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�U�研要闻

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“高温”玻�Ԍ��爱因斯坦凝聚研究��L��破性进�?/h1>
发布旉��Q?018-04-02 ��览�ơ数�Q?script>_showDynClicks("wbnews", 1367982545, 2859)

如果你想建立一个量子计��机�Q�你需要一�U�方法来构造一堆处于相同状态的量子位，�q�实现这些量子位的逻辑�q�算。有没有可能使自然界中不同能量、不同状态的�_�子�Q�变成同一个量子状态的拯��Q�有没有可能通过�_�子之间的相互作用，操纵它们来进行简单的量子计算操作呢？

让原子“凝聚一心�?/span>

大量相同量子态的�_�子拯��可以通过玻色�Q�爱因斯坦凝聚来实现�?925�q�_��爱因斯坦预言�Q�在极低的温度下�Q�由服从玻色-爱因斯坦�l�计的原子可能会发生��奇的�{变。随着温度不断��D��l�对零度�Q�越来越多的原子会聚集于最低的能量状态上�Q�直到几乎所有的原子都处于这一个能量状态上�Q�而整体呈现出一个量子状态，所有的原子��g��都变成了同一个原子，不再分你我他了。这�U�状态后来被�U�Cؓ“玻�?爱因斯坦凝聚�Q�Bose-Einstein Condensation�Q�BEC�Q�”，被称为是与气态、液态、固态、等��d��态�ƈ列的�Q�物质的“第五态”�?/span>

自此�Q�很多实验物理学家致力于实现爱因斯坦的预�a�。然而，直到七十�q�后�Q�这个预�a�才被实验物理学家�?70 nK的温度证实�?�q�一温度要比自然条�g下存在的最低温度低百万倍。在自然条�g下，最低温度是太空的温度，也就是宇宙背景辐��的温度�Q�大�U��ؓ3K。因为首�ơ在��低温下实现了玻�?爱因斯坦凝聚�q�种��奇的量子现象，�ȝ��理工学院的沃夫冈·凯特利与�U�罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克·康奈尔和卡��·威曼分享了2001�q�的��物理学奖�?/span>

打破温度的局�?/span>

之后的二十多�q�间�Q�科学家们��用不同原子实��C��玻色�Q�爱因斯坦凝聚，然而，�q�些原子的�{变温度都局限于��低温。有没有可能在更高的温度下实现呢�Q?/span>

理论上讲�Q�玻�?爱因斯坦凝聚的�{变温度主要由�_�子的质量决定。质量越�ȝ��_�子�Q�就可能在越高的温度下实现玻�?爱因斯坦凝聚。激子等��L��元是一�U�半光子半物质的复合�_�子�Q�质量仅为原子质量的千万分之一至一亿之一�Q�是在“高温”下实现玻色-爱因斯坦凝聚的潜在好体系�?006�q�_��来自法国的科学家J. Kasprzak和同事首�ơ通过半导体微腔中的激子等��L��元，在温度下降到4K�Ӟ��观测��C��基态的宏观占据和相�q�态的形成�Q��ؓ玻色�Q�爱因斯坦凝聚在“高温”下的实现迈��Z��重要一步�?/span>

如同水蒸气凝�l��ؓ��_��水凝固成��C��P��玻色-爱因斯坦凝聚也是一个热�q��相变。然而，�Ȁ子等��L��元的寿命很短�Q�只�?ps (1×10-12s)左右。在如此短暂的寿命里�Q�激子等��L��元没有��够的旉��通过�怺�作用形成�q��态。如果无法达到��^衡态，��无从谈��L��变，更不要说玻色-爱因斯坦凝聚了。也因�ؓ如此�Q�科学家们将2006�q�Kasprzak�{��h的�A献折中地�U�Cؓ“准”或者“半”玻色爱因斯坦凝聚�?/span>

2017�q?月，��国《物理评论快报》杂志发表的一��研�IӞ��首次采用��长寿命�Ȁ子的�{�离�Ȁ元和环�Ş光阱�Q�实��C��?0K下的玻色-爱因斯坦凝聚。该研究的负责�h、美国麻省理工学院孙永宝博士�{�利用一�U�特�D�的半导体结构，��激子等��L��元的寿命提高了两癑֤�倍，�?ps左右提高�?70ps, 为实现玻�?爱因斯坦凝聚提供了新的契机。此外，他们巧妙地通过光学手段��激子等��L��元束�~�在一个环形光�׃��Q�增加了�Ȁ子等��L��元之间相互作用的概率。在该研�I�中�Q�实验测量的量子相变的相囑֒�理论预测几乎完全一��_��有力地证明了他们在“高温”下对玻�?爱因斯坦凝聚的实现。这��研�I�成果�ؓ玻色-爱因斯坦凝聚走出实验室，走向工业界提供了可能�?/span>

凝聚中的�怺�作用

量子器�g计算功能的核心是�怺�作用�Q�如果粒子之间没有相互作用，各种逻辑�q�算��无法实玎ͼ�也不能进行�h工操控，那么��无从谈起量子器件。虽焉��转变温度的玻�?爱因斯坦凝聚的实��C�ɿU�学家们颇�ؓ兴奋�Q�但是这�U�兴奋逐渐��于�q�静。因为激子等��L��元是一�U�半光子半物质的复合�_�子�Q�科学家们猜��他们之间的�怺�作用非常弱，无法实现全光量子器�g。然而，实现“高温”玻�?爱因斯坦凝聚的孙永宝博士却有着不同的看法。他认�ؓ�Q�由于激子等��L��元存在于一个光学谐振腔中，它们之间的相互作用会�׃��谐振场效应增强。这�U�增益相互作用机刉��常复杂，现在的理��暂时不能�l�出�_��的计��，所以只能诉�怺�实验��量�?/span>

那么�Q�激子等��L��元之间的�怺�作用�Q�到底有多强�Q?017�q?月，英国《自�?物理》杂志发表了孙永宝博士的另一��研�I�成果。该研究中，孙永宝博士和同事�W�一�ơ对�Ȁ子等��L��元的�怺�作用常数�q�行了定量测量，揭示了激子等��L��元�ƈ不是传统理论所预测的弱�怺�作用体系。这��研�I�成果不仅改变了学界对基于激子等��L��元的传统认识�Q�而且对基于激子等��L��元的全光量子器�g的研发有重大的指导意义�?/span>

孙永宝博士解释说�Q�“和正电荷与正电荷之间相互排斥一��P��Ȁ子等��L��元之间也会互相排斥，�q�种排斥�怺�作用会导致激子等��L��元的基态能量升高，而基态能量的改变量与�Ȁ子等��L��元的密度成正比，�q�个比例常数��是�Ȁ子等��L��元的�怺�作用强度。因此，只要能对�q�个基态能量的改变量以及激子等��L��元的数密度进行测量，我们��可以得到激子等��L��元的�怺�作用强度。�?/span>

虽然实验原理很简单，但是�Ȁ子等��L��元基态能量的改变量和数密度都很难获得�_��的测量。激子等��L��元是一�U�半光子半物质的复合�_�子�Q�一般通过�q�带隙的�Ȁ光激发半��g��材料产生。这�U�过带隙的激光同时也会��生自��p��子�Q�而自��p��子也会与激子等��L��元之间相互作用，改变�Ȁ子等��L��元的基态能量。这也是�U�学家们长期以来��量�Ȁ子等��L��元相互作用强度的最大障��?/span>

“虽然过带隙�Ȁ光会同时产生自由载流子和�Ȁ子等��L��元，但是�Ȁ子等��L��元比自由载流子轻一万倍左叻I��q�也��意味着在相同外力驱动下�Q�激子等��L��元可以跑得更快，只要�l�予��_��的时��_��可以自��p��子分开。过�ȝ��数十�q�间�Q�激子等��L��元的寿命只有1ps�Q�赛跑还没开始就衰减了。而我们“长寎쀝的�Ȁ子等��L��元恰��Cؓ他们的赛跑提供了可能。�?/span>

��Z��此设惻I��孙永宝博士和同事通过�I�间调制技术，��激发激光的光斑调整成一个环形。由于粒子之间的�怺�排斥作用�Q�激子等��L��元和自由载流子都会向圆环中心和圆环外部逃逸。圆环直径是40微米。由于激子等��L��元逃逸的速度更快�Q�在合适的旉��下，圆环中心10微米的区域只有激子等��L��元。这样一来，他们��有效的分开了激子等��L��元和其他�q�扰�_�子�?/span>

“我们��用玻色爱因斯坦凝聚的转变密度对圆环光�׃��心区域的�Ȁ子等��L��元的密度�q�行了校准，而激子等��L��元基态能量的改变量可以通过光谱仪进行高�_�ֺ�的测量，�q�样一来，我们��可以确定激子等��L��元的�怺�作用强度了。”实验测量验证了他们的猜惟뀂光学谐振腔中，谐振场的增益效应显著�Q�增��Z��Ȁ子等��L��元之间的�怺�作用�Q��ؓ�Ȁ子等��L��元的在量子计��中的应用提供了可靠��?/span>

�q�今为止�Q�科学家�q�没有研制出一台真正意义上的量子计��机。但是，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情�q�寻着�q�个梦想。如何实现量子计��的关键在于对微观量子态的构造以及精��操�U�c��玻�Ԍ��爱因斯坦凝聚是一个很好的出发点，因�ؓ它提供了很多相同量子态的�_�子�?��Z��光学谐振的激子等��L��元体�p�d��l�可以在40K的温度下实现玻色�Q�爱因斯坦凝聚，�q�初步展�C�出易操控易观测的性质�Q��ؓ人类实现量子计算机梦惛_��前迈�q�了一步�?/span>

摘自�U�学�|�：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2018/4/407779.shtm

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