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让物质隐形的奇异量子效应证实

有望催生能抑制光的新材料以提升量子计算机性能

2021-11-24 科技日报 刘霞
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  几十年前,科学家预言存在一种奇异的量子效应——泡利阻塞,即如果一团气体变得足够冷且足够致密,它就能隐形。美国和新西兰科学家在最新一期《科学》杂志撰文指出,他们利用激光挤压并冷却锂气体等,使其密度和温度变化到足以减少光散射量的程度,由此证明了泡利阻塞效应,未来有望利用其开发能抑制光的材料,进一步提高量子计算机的性能和效率。

  泡利阻塞源自奥地利著名物理学家沃尔夫冈·泡利于1925年首次提出的泡利不相容原理。泡利假定,一切处于相同量子态的费米子(如质子、中子和电子)都不能处于同一空间。泡利不相容原理也适用于气体中的原子。通常情况下,气体云中的原子有很大的弹跳空间。这意味着,尽管它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子,但有足够多未被占据的能级供它们跃迁。然而,如果让气体冷却下来,原子会失去能量,占满所有可用的最低能级,处于不能动弹的状态。由于排列过于紧密,这些粒子无法再与光相互作用,光就被“泡利阻塞”了,只能径直穿过。

  在最新研究中,科学家调整了激光束中的光子,使锂气体云中的原子变慢并变冷,随后将气体云的温度降至略高于绝对零度,再使用另一束激光将这些原子压缩至约1000万亿个/立方厘米的程度。

  为弄清过冷原子的隐形程度,他们使用第三束激光照射原子,并用一个高灵敏摄像头统计散射光子的数量。正如理论预测的那样:与室温下的原子相比,被冷却和压缩的原子散射的光减少了38%,使其亮度显著降低。他们表示,如果能让这团气体的温度降到更接近绝对零度(零下273.15摄氏度),那么它将变得完全看不见。另外两个独立研究小组也冷却了钾和锶气体,证明了该效应。

  报告资深作者、麻省理工学院物理学教授沃尔夫冈·克特勒说:“这是科学家首次清楚地观察到这种效应的存在,未来有望利用其开发抑制光的材料,这对于提高量子计算机的效率非常重要,因为量子退相干(由光携带的量子信息散失至周围环境中)会降低量子计算机的性能和效率。”

打印 责任编辑:阎芳
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