量子冰箱、量子鑽石、量子音樂……這些「搞笑」研究是認真的嗎？

儘管關於量子計算機的研究進展不少，但量子計算機如今還只是個未來概念。就連IBM推出的世界首台可商用量子計算機，也只是邁出了可商用的第一步，讓其從計算中心裡走到了陽光下，離實際用上還有很遠。

不過，在研究量子科學的同時，也有科學家們搞出了一些有趣的研究成果，比如量子冰箱、量子鑽石、量子音樂……光聽名字都令人滿腦門問號。

下面，就來看看這些看似「搞笑」的研究成果究竟是怎麼回事兒吧。

量子冰箱

想像一個冷到可以把原子轉變成量子態的冰箱——這不是普通的冰箱，它能賦予原子不受經典物理學規則約束的獨特屬性。

在《物理評論應用》上發表的一篇論文中，羅切斯特大學(University of Rochester)物理學教授安德魯·喬丹(Andrew Jordan)和他的研究生斯里納特·曼尼坎丹(Sreenath Manikandan)，以及他們的同事、來自NEST納米科學研究院(NEST isinstitute to Nanoscienze-CNR)和義大利Scuola Normale Superiore的弗朗西斯科·賈佐托(Francesco Giazotto)，構思出了這種冰箱的想法。

這種冰箱將把原子冷卻到接近絕對零度(約零下459華氏度)。

科學家們可以利用這種基於超導量子特性的冰箱，促進和提高用於超快量子計算機的量子感測器或電路的性能。

一種材料導電的好壞被稱為電導率。當一種材料具有高導電性時，它很容易讓電流通過。

例如，金屬是良導體，而木頭或金屬線周圍的屏蔽層是絕緣體。但是，儘管金屬絲是良導體，它們仍然會因為摩擦而遇到阻力。

在理想的情況下，材料導電時不會遇到電阻;也就是說，它可以無限地攜帶電流而不損失任何能量。這正是超導體的特性。

曼尼坎丹說:「當你把一個系統冷卻到極限溫度時，電子進入量子態，它們的行為更像是一種沒有阻力的集體流體。」

「這是通過超導體中的電子在非常低的溫度下形成電子對來實現的，這種電子對被稱為庫珀對。」

研究人員認為，如果溫度足夠低，所有金屬都能成為超導體，但每種金屬都有一個不同的「臨界溫度」，在這個溫度下，金屬的電阻會消失。

喬丹說:「當你達到這個神奇的溫度時——這不是一個漸進的過程，而是一個突然的過程——突然間電阻就像石頭一樣降到零，然後就發生了相變。」

「據我所知，一台實用的超導冰箱還沒有被製造出來。」

超導量子制冷機利用超導原理工作併產生超冷環境。寒冷的環境有利於產生增強量子技術所需的量子效應。

超導量子冰箱將創造一種環境，讓研究人員可以把材料變成超導狀態——類似於把材料變成氣體、液體或固體。

喬丹說，雖然超導量子冰箱不會用於個人廚房，但其工作原理與傳統冰箱非常相似。

「你的廚房冰箱和我們的超導冰箱的共同點是，它使用相變來獲得冷卻電源。」

如果你走進廚房，站在冰箱旁邊，你會注意到裡面很冷，但是其後方很熱。

傳統冰箱的工作原理不是把冰箱里的東西變冷，而是把裡面的熱量去除。

它通過在熱儲層和冷儲層之間移動一種液體(製冷劑)，並將其狀態從液體變為氣體來實現這一點。

「冰箱不會憑空變冷，」喬丹說，「這是能量守恆定律。熱量是一種能量，所以冰箱把熱量從空間的一個區域帶到另一個區域。」

在傳統冰箱中，液態製冷劑通過膨脹閥。當液體膨脹時，它的壓力和溫度隨著它轉變成氣態而下降。

現在的製冷劑通過冰箱箱內的蒸發器線圈，吸收冰箱內的熱量。然後再由電力驅動的壓縮機對其進行再壓縮，進一步提高其溫度和壓力，並將其從氣體變成熱液體。

凝結的熱液體，比外界環境更熱，流經冰箱外部的冷凝器線圈，向外界散發熱量。然後液體重新進入膨脹閥，循環往複。

超導體冰箱與傳統冰箱相似，它在冷熱儲層之間移動一種材料。

然而，不是製冷劑從液態變成氣態，而是金屬中的電子從配對的超導態變成了非配對的正常態。

曼尼坎丹說:「我們正在做的事情和傳統冰箱完全一樣，只是使用了超導體。」

在超導量子冰箱中，研究人員將一層一層的金屬放入已經很冷的低溫稀釋冰箱中：

堆棧的底層是一層超導體鈮，它充當一個熱儲層，類似於傳統冰箱外的環境;中間層是超導體鉭，它是一種工作介質，類似於傳統冰箱中的製冷劑。

最上層是銅，這是一個冷儲層，類似於傳統冰箱的內部。

當研究人員緩慢地將電流施加到鈮上時，他們會產生穿透中間鉭層的磁場，導致鉭層的超導電子解對，過渡到正常狀態，然後冷卻下來。於是冷的鉭層從熱的銅層中吸收熱量。

然後，研究人員慢慢地關閉磁場，使鉭中的電子配對並轉變回超導狀態，鉭層的溫度就會比鈮層的溫度高。多餘的熱量被轉移到鈮上。

這樣的循環重複著，維持著銅層頂部的低溫。

這類似於傳統冰箱中的製冷劑，從冷循環膨脹為氣體，熱循環壓縮為液體。

但由於量子超導冰箱中的工作物質是超導體，「實際上是庫珀對解對並變冷，當你在非常低的溫度下緩慢地施加磁場時，以目前最先進的冰箱為基準，這種量子冰箱會進一步冷卻。」曼尼坎丹說。

當你用廚房裡的冰箱來儲存牛奶和蔬菜時，研究人員會在超導量子冰箱里放些什麼呢?

喬丹說:「你用廚房的冰箱來冷卻食物。但這是一個超級、超級冷的冰箱。」

超導量子冰箱可以用來儲存量子比特(量子計算機的基本單位)，將它們放在金屬堆頂部。

研究人員還可以用這個冰箱來冷卻量子感測器。量子感測器可以非常有效地測量光，在研究恆星和其他星系時非常有用，還可以在核磁共振成像儀上開發更高效的深層組織成像。

「想到它是如何運作的，真的很神奇。基本上就是把能量轉化成可轉化的熱能。」

量子鑽石

橫濱國立大學的研究人員成功地在一顆鑽石中安全地傳送了量子信息。這項研究對量子信息技術——未來如何共享和存儲敏感信息——具有重大意義。

研究人員於2019年6月28日在《通信物理學》上發表了他們的研究結果。

量子隱形傳態(Quantum teleportation)，又稱量子遙傳、量子隱形傳輸、量子隱形傳送、量子遠距傳輸或量子遠傳，是一種利用分散量子纏結與一些物理訊息(physical information)的轉換來傳送量子態至任意距離的位置的技術。

在量子糾纏的幫助下，待傳輸的量子態如同經歷了科幻小說中描寫的"超時空傳輸"，在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。

不過，量子遙傳並不會傳送任何物質或能量，因此它並不意味著瞬間移動之類的科幻設定。

「量子隱形傳態允許把量子信息轉移到一個原本無法進入的空間。」橫濱國立大學(Yokohama National University)工程學教授、該研究的作者小坂秀夫(Hideo Kosaka)說。

「它還允許將信息傳輸到量子內存中，而不會泄露或破壞存儲的量子信息。」

在這個案例中，「無法進入的空間」指的是一顆鑽石。鑽石由相互連接的碳原子組成，但又各自獨立存在，是量子隱形傳態的完美材料。

一個碳原子的原子核里有6個質子和6個中子，周圍有6個自旋電子。當這些原子結合成鑽石時，就形成了一種出了名的堅固晶格。

然而，當氮原子存在於碳原子應該存在的兩個相鄰空位中的一個時，鑽石可能會有複雜的缺陷。這種缺陷稱為氮空缺中心。

在碳原子的包圍下，氮原子的核結構產生了小坂所說的納米磁體。

為了操縱空位中的電子和碳同位素，小坂和他的團隊在鑽石表面綁上了一根大約四分之一人類頭髮寬度的電線。

他們將微波和無線電波應用到金屬絲上，在鑽石周圍形成一個振蕩磁場。

他們塑造了微波，為鑽石內部量子信息的傳輸創造了最佳的、可控的條件。

小坂接著用氮納米磁體固定了一個電子。

利用微波和無線電波，小坂迫使電子自旋與碳核自旋(電子和碳原子原子核的角動量)糾纏在一起。電子自旋在納米磁體產生的磁場中分解，使其易於糾纏。

一旦這兩塊材料糾纏在一起，也就是說它們的物理特性糾纏在一起，無法單獨描述，就會產生一個包含量子信息的光子，電子吸收光子。

這種吸收允許光子的偏振態被轉移到碳中，而碳是由糾纏電子介導的，這表明了信息在量子水平上的隱形傳輸。

「光子存儲在另一個節點的成功建立了兩個相鄰節點之間的糾纏，」小坂說。

這一過程被稱為量子中繼器，它可以在量子場中從一個節點接收到另一個節點的單個信息塊。

小坂說:「我們的最終目標是實現可擴展的量子中繼器，用於長距離量子通信和可以用於大規模量子計算和計量的分散式量子計算機。」

量子音樂

這聽起來像是一張老式的黑膠唱片，但流入克里斯·霍洛威實驗室(Holloway"s laboratory)的音樂中獨特的爆裂聲源自原子。

位於科羅拉多州博爾德的美國國家標準與技術研究所(National Institute for Standards and Technology, Boulder, Colorado)的研究小組花了6年時間，找到了一種利用原子直接測量電場的方法，他們還用這種新技術找了點小樂子。

Holloway說:「我的設想是在實驗室里，也就是我們的工作室里，切割一張CD，在某個時候用里德伯格原子錄製第一張CD。」

雖然他不認為這種低音質的原子錄音會取代現有的數字音樂錄音，但研究小組的科學家們正在考慮如何將這種「令人愉快」的原子感應應用於未來的通訊設備。

「基於原子的天線可能會給我們提供一種更好的方式，在有噪音的情況下接收音頻數據，甚至可能是在深空通信中傳輸的非常微弱的信號。」Holloway說。

所討論的原子——里德伯格原子——是被激光激發成高能量狀態的原子，對無線電波(電場)做出可測量的反應。

在弄清楚如何用里德伯格原子測量電場強度後，Holloway說，用同樣的原子來錄製和回放音樂相對簡單——從Holloway自己的吉他即興小調開始。

他們將音樂編碼成無線電波，就像手機通話編碼成無線電波進行傳輸一樣。

原子對這些無線電波做出反應，反過來，通過里德堡原子照射的激光束也會受到影響。

這些變化被光電探測器捕捉到，光電探測器將電信號輸入揚聲器或電腦——瞧!原子收音機誕生了。

研究小組用他們的量子系統來接收立體聲——一個原子物種記錄儀器，另一個記錄聲音，用兩組不同的激光頻率。

他們選擇了皇后樂隊的一首單曲「Under Pressure」來測試他們的系統是否能夠處理弗雷迪·墨丘利(Freddie Mercury)寬廣的音域。

Holloway說，雖然目前原子通信尚處早期，但利用這個系統改善安全通信是有可能的。

目前，Holloway的團隊正在關注原子無線電，他們試圖確定里德伯原子能探測到的信號有多弱，以及數據傳輸速度能達到多少。

他們沒有忘記他們想要製造的原子記錄，他們希望用這些記錄來激勵下一代量子科學家。

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