業界提供了可能。那麼，「高溫」BEC中粒子相互作用有多強？這不僅是一個重要的理論問題，也決定著「高溫」BEC在量子計算中的應用價值。

長期以來，對激子等離激元相互作用強度的測量都是一個難題，因為產生激子等離激元的同時，也會產生自由載流子二者之間的相互作用，會對激子等離激元相互作用強度的測量造成很大的干擾。

2017年9月，在英國《自然·物理》發表的另一項研究成果中，孫永寶博士構思了一個聰明的辦法來解決這個問題：讓自由載流子和激子等離激元賽跑！由於激子等離激元比自由載流子輕一萬倍左右，在相同外力驅動下，激子等離激元可以跑得更快，只要時間足夠長，就可以將二者分開。他們把起跑線設為環形，利用「超長壽」激子等離激元，有效地分開了激子等離激元和自由載流子，將激子等離激元收集在圓環中心的「凝聚池」中，從而方便對其相互作用強度的測量。

「凝聚」中的斥力

由於激子等離激元是一種半光子半物質的複合粒子，很多科學家猜測它們之間的相互作用非常弱。這幾乎是給基於激子等離激元的量子器件宣判了死刑，因為如果激子等離激元之間沒有相互作用，各種邏輯運算就無法實現，也難以對激子等離激元的量子態進行人工操控。

然而，孫永寶博士卻持不同觀點。他認為，由於激子等離激元存在於一個光學諧振腔中，它們之間的相互作用會由於諧振場效應增強。這種增益相互作用機制非常複雜，無法通過現有的理論精確計算。然而通過實驗，可以對「凝聚池」中「賽跑」後的激子等離激元的相互作用強度進行準確的測量。

實驗測量的結果驗證了他們的猜想。光學諧振腔中，諧振場的增益效應顯著，增強了激子等離激元之間的相互作用，為激子等離激元的在量子計算中的應用提供了可靠論證。

由於BEC和超導存在的聯繫，「高溫」BEC的實現，將為高溫超導提供了一個潛在的非傳統的全光體系，對此體系中粒子相互作用強度的測量，則為這些應用提供了廣闊的平台和支持。（記者 馮衛東）

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