“高温”玻色

到目前为止，科学家还没有开发出真正的量子计算机。实现量子计算的关键在于微观量子态的构建和精确操纵。玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是一个很好的起点，因为它提供了许多具有相同量子态的粒子，可以用来构造量子器件、量子开关，甚至实现量子计算。

麻省理工学院孙永保博士领导的研究团队通过建立一个具有光学共振的激子等离子体系统，首次实现了40K的BEC，并初步展示了它的易操作性和易观察性，从而为人类实现量子计算机的梦想迈出了一步。日前，孙博士向《科技日报》记者介绍了的进展和最新突破。

最冷的阶段

根据量子力学，微观粒子具有波粒二象性。以原子为例，它既是粒子又是波。气态原子在室温下表现出经典粒子的特征。随着温度降低，挥发性增加，经典物理学的统计方法将不再适用。1925年，爱因斯坦预言，当温度降到足够低的水平时，原本独立的原子将变成一组“集体主义”原子，“凝聚”将在同一量子态的整个系统中形成“玻色-爱因斯坦凝聚”。这种状态也被称为与气相、液相、固相和等离子体并列的物质的“第五相”。

为了验证爱因斯坦的预测，系统的温度需要降低到极低。直到1995年，科罗拉多大学的埃里克·康乃尔和卡尔·魏曼利用磁场限制原子、激光冷却和磁势阱蒸发冷却实现了170千牛顿(仅比绝对零度高百万分之0.17)的BEC，并获得了2001年诺贝尔物理学奖。

自然条件下的最低温度大约是3K，也就是宇宙背景辐射的温度。埃里克和卡尔意识到BEC的温度比自然最低温度低一百万倍。当时，这种物质状态确实是“最冷的阶段”。

寒冷的突破

虽然科学家们可以用不同的原子来实现BEC，但转变温度仅限于超低温，很难进入实际应用。在更高的温度下如何实现BEC？

2006年，当温度降至4K时，法国科学家卡斯帕·扎克和他的同事首次观察到基态的宏观占据和通过半导体微腔中的激子等离子体形成相干态，朝着实现“高温”BEC迈出了重要的一步。理论上，凝结发生的温度与玻色子粒子的质量有关。颗粒质量越轻，实现团聚的温度越高。

激子等离子体是一种半光子和半物质的复合粒子。它的质量只有原子质量的1/10万到1/1亿。这似乎是个不错的选择。然而，它的寿命只有大约1皮秒(1×10-12秒)。在如此短的寿命内，它没有足够的时间达到热平衡，更不用说形成BEC了。因此，科学家称卡斯扎克和其他人的贡献为“准”或“半”BEC妥协。

2017年1月，美国《物理评论快报》发表了一项研究，首次利用“超长寿命”激子等离子体激元和环形光阱实现了40K的BEC。负责这项研究的孙永保博士和其他人使用一种特殊的半导体微腔结构将激子等离子体激元的寿命从大约1皮秒增加到270皮秒，并通过空间光调制将它们束缚在环形光阱中。这种结合可以增加激子等离子体之间相互作用的可能性，并有效地促进它们达到热平衡。在这项研究中，实验测得的量子相变相图与理论预测几乎一致，这有力地证明了他们在“高温”下实现了BEC。此时，BEC终于冲破了寒冷。

让粒子赛跑

“高温”BEC的实现使它有可能走出实验室，进入工业。那么，在“高温”BEC，粒子的相互作用有多强？这不仅是一个重要的理论问题，也决定了“高温”BEC在量子计算中的应用价值。

长期以来，激子等离子体激元相互作用强度的测量一直是一个难题，因为当激子等离子体激元产生时，*载流子与激子等离子体激元之间的相互作用也会发生，这将对激子等离子体激元相互作用强度的测量造成很大的干扰。

2017年9月，在英国《自然物理学》杂志上发表的另一项研究结果中，孙永保博士提出了一个巧妙的解决方案:让*载流子和激子在等离子体中相互竞争。因为激子等离子体激元比*载流子轻大约10，000倍，在相同的外力驱动下，激子等离子体激元可以跑得更快，只要时间足够长，两者可以分开。他们将起始线设置为环，并使用“超长寿命”激子等离子体有效地将激子等离子体从*载流子中分离出来，并将激子等离子体收集在环中心的“凝聚池”中，从而便于测量其相互作用强度。

“内聚力”中的排斥力

因为激子等离子体是半光子和半物质的复合粒子，许多科学家怀疑它们的相互作用非常弱。对于基于激子等离子体激元的量子器件来说，这几乎是一个死刑判决，因为如果激子等离子体激元之间没有相互作用，就不能实现各种逻辑运算，并且很难手动控制激子等离子体激元的量子态。

然而，孙永保博士持不同看法。他认为，由于激子等离子体激元存在于光学谐振腔中，它们的相互作用将被共振场效应增强。这种增益相互作用机制非常复杂，现有理论无法精确计算。然而，通过实验，我们可以精确地测量激子等离子体激元在“凝聚池”中“赛跑”后的相互作用强度。

实验测量的结果证实了他们的猜想。在光学谐振腔中，共振场的增益效应非常显著，增强了激子等离子体之间的相互作用，为激子等离子体在量子计算中的应用提供了可靠的证明。

由于BEC和超导之间的联系，“高温”BEC的实现将为高温超导提供一个潜在的非传统全光学系统。该系统中粒子相互作用强度的测量将为这些应用提供一个广阔的平台和支持。

(《科学技术日报》，纽约，5月12日)