奇异量子效应终于被证实可使物质隐形

　　北京时间11月23日消息，在一项新研究中，科学家终于证实了一个几十年前预言的奇异量子效应如果能使一团气体变得足够冷且足够致密，那就能让它隐形。这项技术或许可以用于防止量子计算机的信息丢失。
　　研究人员利用蓝色激光来检测气体透明度的增加
　　美国麻省理工学院的研究人员利用激光挤压并冷却锂气体，使其密度和温度变得足够低，以减少光的散射，如果能将这团气体冷却到更接近绝对零度（零下273。15摄氏度），那这团气体将完全隐形。
　　这种奇异的量子效应被称为泡利阻塞（Pauliblocking），而这项研究也成为历史上该量子力学过程的首个具体例子。
　　被观察到的是泡利阻塞的一种非常特殊和简单的形式。泡利阻塞阻止了一个原子的自然行为：使光散射，这是第一次清楚地观察到这种效应的存在，展示了物理学上的一种新现象。
　　研究人员称，这种新技术可用于开发光抑制材料，以防止量子计算机中的信息丢失。泡利阻塞源自泡利不相容原理，由奥地利著名物理学家沃尔夫冈泡利于1925年首次提出。泡利假设所有具有相同量子态的费米子如质子、中子和电子不可能存在于同一空间。
　　这是因为，在量子水平上只存在有限数量的能态，迫使原子中的电子把自己堆积起来，形成更高能级的壳层，在距离原子核更远的轨道上运转。根据著名物理学家弗里曼戴森在1967年参与撰写的一篇论文，泡利阻塞可以让不同原子之间的电子保持距离，因为如果没有这个不相容原理，所有原子都会坍塌，并释放出巨大的能量。
　　泡利不相容原理也适用于气体中的原子。通常情况下，气体云中的原子有很大的弹跳空间，这意味着即使它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子，但仍有足够的未被占据能级供它们跃迁；泡利不相容原理并不会显著阻碍它们的运动。将光子送入一团相对温暖的气体云时，它碰撞到的任何原子都能与之相互作用，吸收其带来的动量，反冲到不同的能级，并散射光子。
　　然而，如果将气体冷却下来，你会看到完全不同的情况。此时原子失去了能量，填满了所有可能的最低能级，形成了所谓的费米海。这些粒子现在被彼此包围，不能向上移动到更高的能级，也不能下降到更低的能级。
　　研究人员解释道，此时这些堆积在壳层里的粒子就像满座音乐厅里的听众一样，即使被击中也无处可去。它们是如此密集，以至于粒子不再能与光相互作用。光线被泡利阻塞了，只能径直通过。
　　一个原子只有通过移动到另一个座位上，才能吸收光子的撞击，从而散射光子，如果其他座位都被占用，那它就不再有能力吸收撞击并散射光子。因此，原子就变得透明了。
　　不过，让原子云达到这种状态是非常困难的。这不仅需要极低的温度，还需要将原子压缩到创纪录的密度。这是一项精细的任务，因此研究人员在捕获了原子阱中的气体后，用激光对其进行了轰击。
　　在这种情况下，研究人员调整了激光束中的光子，使其只碰撞与它们反向运动的原子，从而使原子速度变慢并冷却下来。研究人员将锂气体云冻结到20微开尔文，只略高于绝对零度。然后，他们使用另一束紧聚焦激光将原子压缩到每立方厘米约1000万亿个原子的密度水平，创下了新的记录。
　　接着，为了观察超冷原子的隐形程度，研究人员又将第三束也是最后一束激光射向原子，并使用一台高度灵敏的相机来计算散射光子的数量。这束激光经过了仔细校准，使其不改变气体的温度或密度。正如理论预测的那样，被冷却并压缩的原子所散射的光，比室温下的原子少38，这使它们显著变暗。
　　此外，有两个独立的研究团队冷却了另外两种气体，即钾和锶，也证明了这种效应。在锶实验中，研究人员泡利阻塞了激发态原子，使它们在激发态中保持了更长时间。这三篇证明泡利阻塞的论文都发表在11月18日的《科学》（Science）杂志上。
　　现在，研究人员终于证明了泡利阻塞效应，并有望用这一效应来开发抑制光的材料。这对于提高量子计算机的效率尤为有利，因为目前的量子计算机受到量子退相干的阻碍，即由光携带得量子信息会逸失到计算机的周围环境中。
　　每当我们要控制量子世界，比如量子计算机时，就总会遇到光散射的问题，这意味着信息正在从量子计算机中泄露出来，泡利阻塞是抑制光散射的一种方式，为控制原子世界这一主题做出贡献。