物理学：“将奇异性付诸实践” - 彭博社

量子世界拓展了人类想象的极限。例如，谁能相信，原子——我们看似坚固的景观的构建块——能够同时存在于不同的地方？它们可以“纠缠”在一起，以至于对一个原子或粒子的作用会影响到另一个远距离的原子或粒子？或者它们仅仅通过被观察的行为就会不可逆转地改变？

然而，这正是量子法则告诉我们的。爱因斯坦本人曾因现实实际上只是概率的集合而感到困扰，在这个现实中，上帝不仅与宇宙掷骰子，还把骰子藏了起来。“对常识来说，量子力学是毫无意义的，”国家标准与技术研究所（NIST）的诺贝尔奖得主威廉·D·菲利普斯说。

尽管如此，发展量子理论被认为是“上个世纪的顶尖智力成就，”加州理工学院的物理学家约翰·普雷斯基尔说。这是今天许多设备的基础原理，从激光到磁共振成像机。而这些可能只是低垂的果实。许多科学家预见到基于量子世界真正奇特特性的革命性技术。

例如，科学家们在不到十年前创造了一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态，在这种状态下，数百万个原子表现得完全相同，并且在样本中无处不在。世界各地的数十个研究小组正在实验这些凝聚态，其特性预示着一个我们几乎无法窥见的未来。“物理学家们喜欢这种奇异性，但现在我们开始问是否可以将这种奇异性付诸实践，”普雷斯基尔说。

一些理论上的可能性让人感到困惑。例如：难以捉摸但极其渴望的量子计算机。对一个400位数字进行因式分解的数学挑战——在今天的超级计算机上需要100亿年——可能在30秒内被量子计算机破解。虽然有多种方法来构建这样的设备，但最近对玻色-爱因斯坦凝聚态的实验正在开辟聪明的新路径。

量子怪异性还使得可以发送不可破解的代码进行通信。像纽约市的MagiQ Technologies和日内瓦的id Quantique这样的新公司，已经将这些想法转化为商业产品。同时，对量子领域的探索可能会为一些持久的科学谜团提供更多的启示，例如某些物质如何以零电阻导电——这一现象称为超导性。这可能导致电力在长距离传输中没有损失。而IBM研究人员即将发表的一篇论文将展示如何利用量子现象更清晰地观察分子。

这些用途可能只是可能性的冰山一角。没有人能够预见任何革命性科学所带来的变革。而量子世界也不例外。“我们还没有开始弄清楚应用是什么，”NIST物理学家Carl J. Williams说。“但风险在于低估了影响。”

量子计算机和大多数其他应用距离实现还有几十年，如果它们真的能够被构建出来的话。尽管如此，巨大的潜力已经导致像IBM（IBM）和惠普公司（HPQ）这样的公司开展相关项目。五角大楼的国防高级研究计划局现在开始了一项重大努力，构建一个可工作的量子信息处理器。在所有这些努力中，“目标是控制量子物质，”美因茨约翰内斯·古腾堡大学的Immanuel Bloch说。“这是一个巨大的挑战，但也有巨大的回报。”

要想一睹这一努力的风采，可以去马里兰州盖瑟斯堡的威廉·菲利普斯及其团队的实验室看看。一个巨大的实验台上布满了精密的镜子和激光，所有这些都汇聚在一个小型玻璃真空室内，在那里量子世界正在被探测。菲利普斯因一种称为激光冷却的技术于1997年获得诺贝尔奖，该技术利用激光束减缓原子的运动。这使得原子的温度降到接近绝对零度的程度。现在，菲利普斯正在使用铷原子，通过让较温暖的原子“蒸发”来使它们变得更冷。

峰值与谷底。 在玻璃室内，他正在创造脆弱的玻色-爱因斯坦凝聚态。这团原子可以是巨大的——大到肉眼可见。在这个尺度上，你会期待牛顿物理学的严谨法则来主导。然而，原子却遵循海森堡不确定性原理，该原理规定电子或原子不能被固定在任何一个位置。尽管这团原子的直径只有十分之一毫米，并且包含一百万个原子，“每个原子都无处不在——这就是它如此奇妙的原因，”威廉姆斯说。

这种奇怪的物质状态是爱因斯坦在1924年基于印度物理学家萨蒂延德拉·纳特·玻色的研究所预测的。它首次由菲利普斯的NIST同事埃里克·A·康奈尔和科罗拉多大学的卡尔·E·维曼于1995年创造——这是一个获得诺贝尔奖的成就。现在，全球估计有50个团队正在对这种奇特的物质进行实验。“它可以做一些惊人的事情，”菲利普斯说。

菲利普斯实验室中最引人入胜且潜在有用的操作之一是将原子排列成整齐的小行。诀窍在于使用精确调谐的激光光。想象一下将小石子扔入池塘，激起水面上的波浪。然后在对岸扔小石子，向另一个方向发送波浪。当两组波浪相遇时，它们会形成所谓的驻波——一组不变的波峰和波谷，就像沙漠中的一排沙丘。

激光光也是一种波。因此，两束相交的光束同样会产生波峰和波谷。科学家称之为光学晶格。当菲利普斯和其他研究人员将相交的激光束照射到玻色-爱因斯坦原子团时，单个原子几乎神奇地从无处不在变为安静地嵌入波谷中。“这是大自然的伟大馈赠，”菲利普斯说。“我们很幸运，事情的进展超出了预期。”

对于信息科学家来说，这种整齐的原子排列看起来惊人地像计算机的基础。可以安排每个原子处于两个能级之一，之间由一个小的量子跃迁分隔。因此，每个原子可以代表0或1，就像普通计算机中的比特一样。

但这些并不是普通的比特。由于量子奇异性，一个原子可以同时是0和1。更重要的是，不同的量子比特，或称“量子位”，可以彼此纠缠，即使没有实际的连接。“由于纠缠的神秘性，一个原子的状态将依赖于另一个原子的状态，”威廉姆斯解释道。“这比婚姻的关系要强得多。”因此，对于某些计算，量子机器的能力随着量子位数量的增加而呈指数增长——比特数量翻倍，能力则增加四倍。威廉姆斯说，一台300量子位的机器可以存储的组合数量超过整个宇宙中的原子数量。

**聪明的替代方案。**毫无疑问，构建这样一台机器的道路漫长而艰辛，而今天的研究人员才刚刚开始这段旅程。菲利普斯和他的团队正在着手进行下一小步。他们正在尝试通过激光束将原子从一种状态翻转到另一种状态，以便将信息传递到单个量子比特并从中获取信息。

与此同时，其他实验室正在追求聪明的替代方案。在美因茨大学，布洛赫也在将玻色-爱因斯坦凝聚态原子放入光学晶格的谷中。他的特别之处在于创建两个同时存在的晶格，使用两种不同“颜色”的激光束。他还将他的原子同时置于两种状态。然后，他可以移动其中一个景观，使得原子粒子以新的方式相互作用。“我们可以纠缠数十万个原子，并测量每个粒子的状态，”他说。“这是一种全新的思考量子计算机的方式。”

另一种方法是使用被困在磁场中的离子作为量子比特，而不是光学晶格中的原子。在NIST的博尔德（科罗拉多州）实验室，戴维·J·温兰德已经使用这些离子构建了工作逻辑门——计算机的基本构件。许多其他团队也在实验微小的半导体材料，称为量子点。

然而，最终的回报预计将远远超出计算。由于观察量子信息的行为会改变它，因此使用量子“密钥”加密的通信可以安全地通过网络发送。原因是：任何间谍试图拦截密钥的行为都会立即显而易见，因此用户可以切换到不同的密钥。

尽管这些应用令人兴奋，但研究人员对基础科学同样感到兴奋。今年早些时候，NIST物理学家德博拉·S·金创造了一种称为费米凝聚态的物质状态，这种状态甚至比密切相关的玻色-爱因斯坦材料更为稀有。她成功地将通常不喜欢彼此靠近的原子置于相同的低能态。她的工作可能会导致对超导性更好的理解，而超导性依赖于类似的量子粒子对。

科学家们常常对他们所遇到的事物感到惊讶。不久前，菲利普斯正在实验微弱的激光束，意外地阻碍了原子的运动。“我们不知道这是否是有趣的新物理，还是某种愚蠢的错误，”他说。“在学习量子计算时，我们处于基础物理的前沿。”这就是科学和技术有时如何进步的——一步一个小的量子步伐。

约翰·凯瑞在马里兰州盖瑟斯堡报道。