陳宇翱：為什么科學家要把原子凍到“瑟瑟發抖”？

真正的創新并非為新而新。科學進步由無數看似“無用”的基礎探索累積而成。多年前，量子通信尚屬冷門，今日已成熱點。我們應多多關注那些尚未被廣泛認知卻蘊含巨大潛力的“酷”科學——如冷原子物理。持續深耕基礎，才能在未來摘取真正改變世界的果實。

2016年8月，墨子沙龍邀請到陳宇翱教授開展了一場關于前沿物理領域“冷原子”的主題講座。本文根據報告內容整理而成。

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第一部分

玻色-愛因斯坦凝聚態：溫度越低，原子越“胖”？

冷原子是一種“冷”而“酷”的前沿物理領域。要理解冷原子，首先要從“溫度”談起。溫度的國際標準單位是開爾文（K），開爾文的零度與我們日常使用的攝氏度相差273.15度。太陽表面溫度約為6000 K，足以汽化地球上所有物質。這一溫度比我們日常飲用的開水（約373 K）高出近兩個數量級。而自然界中已知最冷的物質狀態是液氦，溫度大約4 K，與太陽表面溫度相差約三個數量級。我們所要討論的“冷原子”，則遠低于此，是比液氦還要低上萬倍的極端低溫。

▲開爾文勛爵，首次提出不依賴任何物質特性的絕對溫標的概念。（來源：維基百科）

在這樣的低溫下，原子的行為不再能被簡單地視為經典粒子，而必須考慮其量子波動性。隨著溫度進一步降低，原子的德布羅意波長逐漸增大。最終，在某一臨界溫度以下，它就會達到原子界中的里程碑——玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein Condensation, BEC），這是物質的一種極端狀態。

為形象說明這個過程，可以打個比方：在一個空間中的某兩個原子，一個是A，一個是B，它們很小很小，所以它們之間間距很大。而隨著降溫，它們之間的運動速度減慢，它們越來越冷，慢慢展現出它們波動的性質（原子變得越來越“胖”）；溫度繼續下降，A和B越來越“胖”，胖到互相碰到彼此；溫度再降，A和B膨脹充滿了整個空間，就形成 了你中有我，我中有你的狀態，整個空間中的原子就變成了同一個量子態，以至于在外界看來，分不清哪個是A，哪個是B。這正是玻色-愛因斯坦凝聚的本質：所有原子處于同一個量子態，不可區分，構成一個宏觀的量子相干體。

▲美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室（圖片來源：NASA）

這一現象最早由阿爾伯特·愛因斯坦于1925年提出。其理論基礎源于印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）的一項工作。早在 1924 年，玻色就曾經對其中一類粒子做過統計學計算，后來這類粒子就以他的姓氏命名，稱為玻色子。玻色把自己的論文送給愛因斯坦。愛因斯坦看出了它的重要性，親自將其譯成德文發表。愛因斯坦還把玻色理論擴展到玻色子具有質量的情況，連續發表了兩篇文章，預言當一定數量的粒子足夠趨近，而運動足夠慢時，它們將一起轉變到最低能態，這樣，玻色-愛因斯坦凝聚就發生了。

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第二部分

哈伯德模型：當計算機算不動電子運動

自預言提出以來，實現玻色-愛因斯坦凝聚成為實驗物理界長期追求的“圣杯”。與此同時，在凝聚態物理領域，科學家還在探索如何理解電子的運動。其中最經典的是1963年由約翰·哈伯德（John Hubbard）提出的哈伯德模型。這個美妙的方程式描述出了電子簡單的運動。但遺憾的是，這個方程式沒有解析解，要想解數值解，所需要的計算資源是呈指數增長的。該模型以簡潔數值模擬所需計算資源隨粒子數呈指數增長——例如，模擬僅300個電子所需的存儲空間為23??，這個數字很大，大到已經超越了目前所知的宇宙原子數總和。已遠超可觀測宇宙中原子總數。即便是2016年時世界最快的超級計算機“神威·太湖之光”，也只能處理約45個電子的精確模擬；普通智能手機則僅能處理約35個。所以想真正研究電子運動相當困難。

▲神威·太湖之光超級計算機（來源：國家超級計算無錫中心官網）

面對這一困境，理查德·費曼提出把計算機量子化，也是他首次提出量子計算和量子模擬的概念。利用一個可控的量子體系，用原子體系來模擬電子的體系。類比于航空工程中通過風洞模擬飛行器空氣動力學行為，費曼主張構建一個“電子的風洞”——利用高度可控的冷原子系統來模擬電子在晶格中的運動。

▲理查德·費曼，量子模擬的提出者（來源：百度百科）

為何必須使用冷原子？關鍵在于玻色-愛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為才能精確復現電子在固體中的動力學特性。借助光學晶格等技術，科學家可將冷原子排布成人工晶格，從而實現對哈伯德模型等強關聯系統的量子模擬。一旦操控約50個原子，其模擬能力即可超越現有最強超算；操控100個原子，則計算能力有望超過全球所有經典計算機總和的百萬倍。

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第三部分

冷卻原子：比吹涼咖啡高效1億倍的制冷術

這是一個里程碑式的構想，但冷卻原子并不容易。實現玻色-愛因斯坦凝聚的道路漫長而曲折。直到20世紀80年代，激光冷卻技術的突破才使極低溫成為可能。這就是通過發射光，來阻擋原子前進的路線，比如原子要向右走，左側發出一束光像如來神掌一樣把原子打回去。因為光最大的加速度是重力加速度的負一萬倍，可以在相當短的時間內使原子溫度降到數十微開爾文量級。通過在各個方向上打光調節原子運動的方向，從而使得原子被冷卻。在1989年，實驗發現了蒸發冷卻的方法：將原子束縛在磁阱或光阱中，選擇性地移除高能（熱）原子，剩余原子通過碰撞重新熱化，整體溫度隨之下降。它的原理和吹冷一杯熱水相似，在一個杯子里，熱原子處在邊緣處，比較容易逃逸，冷原子則位于底層，當熱原子跑出去之后，剩下的冷原子的溫度重新分布，從而降溫。1995年，埃里克·康奈爾與卡爾·威曼利用銣原子、沃爾夫岡·克特勒利用鈉原子，分別獨立實現了玻色-愛因斯坦凝聚。三位科學家因此榮獲2001年諾貝爾物理學獎。這是我們了解電子運動的一個新起點。

▲光鑷里的冷原子（來源：中國科學技術大學官網）

冷原子系統在多個方向展現出巨大潛力。例如，高溫超導機制至今尚未完全闡明，如同“加鹽少許”的菜譜，缺乏定量理解。借助冷原子量子模擬，有望揭示它的微觀起源，并指導新型超導材料的設計。若未來能實現室溫超導，磁懸浮列車等技術將不再受限于高昂能耗，京滬間半小時通達或將成為現實。

冷原子是一個全新的研究平臺，是國際上具有前瞻性和挑戰性的前沿領域。冷原子在量子精密測量、量子模擬和量子計算等領域有著重要的應用價值，是世界各國展開激烈競爭的下一代量子信息體系的焦點。

▲“天元”量子模擬器示意。紅色和藍色的小球分別代表自旋相反的原子，它們在三維空間交錯排列，形成了反鐵磁晶體。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。（制圖：陳磊）

最后，我想說真正的創新并非為新而新。科學進步由無數看似“無用”的基礎探索累積而成。多年前，量子通信尚屬冷門，今日已成熱點。我們應多多關注那些尚未被廣泛認知卻蘊含巨大潛力的“酷”科學——如冷原子物理。只有持續深耕基礎科學，才能在未來摘取真正改變世界的果實。

文字整理：詩學

文章轉載自“墨子沙龍”公眾號