北京時間 11 月 23 日消息，在一項新研究中，科學(xué)家終于證實了一個幾十年前預(yù)言的奇異量子效應(yīng) —— 如果能使一團氣體變得足夠冷且足夠致密，那就能讓它隱形。這項技術(shù)或許可以用于防止量子計算機的信息丟失。
▲ 研究人員利用藍色激光來檢測氣體透明度的增加
美國麻省理工學(xué)院的研究人員利用激光擠壓并冷卻鋰氣體，使其密度和溫度變得足夠低，以減少光的散射，如果能將這團氣體冷卻到更接近絕對零度（零下 273.15 攝氏度），那這團氣體將完全隱形。
這種奇異的量子效應(yīng)被稱為“泡利阻塞”（Pauli blocking），而這項研究也成為歷史上該量子力學(xué)過程的首個具體例子。
被觀察到的是泡利阻塞的一種非常特殊和簡單的形式。泡利阻塞阻止了一個原子的自然行為：使光散射，這是第一次清楚地觀察到這種效應(yīng)的存在，展示了物理學(xué)上的一種新現(xiàn)象。
研究人員稱，這種新技術(shù)可用于開發(fā)光抑制材料，以防止量子計算機中的信息丟失。泡利阻塞源自泡利不相容原理，由奧地利著名物理學(xué)家沃爾夫?qū)?泡利于 1925 年首次提出。泡利假設(shè)所有具有相同量子態(tài)的費米子 —— 如質(zhì)子、中子和電子 —— 不可能存在于同一空間。
這是因為，在量子水平上只存在有限數(shù)量的能態(tài)，迫使原子中的電子把自己堆積起來，形成更高能級的殼層，在距離原子核更遠的軌道上運轉(zhuǎn)。根據(jù)著名物理學(xué)家弗里曼?戴森在 1967 年參與撰寫的一篇論文，泡利阻塞可以讓不同原子之間的電子保持距離，因為如果沒有這個不相容原理，所有原子都會坍塌，并釋放出巨大的能量。
泡利不相容原理也適用于氣體中的原子。通常情況下，氣體云中的原子有很大的彈跳空間，這意味著即使它們可能是受泡利不相容原理約束的費米子，但仍有足夠的未被占據(jù)能級供它們躍遷；泡利不相容原理并不會顯著阻礙它們的運動。將光子送入一團相對溫暖的氣體云時，它碰撞到的任何原子都能與之相互作用，吸收其帶來的動量，反沖到不同的能級，并散射光子。
然而，如果將氣體冷卻下來，你會看到完全不同的情況。此時原子失去了能量，填滿了所有可能的最低能級，形成了所謂的“費米?！薄＿@些粒子現(xiàn)在被彼此包圍，不能向上移動到更高的能級，也不能下降到更低的能級。
研究人員解釋道，此時這些堆積在殼層里的粒子就像滿座音樂廳里的聽眾一樣，即使被擊中也無處可去。它們是如此密集，以至于粒子不再能與光相互作用。光線被泡利阻塞了，只能徑直通過。
一個原子只有通過移動到另一個“座位”上，才能吸收光子的撞擊，從而散射光子，如果其他“座位”都被占用，那它就不再有能力吸收撞擊并散射光子。因此，原子就變得透明了。
不過，讓原子云達到這種狀態(tài)是非常困難的。這不僅需要極低的溫度，還需要將原子壓縮到創(chuàng)紀錄的密度。這是一項精細的任務(wù)，因此研究人員在捕獲了原子阱中的氣體后，用激光對其進行了轟擊。
在這種情況下，研究人員調(diào)整了激光束中的光子，使其只碰撞與它們反向運動的原子，從而使原子速度變慢并冷卻下來。研究人員將鋰氣體云凍結(jié)到 20 微開爾文，只略高于絕對零度。然后，他們使用另一束緊聚焦激光將原子壓縮到每立方厘米約 1000 萬億個原子的密度水平，創(chuàng)下了新的記錄。
接著，為了觀察超冷原子的隱形程度，研究人員又將第三束也是最后一束激光射向原子，并使用一臺高度靈敏的相機來計算散射光子的數(shù)量。這束激光經(jīng)過了仔細校準，使其不改變氣體的溫度或密度。正如理論預(yù)測的那樣，被冷卻并壓縮的原子所散射的光，比室溫下的原子少 38%，這使它們顯著變暗。
此外，有兩個獨立的研究團隊冷卻了另外兩種氣體，即鉀和鍶，也證明了這種效應(yīng)。在鍶實驗中，研究人員泡利阻塞了激發(fā)態(tài)原子，使它們在激發(fā)態(tài)中保持了更長時間。這三篇證明泡利阻塞的論文都發(fā)表在 11 月 18 日的《科學(xué)》（Science）雜志上。
現(xiàn)在，研究人員終于證明了泡利阻塞效應(yīng)，并有望用這一效應(yīng)來開發(fā)抑制光的材料。這對于提高量子計算機的效率尤為有利，因為目前的量子計算機受到量子退相干的阻礙，即由光攜帶得量子信息會逸失到計算機的周圍環(huán)境中。
每當(dāng)我們要控制量子世界，比如量子計算機時，就總會遇到光散射的問題，這意味著信息正在從量子計算機中泄露出來，泡利阻塞是抑制光散射的一種方式，為控制原子世界這一主題做出貢獻。
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