“高溫”玻色－愛因斯坦凝聚研究獲突破性進展

發布時間：2018-04-02 14:16 原文鏈接： “高溫”玻色－愛因斯坦凝聚研究獲突破性進展

　　如果你想建立一個量子計算機，你需要一種方法來構造一堆處于相同狀態的量子位，并實現這些量子位的邏輯運算。有沒有可能使自然界中不同能量、不同狀態的粒子，變成同一個量子狀態的拷貝？有沒有可能通過粒子之間的相互作用，操縱它們來進行簡單的量子計算操作呢？

　　讓原子“凝聚一心”

　　大量相同量子態的粒子拷貝可以通過玻色－愛因斯坦凝聚來實現。1925年，愛因斯坦預言，在極低的溫度下，由服從玻色-愛因斯坦統計的原子可能會發生神奇的轉變。隨著溫度不斷逼近絕對零度，越來越多的原子會聚集于最低的能量狀態上，直到幾乎所有的原子都處于這一個能量狀態上，而整體呈現出一個量子狀態，所有的原子似乎都變成了同一個原子，不再分你我他了。這種狀態后來被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，BEC）”，被稱為是與氣態、液態、固態、等離子態并列的，物質的“第五態”。

　　自此，很多實驗物理學家致力于實現愛因斯坦的預言。然而，直到七十年后，這個預言才被實驗物理學家在170 nK的溫度證實。這一溫度要比自然條件下存在的最低溫度低百萬倍。在自然條件下，最低溫度是太空的溫度，也就是宇宙背景輻射的溫度，大約為3K。因為首次在超低溫下實現了玻色-愛因斯坦凝聚這種神奇的量子現象，麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學鮑爾德分校的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼分享了2001年的諾貝爾物理學獎。

　　打破溫度的局限

　　之后的二十多年間，科學家們使用不同原子實現了玻色－愛因斯坦凝聚，然而，這些原子的轉變溫度都局限于超低溫。有沒有可能在更高的溫度下實現呢？

　　理論上講，玻色-愛因斯坦凝聚的轉變溫度主要由粒子的質量決定。質量越輕的粒子，就可能在越高的溫度下實現玻色-愛因斯坦凝聚。激子等離激元是一種半光子半物質的復合粒子，質量僅為原子質量的千萬分之一至一億之一，是在“高溫”下實現玻色-愛因斯坦凝聚的潛在好體系。2006年，來自法國的科學家J. Kasprzak和同事首次通過半導體微腔中的激子等離激元，在溫度下降到4K時，觀測到了基態的宏觀占據和相干態的形成，為玻色－愛因斯坦凝聚在“高溫”下的實現邁出了重要一步。

　　如同水蒸氣凝結為水，水凝固成冰一樣，玻色-愛因斯坦凝聚也是一個熱平衡相變。然而，激子等離激元的壽命很短，只有1ps (1×10-12s)左右。在如此短暫的壽命里，激子等離激元沒有足夠的時間通過相互作用形成平衡態。如果無法達到平衡態，就無從談起相變，更不要說玻色-愛因斯坦凝聚了。也因為如此，科學家們將2006年Kasprzak等人的貢獻折中地稱為“準”或者“半”玻色愛因斯坦凝聚。

　　2017年1月，美國《物理評論快報》雜志發表的一項研究，首次采用超長壽命激子的等離激元和環形光阱，實現了在40K下的玻色-愛因斯坦凝聚。該研究的負責人、美國麻省理工學院孫永寶博士等利用一種特殊的半導體結構，將激子等離激元的壽命提高了兩百多倍，從1ps左右提高到270ps, 為實現玻色-愛因斯坦凝聚提供了新的契機。此外，他們巧妙地通過光學手段將激子等離激元束縛在一個環形光阱中，增加了激子等離激元之間相互作用的概率。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”下對玻色-愛因斯坦凝聚的實現。這項研究成果為玻色-愛因斯坦凝聚走出實驗室，走向工業界提供了可能。

　　凝聚中的相互作用

　　量子器件計算功能的核心是相互作用，如果粒子之間沒有相互作用，各種邏輯運算就無法實現，也不能進行人工操控，那么就無從談起量子器件。雖然高轉變溫度的玻色-愛因斯坦凝聚的實現使科學家們頗為興奮，但是這種興奮逐漸趨于平靜。因為激子等離激元是一種半光子半物質的復合粒子，科學家們猜測他們之間的相互作用非常弱，無法實現全光量子器件。然而，實現“高溫”玻色-愛因斯坦凝聚的孫永寶博士卻有著不同的看法。他認為，由于激子等離激元存在于一個光學諧振腔中，它們之間的相互作用會由于諧振場效應增強。這種增益相互作用機制非常復雜，現在的理論還暫時不能給出精確的計算，所以只能訴諸于實驗測量。

　　那么，激子等離激元之間的相互作用，到底有多強？2017年9月，英國《自然?物理》雜志發表了孫永寶博士的另一項研究成果。該研究中，孫永寶博士和同事第一次對激子等離激元的相互作用常數進行了定量測量，揭示了激子等離激元并不是傳統理論所預測的弱相互作用體系。這項研究成果不僅改變了學界對基于激子等離激元的傳統認識，而且對基于激子等離激元的全光量子器件的研發有重大的指導意義。

　　孫永寶博士解釋說，“和正電荷與正電荷之間相互排斥一樣，激子等離激元之間也會互相排斥，這種排斥相互作用會導致激子等離激元的基態能量升高，而基態能量的改變量與激子等離激元的密度成正比，這個比例常數就是激子等離激元的相互作用強度。因此，只要能對這個基態能量的改變量以及激子等離激元的數密度進行測量，我們就可以得到激子等離激元的相互作用強度。”

　　雖然實驗原理很簡單，但是激子等離激元基態能量的改變量和數密度都很難獲得精確的測量。激子等離激元是一種半光子半物質的復合粒子，一般通過過帶隙的激光激發半導體材料產生。這種過帶隙的激光同時也會產生自由載流子，而自由載流子也會與激子等離激元之間相互作用，改變激子等離激元的基態能量。這也是科學家們長期以來測量激子等離激元相互作用強度的最大障礙。

　　“雖然過帶隙激光會同時產生自由載流子和激子等離激元，但是激子等離激元比自由載流子輕一萬倍左右，這也就意味著在相同外力驅動下，激子等離激元可以跑得更快，只要給予足夠的時間，就可以自由載流子分開。過去的數十年間，激子等離激元的壽命只有1ps，賽跑還沒開始就衰減了。而我們“長壽”的激子等離激元恰恰為他們的賽跑提供了可能。”

　　基于此設想，孫永寶博士和同事通過空間調制技術，將激發激光的光斑調整成一個環形。由于粒子之間的相互排斥作用，激子等離激元和自由載流子都會向圓環中心和圓環外部逃逸。圓環直徑是40微米。由于激子等離激元逃逸的速度更快，在合適的時間下，圓環中心10微米的區域只有激子等離激元。這樣一來，他們就有效的分開了激子等離激元和其他干擾粒子。

　　“我們使用玻色愛因斯坦凝聚的轉變密度對圓環光阱中心區域的激子等離激元的密度進行了校準，而激子等離激元基態能量的改變量可以通過光譜儀進行高精度的測量，這樣一來，我們就可以確定激子等離激元的相互作用強度了。”實驗測量驗證了他們的猜想。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。

　　迄今為止，科學家還沒有研制出一臺真正意義上的量子計算機。但是，世界各地的許多實驗室正在以巨大的熱情追尋著這個夢想。如何實現量子計算的關鍵在于對微觀量子態的構造以及精確操縱。玻色－愛因斯坦凝聚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。基于光學諧振的激子等離激元體系已經可以在40K的溫度下實現玻色－愛因斯坦凝聚，并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。