奇异量子效应终于被证实:可使物质隐形!

2021-11-23 10:37:20 文章来源:网络
  北京时间11月23日,在一项新的研究中,科学家们终于证实了几十年前预测的奇怪的量子效应——如果一团气体足够冷、足够密,它就可以隐形。这项技术可以用来防止量子计算机中的信息丢失。麻省理工学院的研究人员使用激光挤压和冷却锂气体,使其密度和温度足够低,以减少光散射。如果气体可以冷却到接近绝对零度(零下273.15摄氏度),气体将完全看不见这种奇怪的量子效应称为泡利阻塞,这项研究已成为历史上第一个量子力学过程的具体例子观察到的是非常特殊和简单的泡利阻塞形式。泡利阻塞阻止了原子的自然行为:散射光。这是第一次清楚地观察到这种效应的存在,并显示了物理学中的新现象。研究人员说,这项新技术可用于开启发光抑制材料,以防止量子计算机中的信息丢失。泡利阻塞起源于1925年由奥地利著名物理学家沃尔夫冈·泡利首次提出的泡利不相容原理。泡利假设所有具有相同量子态的费米子——如质子、中子和电子——不可能存在于同一个空间中,这是因为在量子水平上只有有限数量的能态,迫使原子中的电子堆积起来形成更高能级的壳层,并在离原子核更远的轨道上运行。根据著名物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)在1967年写的一篇论文,泡利阻塞可以使不同原子之间的电子保持一定距离,因为如果没有这一不相容原理,所有原子都会崩溃并释放出巨大的能量。泡利不相容原理也适用于气体中的原子。一般来说,气体云中的原子有一个很大的反弹空间,这意味着即使它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子,仍然有足够的未被占据的能级用于它们的跃迁;泡利不相容原理不会显著阻碍它们的运动。当光子被送入相对温暖的气体云中时,与之碰撞的任何原子都可以与其相互作用,吸收它带来的动量,反冲到不同的能级,并散射光子。然而,如果你冷却气体,你会看到完全不同的情况。此时,原子失去能量并充满所有可能的最低能级,形成所谓的“费米海”。这些粒子现在被彼此包围,无法向上移动到更高的能级或向下移动到更低的能级。研究人员解释说,此时,堆积在外壳中的粒子就像整个音乐厅中的观众。即使被击中,他们也无处可去。它们的密度如此之大,以至于粒子无法再与光相互作用。光被泡利挡住了,必须直接穿过——原子只有移动到另一个“座位”才能吸收光子的冲击并散射光子。如果其他“座位”被占用,它将不再能够吸收冲击和散射光子。因此,原子变得透明,然而,原子云很难达到这种状态。这不仅需要极低的温度,还需要压缩原子以记录密度。这是一项微妙的任务,因此在捕捉到原子陷阱中的气体后,研究人员用激光轰击它。在这种情况下,研究人员调整激光束中的光子,使其仅与对面移动的原子碰撞,从而减慢和冷却原子。研究人员将锂气体云冻结到20微开尔文,略高于绝对零度。然后,他们使用另一个紧密聚焦的激光将原子压缩到每立方厘米约1000万亿个原子的密度水平,创造了一个新的记录然后,为了观察超冷原子的不可见性,研究人员向原子发射了第三束也是最后一束激光,并使用高灵敏度相机计算散射光子的数量。激光器经过仔细校准,因此不会改变气体的温度或密度。正如理论预测的那样,冷却和压缩的原子在室温下散射的光比原子少38%,这使它们明显变暗。此外,两个独立的研究小组冷却了另外两种气体,钾和锶,这也证明了这一效果。在锶实验中,研究人员泡利阻止了受激原子,并使它们在受激状态下保持更长的时间。证明泡利阻塞的三篇论文发表在11月18日的《科学》杂志上。现在,研究人员终于证明了泡利阻塞效应,该效应有望用于开发抑制光的材料。这对于提高量子计算机的效率尤其有利,因为当前的量子计算机受到量子退相干的阻碍,即光携带的量子信息将逃逸到计算机周围的环境中。
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