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量子工程繪圖紙上的起始點,華人科學家為量子技術開辟新領域

2021-04-29  量子客


從無法破解的網絡到地震傳感器,研究人員寄予了量子技術無限厚望,但所有這些都取決于能否建立并控制量子系統
 
而近期,芝加哥大學的科學家們發明了一種新方法[1],向希望邁進了一步。4月28日發表在《自然》雜志上的論文[2],展示了如何將多個分子同時轉化為單個量子態,而這是量子物理學的重要目標之一
 
物質的基本狀態之一被稱為玻色-愛因斯坦凝聚:當把一組粒子冷卻到接近絕對零度時,它們呈現出一種量子狀態,整個群體表現得像是一個單一的原子。這種情況操作難度高,但當它發生時,可能會打開一個新世界的大門。
 
幾十年來,科學家們已經可以用原子做到這一點,但他們真正想要的,是用分子也能夠達成同樣的目的。該方向的突破可以為多種形式的量子技術奠定基礎。
 
但由于分子比原子大,且有更多活動部件,大多數嘗試只能以失敗告終。芝加哥大學物理系金政教授表示,原子是簡單的球形物體,而分子可以振動、旋轉、帶磁性、控制難度高。即便如此,分子能做更多不同的事情,使得它們更有用。
 
圖1|金政教授(來源:芝加哥大學)
 
芝加哥大學金政教授研究組,利用實驗室里的一些新功能,從去年開始嘗試在實驗中增加兩個條件。
 
首先是將整個系統進一步冷卻到10納開爾文,只比絕對零度 (零下273.15攝氏度) 高出一點。然后他們將分子放入一個可以爬行的空間里,將它們釘平。
 
金政教授表示,通常分子想要向各個方向移動,如果允許它們這樣做,那么穩定性就會大大降低。而如果限制了分子的活動范圍,使它們處于一個二維平面上,它們就只能朝兩個方向運動。
 
實驗后得到了一組幾乎完全相同的分子,它們以完全相同的方向、相同的振動頻率、相同的量子狀態排成一列
 
圖2|分子成功匯聚為玻色-愛因斯坦凝聚的圖像(來源:金政研究組)
 
科學家們將這種分子凝聚態比喻為一張原始的量子工程繪圖紙,表明該實驗是一個理想的起點。
 
截至目前,他們已經能夠在這樣的狀態下,將幾千個分子連接在一起,并開始探索其潛力
 
金政教授補充說,以傳統方式思考化學,人們會想到是一些原子和分子的碰撞,形成了一個新的分子。但在量子系統中,所有的分子呈現出集體行為,這為探索分子如何共同反應從而成為一種新分子,開辟了全新途徑
 
 
封面:
芝加哥大學
 
引用:
[1]https://news.uchicago.edu/story/long-awaited-breakthrough-uchicago-scientists-harness-molecules-single-quantum-state
[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-03443-0



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延 伸 閱 讀

01    量子技術走出實驗室 引發一場小型創業熱潮
02    哈佛開設量子科學與工程博士學位
03    IBM暑期學校重點關注量子機器學習領域
04    悉尼大學學生物理作業被亞馬遜量子人員征用
05    中科大在分布式量子精密測量取得重大突破
06    英國名校教授出任牛津儀器顧問技術總監

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