奇异量子效应终于被证实：可使物质隐形

北京时间 11 月 23 日消息，在一项新研究中，科学家终于证实了一个几十年前预言的奇异量子效应 —— 如果能使一团气体变得足够冷且足够致密，那就能让它隐形。这项技术或许可以用于防止量子计算机的信息丢失。

▲ 研究人员利用蓝色激光来检测气体透明度的增加

美国麻省理工学院的研究人员利用激光挤压并冷却锂气体，使其密度和温度变得足够低，以减少光的散射，如果能将这团气体冷却到更接近绝对零度（零下 273.15 摄氏度），那这团气体将完全隐形。

这种奇异的量子效应被称为“泡利阻塞”（Pauli blocking），而这项研究也成为历史上该量子力学过程的首个具体例子。

被观察到的是泡利阻塞的一种非常特殊和简单的形式。泡利阻塞阻止了一个原子的自然行为：使光散射，这是第一次清楚地观察到这种效应的存在，展示了物理学上的一种新现象。

研究人员称，这种新技术可用于开发光抑制材料，以防止量子计算机中的信息丢失。泡利阻塞源自泡利不相容原理，由奥地利著名物理学家沃尔夫冈・泡利于 1925 年首次提出。泡利假设所有具有相同量子态的费米子 —— 如质子、中子和电子 —— 不可能存在于同一空间。

这是因为，在量子水平上只存在有限数量的能态，迫使原子中的电子把自己堆积起来，形成更高能级的壳层，在距离原子核更远的轨道上运转。根据著名物理学家弗里曼・戴森在 1967 年参与撰写的一篇论文，泡利阻塞可以让不同原子之间的电子保持距离，因为如果没有这个不相容原理，所有原子都会坍塌，并释放出巨大的能量。

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，这意味着即使它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子，但仍有足够的未被占据能级供它们跃迁；泡利不相容原理并不会显著阻碍它们的运动。将光子送入一团相对温暖的气体云时，它碰撞到的任何原子都能与之相互作用，吸收其带来的动量，反冲到不同的能级，并散射光子。

然而，如果将气体冷却下来，你会看到完全不同的情况。此时原子失去了能量，填满了所有可能的最低能级，形成了所谓的“费米海”。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。

研究人员解释道，此时这些堆积在壳层里的粒子就像满座音乐厅里的听众一样，即使被击中也无处可去。它们是如此密集，以至于粒子不再能与光相互作用。光线被泡利阻塞了，只能径直通过。

一个原子只有通过移动到另一个“座位”上，才能吸收光子的撞击，从而散射光子，如果其他“座位”都被占用，那它就不再有能力吸收撞击并散射光子。因此，原子就变得透明了。

不过，让原子云达到这种状态是非常困难的。这不仅需要极低的温度，还需要将原子压缩到创纪录的密度。这是一项精细的任务，因此研究人员在捕获了原子阱中的气体后，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，使其只碰撞与它们反向运动的原子，从而使原子速度变慢并冷却下来。研究人员将锂气体云冻结到 20 微开尔文，只略高于绝对零度。然后，他们使用另一束紧聚焦激光将原子压缩到每立方厘米约 1000 万亿个原子的密度水平，创下了新的记录。

接着，为了观察超冷原子的隐形程度，研究人员又将第三束也是最后一束激光射向原子，并使用一台高度灵敏的相机来计算散射光子的数量。这束激光经过了仔细校准，使其不改变气体的温度或密度。正如理论预测的那样，被冷却并压缩的原子所散射的光，比室温下的原子少 38%，这使它们显著变暗。

此外，有两个独立的研究团队冷却了另外两种气体，即钾和锶，也证明了这种效应。在锶实验中，研究人员泡利阻塞了激发态原子，使它们在激发态中保持了更长时间。这三篇证明泡利阻塞的论文都发表在 11 月 18 日的《科学》（Science）杂志上。

现在，研究人员终于证明了泡利阻塞效应，并有望用这一效应来开发抑制光的材料。这对于提高量子计算机的效率尤为有利，因为目前的量子计算机受到量子退相干的阻碍，即由光携带得量子信息会逸失到计算机的周围环境中。

每当我们要控制量子世界，比如量子计算机时，就总会遇到光散射的问题，这意味着信息正在从量子计算机中泄露出来，泡利阻塞是抑制光散射的一种方式，为控制原子世界这一主题做出贡献。

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