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高温”玻色-爱因斯坦凝聚研究获突破性进展

2018-06-22 08:23

  如果你想建立一个量子计算机,你需要一种方法来构造一堆处于相同状态的量子位,并实现这些量子位的逻辑运算。有没有可能使自然界中不同能量、不同状态的粒子,变成同一个量子状态的拷贝?有没有可能通过粒子之间的相互作用,它们来进行简单的量子计算操作呢?

  大量相同量子态的粒子拷贝可以通过玻色-爱因斯坦凝聚来实现。1925年,爱因斯坦预言,在极低的温度下,由服从玻色-爱因斯坦统计的原子可能会发生神奇的转变。随着温度不断逼近绝对零度,越来越多的原子会聚集于最低的能量状态上,直到几乎所有的原子都处于这一个能量状态上,而整体呈现出一个量子状态,所有的原子似乎都变成了同一个原子,不再分你我他了。这种状态后来被称为“玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensation,BEC)”,被称为是与气态、液态、固态、等离子态并列的,物质的“第五态”。

  自此,很多实验物理学家致力于实现爱因斯坦的预言。然而,直到七十年后,这个预言才被实验物理学家在170 nK的温度。 这一温度要比自然条件下存在的最低温度低百万倍。在自然条件下,最低温度是太空的温度,也就是背景辐射的温度,大约为3K。因为首次在超低温下实现了玻色-爱因斯坦凝聚这种神奇的量子现象,麻省理工学院的沃夫冈凯特利与科罗拉多大学鲍尔德分校的埃里克康奈尔和卡尔威曼分享了2001年的诺贝尔物理学。

  之后的二十多年间,科学家们使用不同原子实现了玻色-爱因斯坦凝聚,然而,这些原子的转变温度都局限于超低温。有没有可能在更高的温度下实现呢?

  理论上讲,玻色-爱因斯坦凝聚的转变温度主要由粒子的质量决定。质量越轻的粒子,就可能在越高的温度下实现玻色-爱因斯坦凝聚。激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,质量仅为原子质量的千万分之一至一亿之一,是在“高温”下实现玻色-爱因斯坦凝聚的潜在好体系。2006年,来自法国的科学家J. Kasprzak和同事首次通过半导体微腔中的激子等离激元,在温度下降到4K时,观测到了基态的宏观占据和相干态的形成,为玻色-爱因斯坦凝聚在“高温”下的实现迈出了重要一步。

  如同水蒸气凝结为水,水凝固成冰一样,玻色-爱因斯坦凝聚也是一个热平衡相变。然而,激子等离激元的寿命很短,只有1ps (1×10-12s)左右。在如此短暂的寿命里,激子等离激元没有足够的时间通过相互作用形成平衡态。如果无法达到平衡态,就无从谈起相变,更不要说玻色-爱因斯坦凝聚了。也因为如此,科学家们将2006年Kasprzak等人的贡献折中地称为“准”或者“半”玻色爱因斯坦凝聚。

  2017年1月,美国《物理评论快报》发表的一项研究,首次采用超长寿命激子的等离激元和环形光阱,实现了在40K下的玻色-爱因斯坦凝聚。该研究的负责人、美国麻省理工学院孙永宝博士等利用一种特殊的半导体结构,将激子等离激元的寿命提高了两百多倍,从1ps左右提高到270ps, 为实现玻色-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将激子等离激元在一个环形光阱中,增加了激子等离激元之间相互作用的概率。在该研究中,实验测量的量子相变的相图和理论预测几乎完全一致,有力地证明了他们在“高温”下对玻色-爱因斯坦凝聚的实现。这项研究为玻色-爱因斯坦凝聚走出实验室,工业界提供了可能。

  量子器件计算功能的核心是相互作用,如果粒子之间没有相互作用,各种逻辑运算就无法实现,也不能进行人工操控,那么就无从谈起量子器件。虽然高转变温度的玻色-爱因斯坦凝聚的实现使科学家们颇为兴奋,但是这种兴奋逐渐趋于平静。因为激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,科学家们猜测他们之间的相互作用非常弱,无法实现全光量子器件。然而,实现“高温”玻色-爱因斯坦凝聚的孙永宝博士却有着不同的看法。他认为,由于激子等离激元存在于一个光学谐振腔中,它们之间的相互作用会由于谐振场效应增强。这种增益相互作用机制非常复杂,现在的理论还暂时不能给出精确的计算,所以只能诉诸于实验测量。

  那么,激子等离激元之间的相互作用,到底有多强?2017年9月,英国《自然?物理》发表了孙永宝博士的 另一项研究。该研究中,孙永宝博士和同事第一次对激子等离激元的相互作用进行了定量测量,了激子等离激元并不是传统理论所预测的弱相互作用体系。这项研究不仅改变了学界对基于激子等离激元的传统认识,而且对基于激子等离激元的全光量子器件的研发有重大的指导意义。

  孙永宝博士解释说,“和正电荷与正电荷之间相互一样,激子等离激元之间也会互相,这种相互作用会导致激子等离激元的基态能量升高,而基态能量的改变量与激子等离激元的密度成正比,这个比例就是激子等离激元的相互作用强度。因此,只要能对这个基态能量的改变量以及激子等离激元的数密度进行测量,我们就可以得到激子等离激元的相互作用强度。”

  虽然实验原理很简单,但是激子等离激元基态能量的改变量和数密度都很难获得精确的测量。激子等离激元是一种半光子半物质的复合粒子,一般通过过带隙的激光激发半导体材料产生。这种过带隙的激光同时也会产生载流子,而载流子也会与激子等离激元之间相互作用,改变激子等离激元的基态能量。这也是科学家们长期以来测量激子等离激元相互作用强度的最大障碍。

  “虽然过带隙激光会同时产生载流子和激子等离激元,但是激子等离激元比载流子轻一万倍左右,这也就意味着在相同外力驱动下,激子等离激元可以跑得更快,只要给予足够的时间,就可以载流子分开。过去的数十年间,激子等离激元的寿命只有1ps,赛跑还没开始就衰减了。而我们“长寿”的激子等离激元恰恰为他们的赛跑提供了可能。”

  基于此设想,孙永宝博士和同事通过空间调制技术,将激发激光的光斑调整成一个环形。由于粒子之间的相互作用,激子等离激元和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。由于激子等离激元逃逸的速度更快,在合适的时间下,圆环中心10微米的区域只有激子等离激元。这样一来,他们就有效的分开了激子等离激元和其他干扰粒子。

  “我们使用玻色爱因斯坦凝聚的转变密度对圆环光阱中心区域的激子等离激元的密度进行了校准,而激子等离激元基态能量的改变量可以通过光谱仪进行高精度的测量,这样一来,我们就可以确定激子等离激元的相互作用强度了。”实验测量验证了他们的猜想。光学谐振腔中,谐振场的增益效应显著,增强了激子等离激元之间的相互作用,为激子等离激元的在量子计算中的应用提供了可靠论证。

  迄今为止,科学家还没有研制出一台真正意义上的量子计算机。但是,世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想。如何实现量子计算的关键在于对微观量子态的构造以及精确。玻色-爱因斯坦凝聚是一个很好的出发点,因为它提供了很多相同量子态的粒子。 基于光学谐振的激子等离激元体系已经可以在40K的温度下实现玻色-爱因斯坦凝聚,并初步展示出易操控易观测的性质,为人类实现量子计算机梦想向前迈近了一步。

  迄今为止,科学家还没有研制出一台真正意义上的量子计算机