科學家：首次在太空中實現超冷量子幹涉實驗

量子認知

學者 代表作: 戒癮論,科學達人,優質創作者

物質的波粒二象性是量子力學的基石，每個量子對象都可以被描述為粒子或波，這取決於我們如何測量其特性。量子物質的波狀性質的自然結果，是它可以同時存在於多個地方。當測量粒子位置時，粒子所采取的同時路徑會“坍縮”到一條可追蹤的軌跡。

在過去幾十年中，科技進步已使原子冷卻到低於1微開爾文的溫度，形成了第五種純量子態物質，稱為玻色-愛因斯坦凝聚物。當某些稀有原子的氣體冷卻到接近結對零度時，這種凝聚物就會出現，並開始表現為單個奇怪的量子對象，這就像蠕動的水分子在冷卻後轉變成為凍冰一塊。

這種奇特的單一的量子對象的組合，放大了原本隱藏得很深的量子力學效應，例如物質的波狀性質，使它們在宏觀上可見。這使得使用這種獨特物質的超冷原子幹涉及其量度，成為科學家追求的對象。

當兩個玻色-愛因斯坦凝聚物發生碰撞時，它們像波一樣相互作用，而不是像通常的原子那樣相互碰撞。當它們的波峰頂對齊時，會形成更高的波。如果一個物質波的波峰與另一個物質波的波谷重疊，則會相互抵消。兩種未對准的冷凝物之間的相遇會產生波幹涉模式，兩個波在彼此之間增強的亮條紋和暗條紋在條紋之間交替顯示。在物質中創建和研究這些模式的方法稱為原子幹涉法，或原子幹涉量度。

量子幹涉量度從處於相同最低能量狀態的粒子開始，然後將其中一些置於第一激發態，並在它們穿過感興趣區域後，測量這兩個組之間的相位差。物質波幹涉儀已經在地球上進行了實驗，證明了多種類型的粒子，包括電子、中子、原子、反物質、甚至生物分子。

與高精度光學幹涉量度類似，具有玻色-愛因斯坦凝聚物的原子幹涉量度，利用極純的低速量子氣體來實現高光譜。對包括引力在內的基本力進行精確、相位敏感的測量等，它提供了前所未有的加速度和旋轉靈敏度。實際上，這種原子幹涉量度顯示出足以檢測引力場變化的靈敏度，因此可以用來繪制行星的內部密度。在微重力中創建玻色-愛因斯坦凝聚物並將其碰撞在一起，可能會導致物理突破、更好的航天器導航等。

NASA的冷原子實驗室（Cold Atom Lab）最近進行了升級，在國際空間站上啟用了原子幹涉測量，成為新一代精巧的量子傳感器的基礎，科學家們可以使用它們來探索宇宙。這些星載量子傳感器的應用，包括廣義相對論測試、尋找暗能量和引力波、航天器導航、和阻力參考以及重力科學，包括行星大地測量學—研究行星的形狀、方向和引力場。如圖所示在太空中實現超冷量子碰撞，彩色圖像表明，在國際空間站上現身的冷原子實驗室原型中，形成了玻色-愛因斯坦冷凝物。

這一稱為MAIUS-1的任務是首次成功在外空間碰撞玻色-愛因斯坦凝聚物。在MAIUS-1火箭上，精心設計的激光系統將超冷原子分裂成多個物質波，然後讓它們碰撞。航天器返回地球後，在火箭內部捕獲的圖像進行了分析，並顯示出詳細的條紋狀幹涉圖樣，該條紋圖樣是由於每個玻色-愛因斯坦凝聚物的波峰和波谷的形狀和位置略有不同而形成的。通過研究這些細節，研究人員可以判斷在碰撞之前，物質波是否已通過與周圍環境中的光線或任何其他作用力發生了變化。

研究人員說，“原子對所有原子都很敏感，”碰撞的玻色-愛因斯坦凝聚物產生的條紋圖案有點像考古學的挖掘：它可以幫助科學家確定物質波的精確碰撞前歷史，並查明可能移動其波峰和波谷的任何東西。

論文主要作者、漢諾威萊布尼茲大學物理學家Maike D. Lachmann表示，規避引力的影響一直是她團隊的動力。她回憶說：“整個過程始於在高塔式設備中進行落體實驗。” “但長期目標始終是太空。”從一座近150米高的塔中滴落超冷原子，使科學家們獲得了幾秒鐘的微重力，而該研究將超冷原子撞擊時間延長了將近六分鐘。

自由落體的玻色-愛因斯坦凝聚物，構成了星載幹涉測量技術的有希望的來源。玻色-愛因斯坦凝聚物具有緩慢擴展的波函數，顯示出很大的空間相幹性，並且可以通過光學技術進行工程設計和探測。弗吉尼亞大學的物理學家卡斯·薩克特（Cass Sackett）評價說：“微重力確實是想要的地方。” “希望隨著時間的流逝，將看到太空中的原子幹涉度量比任何地面上的都要好。”

原子幹涉測量的一個目標是測試所有成分的物體在重力的影響下以相同的速率掉落。使用一批不同元素的原子多次進行這樣的物質波幹涉實驗，將以前所未有的精確度測試該想法。萬一引力使一組原子比另一組移動得更多，它們的兩個條紋圖案將明顯不同。

如圖所示顯示第一個原子幹涉儀條紋的數據。在這裏，三個精確定時的激光脈沖用於分裂和重組原子，以進行原子物質波的幹涉測量。通過在第三脈沖期間移動激光頻率的相位，原子的輸出動量狀態在+1和0之間變化。

在該研究中，科學家探討了自由落體釋放的玻色-愛因斯坦凝聚物的多個旋轉子組件的物質波條紋，這些幹涉條紋不僅揭示了凝結物的空間相幹性，還能夠測量微分力。該研究工作工作標志著物質波幹涉測量法在太空中的開始，並可在基礎物理學、導航、和地球觀測等中得到進一步的應用。

由於設備的尺寸不再由地面所需的下落高度決定，因此外空間在推進高精度物質波幹涉測量方面顯示出巨大的潛力。此外，較低的外部影響和運動源性使科學家能夠控制系統效果。從而，可以對廣義相對論進行量子測試、尋找暗物質和能量的性質、檢測引力波等。

對於MAIUS-1芯片這樣的設備，更直接、更實際的應用可能出現在天體導航中。由於玻色-愛因斯坦凝聚物幹涉圖樣，即使對最小的重力波動也是如此敏感，因此可以用來繪制重力場的細節。這些重力場圖類似於水下水流圖幫助船舶導航一樣，對於微調航天器的深空機動很有用。

該研究取得了多項技術進步。科學家的實驗安裝在一塊堅固的芯片上，而不是像大多數地面實驗室那樣的大型設備，同時它必須能夠承受火箭在地球大氣層中的顛簸飛行。同樣，研究人員在火箭發射後無法與火箭通信，系統需要對原子自動進行冷卻、操縱和成像。

將來，他們希望為火箭配備常用的導航傳感器，並將這些傳感器的性能與其芯片的性能進行比較。研究人員希望結合試圖使原子擺脫重力的吸引力，從而將基本物理學置於更強大的太空放大鏡下。

參考：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-21628-z

https://science.nasa.gov/technology/technology-highlights/quantum-technologies-take-flight

https://www.scientificamerican.com/article/ultracold-quantum-collisions-have-been-achieved-in-space-for-the-first-time/