能让物质隐形的奇怪量子效应终于被证实

　　这项技术可以用来阻止量子计算机的信息丢失。
　　上图：其中一个实验使用蓝色激光来检测气体透明度的增加。
　　几十年前预测的一种奇怪的量子效应，终于得到了证实：如果你让一团气体云足够冷，且密度足够大，你就可以让它隐形。
　　麻省理工学院 (MIT) 的科学家们使用激光挤压和冷却锂气体，使其密度和温度足够低，从而减少了散射的光。如果他们能够将云冷却到更加接近绝对零度（零下459.67华氏度，或零下273.15摄氏度），他们说，锂气体云将完全隐形。
　　这种奇异的效应是有史以来第一个被称为＂泡利阻塞＂的量子力学过程的具体例子。
　　主持该研究的麻省理工学院物理学教授沃尔夫冈·凯特勒（ Wolfgang Ketterle）表示：＂我们观察到的是＂泡利阻塞＂的一种非常特殊和简单的形式，它可以防止原子发生所有原子自然会做的事情：散射光。这是第一次明确观察到这种效应存在，它显示了物理学中的一个新现象。＂
　　这项新技术可以用来开发光抑制材料，以防止量子计算机中的信息丢失。
　　＂泡利阻塞＂来自泡利不相容原理，由著名的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利于 1925 年首次提出。泡利假设所有所谓的费米子粒子（如质子、中子和电子）彼此具有相同的量子态，不能存在于相同的空间。
　　因为，在幽灵般的量子层面上只有有限数量的能态，这迫使原子中的电子将自己堆叠到更高能级的壳层中，这些壳层围绕原子核运行得更远。它还使不同原子的电子彼此分开，因为根据著名物理学家弗里曼·戴森（Freeman Dyson）1967 年与他人合着的一篇论文，如果没有排斥性原理，所有原子都会坍缩在一起，释放出巨大的能量。
　　这些结果，不仅使元素周期表中的元素发生了惊人的变化，而且还可以防止我们的脚踩在泥土上时，从地面掉下去，使我们跌落到地球的中心。
　　同样，不相容原理也适用于气体中的原子。通常，气体云中的原子有很大的空间可以弹跳，这意味着即使它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子，也有足够的空能级让它们跳进去，这样原理就不会显著阻碍它们的运动。将光子或轻粒子发射到相对温暖的气体云中，与之碰撞的任何原子都能与之相互作用，吸收入射的动量，反冲到不同的能级，并将光子散射出去。
　　但是如果把气体冷却下来，情况就不一样了。现在原子失去了能量，填满了所有最低的可用态，形成了一种叫做＂费米海＂的物质。这些粒子现在被彼此包围，不能向上移动到更高的能级，也不能下降到更低的能级。
　　研究人员解释说，在这一点上，它们被堆在壳里，就像在售罄的看台上坐着听音乐会的观众一样，如果击中它们，就无处可去。它们如此密集，以至于粒子无法再与光相互作用。送入的光被泡利阻塞，并且会直接穿过。
　　物理学教授沃尔夫冈·凯特勒表示： ＂只有当一个原子移到另一把椅子上时，它才能吸收光子的冲击力。如果其他椅子都被占用了，它就不再有能力吸收和散射光子。因此，原子变得透明。＂
　　但是，让原子云达到这种状态是非常困难的。它不仅需要极低的温度，还需要压缩原子来记录密度。这是一项微妙的任务，所以研究人员在原子阱中捕获了它们的气体后，用激光对其进行了轰击。
　　在这种情况下，研究人员调整了激光束中的光子，使它们只与朝相反方向移动的原子碰撞，从而使原子变慢，从而冷却。研究人员将锂云冻结到20微开尔文，刚好略高于绝对零度。然后，他们使用第二束紧密聚焦的激光，将原子压缩到每立方厘米大约1千万亿（1后面跟着15个零）原子的 创纪录密度。
　　然后，为了观察它们的过冷原子是如何隐形的，物理学家们用第三束也是最后一束激光照射它们的原子（经过仔细校准，以不改变气体的温度和密度），使用超灵敏的相机来计算散射光子的数量。正如他们的理论预测的那样，它们冷却和压缩的原子比室温下的原子散射的光少 38%，使它们显着变暗。
　　另外的两个独立的团队也冷却了另外两种气体，即钾和锶，以显示这种效果。在锶实验中，研究人员泡利阻塞了激发态的原子，使它们处于激发态的时间更长。证明泡利阻塞的三篇论文都发表在11月18日的《科学》杂志上。
　　现在，研究人员终于证明了泡利阻塞效应，他们最终可以用它来开发抑制光的材料。这对于提高量子计算机的效率尤其有用。目前，量子计算机的效率受到量子退相干（由光携带的量子信息丢失到计算机周围环境）的阻碍。
　　物理学教授沃尔夫冈·凯特勒表示： ＂每当我们控制量子世界时，比如在量子计算机中，光散射就是一个问题，意味着信息会从你的量子计算机中泄露出来。而现在，这是抑制光散射的一种方法，我们正在为控制原子世界的普遍主题做出贡献。＂
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