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科學家首次觀察到泡利阻塞效應 可提高量子計算機效率

發布時間:2021-11-24 11:05:17 來源:科技日報 責任編輯:caobo

幾十年前,科學家預言存在一種奇異的量子效應——泡利阻塞,即如果一團氣體變得足夠冷且足夠致密,它就能隱形。美國科學家在最新一期《科學》雜志撰文指出,他們利用激光擠壓并冷卻鋰氣體等,使其密度和溫度變化到足以減少光散射量的程度,由此證明了泡利阻塞效應,未來有望利用其開發能抑制光的材料,進一步提高量子計算機的性能和效率。

泡利阻塞源自奧地利著名物理學家沃爾夫岡·泡利于1925年首次提出的泡利不相容原理。泡利假定,一切處于相同量子態的費米子(如質子、中子和電子)都不能處于同一空間。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,盡管它們可能是受泡利不相容原理約束的費米子,但有足夠多未被占據的能級供它們躍遷。然而,如果讓氣體冷卻下來,原子會失去能量,占滿所有可用的最低能級,處于不能動彈的狀態。由于排列過于緊密,這些粒子無法再與光相互作用,光就被“泡利阻塞”了,只能徑直穿過。

在最新研究中,科學家調整了激光束中的光子,使鋰氣體云中的原子變慢并變冷,隨后將氣體云的溫度降至略高于絕對零度,再使用另一束激光將這些原子壓縮至約1000萬億個/立方厘米的程度。

為弄清過冷原子的隱形程度,他們使用第三束激光照射原子,并用一個高靈敏攝像頭統計散射光子的數量。正如理論預測的那樣:與室溫下的原子相比,被冷卻和壓縮的原子散射的光減少了38%,使其亮度顯著降低。他們表示,如果能讓這團氣體的溫度降到更接近絕對零度(零下273.15攝氏度),那么它將變得完全看不見。另外兩個獨立研究小組也冷卻了鉀和鍶氣體,證明了該效應。

報告資深作者、麻省理工學院物理學教授沃爾夫岡·克特勒說:“這是科學家首次清楚地觀察到這種效應的存在,未來有望利用其開發抑制光的材料,這對于提高量子計算機的效率非常重要,因為量子退相干(由光攜帶的量子信息散失至周圍環境中)會降低量子計算機的性能和效率。”(科技日報記者 劉霞)

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