冷原子的案例
NASA將發射冷原子實驗室 探地球無法觀察量子現象
據英國《自然》雜志官網5月8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室將于5月20日發射升空，進入國際空間站。屆時，它將成為目前宇宙中最冷的地方，研究人員將用它探測在地球上無法觀察到的量子現象，如在太空制造“泡泡”“環”和“漩渦”等，從而以前所未有的方式“玩轉”量子力學。
研究人員指出，這可能促使科學家發現新物理學，推進前沿物理學的發展。
宇宙間最冷之地：量子力學的“樂園”
該實驗室由NASA的噴氣推進實驗室（JPL）負責。研究人員稱，冷原子實驗室耗資8300萬美元，主要目標是制造出名為“玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）”的獨特“超流體”物質態，供科學家研究宏觀尺度上的量子力學。
BEC是數十萬個原子組成的云，當被冷卻到絕對零度附近時，數十萬個原子的行動保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務項目經理、噴氣推進實驗室的卡姆爾·奧德瑞自豪地表示：“能夠在太空進行這些實驗是一項巨大的成就。”
在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之內就會讓BEC分崩離析。但如果它們漂浮在國際空間站，應該能“存活”至少10秒鐘。這一時間足夠讓它們被冷卻到創紀錄的低溫——可能只比絕對零度高20萬億分之一攝氏度。
奧德瑞說，這是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家標準與技術研究院（NIST）原子物理學家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更“長壽”的BEC將“推動前沿基礎物理領域的研究，15年來，科學家一直期盼會產生新的物理學。”
麻雀雖小五臟俱全：工具包大小的實驗設備
國際空間站可謂“寸土寸金”，所以工程師不得不壓縮原子物理設備的大小，將填滿一個大房間的設施壓縮到一個冷藏箱大小的箱子內。
展開 中國科大潘建偉團隊《Science》：超冷原子上實現理想外爾半金屬！
在此，來自中國科學技術大學的陳帥&潘建偉，北京大學劉雄軍等研究者，報道了通過設計三維自旋-軌道耦合，在超冷原子上實現IWSM帶的實驗結果。相關論文以題為“Realization of an ideal Weyl semimetal band in a quantum gas with 3D spin-orbit coupling”發表在Science上。
論文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/372/6539/271
在外爾半金屬中，價帶和導帶在節點處相遇，在節點處準粒子，具有外爾哈密頓量和線性色散。一個外爾節點對應一個拓撲單極子，其電荷等于包圍該節點的金屬費米表面的Chern數；這個電荷決定了；結點處外爾費米子的手性。根據Nielsen-Ninomiyano-go定理，外爾節點成對出現，每一對中的兩個節點具有相反的手性，因此，半金屬中外爾節點的最小數目是2。只有兩個外爾節點的半金屬是理想外爾半金屬(IWSM)，是外爾半金屬族中最基本的相。
因為IWSM中的兩個節點，不能簡單地分開，所以IWSM產生的任何交互相都是非平庸的。因此，IWSMs可以存在非相互作用的外爾物理現象，如手性異常，以及多體現象，如時空超對稱性和非-阿貝爾手性馬約拉納模式，這些現象在具有較多外爾點的相互作用的外爾半金屬中，可能并不受歡迎。盡管各種各樣的外爾和類似外爾的相已經被廣泛報道，包括II型外爾半金屬、三簡并半金屬和磁性外爾半金屬，但對IWSMs的直接觀察仍然很困難。
同時，各種拓撲模型的實現，一直是利用超冷原子進行量子模擬的積極追求。尤其是，具有合成自旋軌道(SO)相互作用的超冷量子氣體，為研究奇異拓撲現象，提供了原始平臺。
展開 罕見！科學家成功造出愛因斯坦預言的這種物質！
科學家們表示：“這些研究結果讓我們對在太空中開展冷原子實驗有了更好的認識，如開展精密干涉測量等。它們可幫助我們能夠進一步縮小冷原子實驗規模，還可幫我們明確以光子為基礎的量子信息概念、運用到以衛星為基礎的具體實踐當中。此外，在太空中制造的玻色-愛因斯坦凝聚物還讓我們看到了在低重力條件下開展量子氣體實驗的可能性。”
來源：science科學
導航衛星時頻系統發展綜述
國內外多個實驗室開展了Hg+微波鐘的研究工作，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)在美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)的大力支持下，于1989年開發出線形阱Hg+鐘[39]，經過一系列研發項目推進，實驗室環境下頻率穩定度能夠達到漂移率達到2.7×10-17/d；從2011年開始，在深空原子鐘項目的推動下，JPL開始星載汞離子鐘的研發，并于2019年6月發射，通過在軌性能評估表明23天的穩定度達到3×10-15，漂移率達到3×10-16/d，比目前應用的星載原子鐘精度提高1個量級以上，有望應用于下一代衛星導航系統[39]。
小型化銫/銣噴泉鐘和積分球冷原子鐘是兩種比較成熟的冷原子微波鐘方案。如前所述，ESA在ACES項目中發展了較小型的激光冷卻銫噴泉鐘(PHARAO)[13]，其地面測試穩定度指標達到預計在空間微重力環境下的穩定度指標可達中國科學院上海光學精密機械研究所(上海光機所)研制的銣噴泉冷原子鐘已在天宮二號空間實驗室完成了搭載實驗，評估其穩定度指標可達相較于小型化銫/銣噴泉鐘，積分球冷原子鐘具有結構緊湊、質量較小的特點。積分球冷原子鐘是一種使用漫反射激光冷卻和分離振蕩場技術的小型化冷原子鐘。該方案是我國王育竹院士于1979年首次提出的，上海光機所于2008年首次在積分球內冷卻了銣原子，隨后開展了一系列研究工作，目前冷銣原子積分球鐘已完成樣機研制，短期頻率穩定度優于長期頻率穩定度優于3×10-15/d[41]，且正在開展進一步的性能優化[42-43]。法國天文臺也采用積分球冷卻技術先后研制了HORACE和MuClock兩代緊湊型冷原子微波鐘。
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深度學習|太空“帶貨”，在軌放“衛星”！細說“夢天”那些“黑科技”
主要面向微重力科學研究
“夢天”實驗艙主要面向微重力科學研究，上面裝有超冷原子物理實驗柜、高精度時頻實驗柜、高溫材料科學實驗柜、兩相系統實驗柜、流體物理實驗柜、燃燒科學實驗柜、在線維修裝調實驗柜等7個方面的8個科學實驗柜（其中高精度時頻實驗柜由2個艙內科學實驗柜和4臺艙外設備組成一個完整的實驗系統），支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎燃燒過程、材料凝固機理等物質本質規律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究等。
超冷原子物理實驗柜主要是利用空間微重力環境條件，建立具有超低溫、大尺度、高質量、適合精密測量的玻色-愛因斯坦凝聚態工作物質的開放實驗系統，開展前沿基礎物理研究，是世界領先的中國首個微重力超冷原子物理實驗平臺。
高精度時頻實驗柜是空間站中最復雜的實驗柜。高精度時頻實驗系統通過艙內不同特性原子鐘組合，將建成世界上在軌運行的精度最高的空間時間頻率系統。
高溫材料科學實驗柜是可以在空間站微重力環境下進行材料制備、加工、原位檢測、實時觀察和診斷于一體的新型實驗裝置，裝置的最高工作溫度、溫度穩定度、樣品數量、實時觀察成像技術等均處于國際領先水平。
兩相系統實驗柜主要是支持開展空間蒸發與冷凝相變、沸騰傳熱、兩相流動與回路系統、空間流體控制等關鍵科學問題與技術應用研究。
流體物理實驗柜主要是支持開展空間微重力環境中流體的宏觀、微觀運動，擴散過程的基本規律研究，超越了“國際空間站”3個已有的專用流體實驗柜形成的綜合測試手段和能力，將成為國際上技術最完備、設備最先進的空間流體物理實驗平臺。
燃燒科學實驗柜是能夠支持在軌開展微重力燃燒基礎科學研究的一套科學實驗系統，對于完善燃燒基礎理論、發展先進燃燒技術有著重要意義。
在線維修裝調實驗柜主要是支持艙內科學實驗與技術試驗的精細機械操作、結構和電子學裝配、機構潤滑等操作及試驗驗證，并支持開展空間機器人和遙科學技術試驗。
展開 我國首個太空"快遞小哥"今晚上天，它帶了啥秘密
量天尺
中科院上海光機所研制的“空間冷原子鐘”搭載“天宮二號”發射升空，將成為國際上首臺在軌運行并開展科學實驗的“空間冷原子鐘”,同時也是目前在空間運行的最高精度的原子鐘。
“空間冷原子鐘”將激光冷卻技術和空間微重力環境結合，有望實現10^-16量級的超高精度（約3000萬年誤差1秒），將目前人類在太空中的時間計量精度提高1~2個數量級。
百變金剛
開展大Prandtl數液橋熱毛細對流穩定性相關問題的研究，研究在空間微重力環境下熱毛細對流的失穩機理問題，拓展流體力學的認知領域，取得具有國際先進水平的研究成果。突破并掌握微重力環境下的液橋建橋、液面保持和失穩重建等空間實驗關鍵技術，進一步提升我國微重力流體科學的空間實驗能力和技術水平。
系列英雄材料
該平臺此次的任務時研究半導體光電子材料、金屬合金及亞穩材料、納米以及復合材料等制備基理，揭示在地面重力環境下難以獲知的材料物理化學過程的規律。預期可獲得高質量的空間材料樣品，作為模型材料的結構、功能、工藝參數等方面獲得有價值的科學研究成果。
天宮之爐
即將上天的這個爐子就是工程人員歷經三年多的攻關，專門研制的一套綜合材料實驗裝置。
這套實驗裝置由“材料實驗爐”、“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構成。整個裝置共約27.6kg重，最大功耗不到200W（而一般電水壺的功率也要1000～1800W），相當于2個100W白熾燈，卻能實現真空環境下最高950℃的爐膛溫度，是不是令人驚嘆？
海之情
“天宮二號”三維成像微波高度計是國際上第一次實現寬刈幅海面高度測量并能進行三維成像的微波高度計。它采用小角度、高精度干涉測量技術，能精確獲得海面的干涉條紋信息，進而獲得三維海面形態，再經過復雜的定標最終獲得寬刈幅范圍內的海平面高度測量。
展開 世界首臺！我國量子計算機超越早期經典計算機
潘建偉介紹，目前，國際學術界在基于光子、超冷原子和超導線路體系的量子計算技術發展上總體進展較快。
在各個路線的較量中，“多粒子糾纏的操縱”作為量子計算的核心資源，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在多光子糾纏領域始終保持著國際領先水平，并于2016年底把紀錄刷新至十光子糾纏。
在此基礎上，團隊利用自主發展的綜合性能國際最優的量子點單光子源，通過電控可編程的光量子線路，構建了針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機。實驗測試表明，該原型機的“玻色取樣”速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少24000倍，同時，通過和經典算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺晶體管計算機（TRADIC）運行速度快10-100倍。5月2日，該研究成果以長文的形式在線發表于《自然光子學》。
“這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基于單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為‘量子稱霸’的目標奠定了堅實的基礎。”潘建偉說。
量子計算機的研發有著不同的技術路線，記者在發布會上還了解到，團隊不僅是在光量子體系的研究中領先，同時還在超導體系的研究中也幾乎同時取得了突破性進展。研究團隊打破了之前由谷歌、NASA和UCSB公開報道的九個超導量子比特的操縱，實現了目前世界上最大數目（十個）超導量子比特的糾纏，并在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子算法。成果即將發表于《物理評論快報》。
“當量子比特的操縱數量達到5個比特就能超越早期經典計算機，25個左右的時候，就能和現在的普通計算機計算能力相當。”潘建偉透露，目前研究團隊正在致力于20個超導量子比特量子計算機的設計、制備和測試，并計劃于今年年底前發布量子云計算平臺，供科學家“體驗”量子計算。
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嚴密博士
（Wolfram 技術工程師）
畢業于弗吉尼亞理工大學（研究方向——理論凝聚態物理領域 - 量子動力學和光學晶格中超冷原子的相變）。
現將有關具體事項告知各位：
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扭曲雙層材料，再發《Science》！
在超冷原子實驗中，必要的相互作用可調諧性是通過費什巴赫共振實現的；這使得該領域取得了許多令人印象深刻的進展，包括超冷分子的制備和BEC(玻色-愛因斯坦凝聚態)到BCS(巴爾丁-庫珀-施里弗態)轉變的觀察。由于其豐富的內能級結構，在外加磁場作用下，兩個總自旋為S的給定內態制備的冷原子可以與兩個S’≠S的束縛分子態發生共振。有限超細耦合，允許處于低能量散射態(開信道)的兩個原子與束縛分子態(閉信道)雜交，導致在開信道中完全可調諧的散射相移。
近年來，扭曲雙二維材料，成為研究強相關電子物理的新平臺。在這些合成量子材料中，出現的平帶和強庫侖相互作用的動能部分猝滅起著核心作用。相比之下，光激發的作用主要局限于光譜學，揭示了相互作用電子系統的Mott-Wigner態的不可壓縮性和突現電荷順序等特征。通過允許簡并的波塞-費米混合中存在光誘導相關態，增強激電子相互作用的強度可以極大地豐富這個系統的物理學。
展開 石墨烯最新Science:檢測固態系統中電子間相互作用的“指紋”
雖然有研究在經歷超流-莫特絕緣體轉變過程的超冷原子中觀測到過相似結構，但在固態系統中實現相應的觀測依然是一個巨大的挑戰。
【成果簡介】
美國國家標準與技術研究院的J. A. Stroscio（通訊作者）等人利用隧道測量技術成功地將環形石墨烯諧振器中空間約束和磁約束之間的相互影響可視化，并直接觀測到了電子相互作用的痕跡。石墨烯是一種表面暴露大量電子的二維材料，因此被認為是研究外加場中能級變化的理想材料。研究人員首先將石墨烯器件冷卻到絕對零度左右，以便創造量子點-小島作為人工原子，在強度為1特斯拉的磁場中，量子點中的電子堆積更加緊密，相互作用也被加強，最終這些電子將被以導電-絕緣同心環交替的形式進行重排。通過掃描隧道顯微鏡，不同電子能級的同心環圖像被堆放在一起最終實現婚禮蛋糕型結構。因此這一研究為極端條件下觀測和了解量子-相對物質的行為提供了有效的方法。2018年8月24日，相關成果以題為“Interaction-driven quantum Hall wedding cake–like structures in graphene quantum dots”在線發表在Science上。
展開 價值2950億美元的「量子霸權」，技術水平到了哪個階段
超冷原子方案：與離子阱方案比較相似，可擴展性有限，目前更多的是用來做凝聚態系統的量子模擬。這一領域世界領先的是德國馬普學會量子光學所（MPQ），美國JILA實驗室，哈佛-麻省理工聯合冷原子中心等。
除此之外，還有一些其它物理系統，比如「拓撲量子計算」等。但它們在可擴展性方面無法與超導電路相比。因此物理學家和IT巨頭們大多把未來通用量子計算機的期望寄托在超導電路系統上。
實現難點：從實際工程的角度看，運行環境是量子計算機發展的主要制約因素。量子電路只有在非常低的溫度下（接近絕對零度）才能發揮最好的效果。量子態極不穩定，任何外界的干擾都會使錯誤率增加，這也是為什么量子計算機需要集中在寒冷的數據中心運行。對于手機、筆記本電腦等移動設備，量子計算技術暫時還派不上用場。
此外，連貫性及錯誤率都是量子計算機非常重要的指標。按當前技術水平，當量子計算機的規模增大到足以進行實際模擬任務時，用來容錯的物理量子位與實際發揮作用的邏輯量子位之比將高達3000:1。
如何抓住量子計算機遇
盡管還未實現，但主流觀點認為，「量子霸權」時代必然會到來，這是一場誰都輸不起的競爭。畢竟一旦量子計算技術突破，掌握這種能力的國家，在經濟、軍事、科研、安全等領域將迅速建立全方位優勢。
距離量子計算完全發揮潛力還需十年左右的時間，但商業公司應該從現在就開始行動，時刻監控量子計算技術的發展進程，一旦在某一領域量子霸權得以實現，公司即可迅速采用。
為了更早地讓量子計算機展現出它的優勢，物理學家們想到了針對一些特殊的問題，可以用專用型量子計算機來解決。
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講師：
嚴密博士（Wolfram 技術工程師）
畢業于弗吉尼亞理工大學（研究方向——理論凝聚態物理領域 - 量子動力學和光學晶格中超冷原子的相變）。
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講師：
嚴密博士（Wolfram 技術工程師）
畢業于弗吉尼亞理工大學（研究方向——理論凝聚態物理領域 - 量子動力學和光學晶格中超冷原子的相變）。
Nature二連發說什么——石墨烯中的新電子態
這種困難激發了新的研究范式，例如模擬量子材料的超冷原子晶格。
【成果簡介】
近日，在美國麻省理工學院P. Jarillo-Herrero教授（通訊作者）和曹原（第一作者）團隊的帶領下，與美國哈佛大學，日本國立材料科學研究所合作，報道了堆疊具有小扭曲角的兩個石墨烯片中二維超晶格，產生一種全新的電子態——超導態。當旋轉角度小到魔角時（<1.05°），扭曲的雙層石墨烯中垂直堆疊的原子區域會形成窄電子能帶，電子相互作用效應增項，從而產生非導電的Mott絕緣態。在Mott絕緣態情況下加入少量電荷載流子，就可以成功轉變為超導態。相關成果以題為“Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices”發表在了Nature上。
【圖文導讀】
圖1 石墨烯超晶格中的2D超導電性
（a）典型的扭曲雙層石墨烯（TBG）裝置和四探針測量方案的示意圖；
（b）在兩個器件M1和M2中測量四探針電阻Rxx = Vxx/I ，其中扭轉角分別為θ= 1.16°和θ= 1.05°。插圖是設備M1的圖像；
（c）在超晶格的第一個小布里淵區（MBZ）中，TBG在θ= 1.05°處的能帶結構；
（d）（c）所示帶的狀態密度（DOS），放大到-10?10meV；
（e）在n = -1.44×1012cm-2和各種溫度下測量的器件M2的I-V曲線。
圖2 石墨烯超晶格中的可調諧超導性
（a）在零磁場（紅色線）和B⊥= 0.4 T（藍色線）的垂直場中測得的器件M1的雙探針G2電導；
（b）在（a）中由粉紅色虛線包圍的區域對應的密度下測得的四探針電阻Rxx與溫度的關系；
（c）在裝置M2中粉紅色虛線包圍的區域對應的密度下測得的四探針電阻Rxx與溫度的關系。
展開 傳熱學的發展簡史
洛克甚至還認識到“極度的冷是不可覺察的粒子的運動的停止”。
俄國學者羅蒙諾索夫在十八世紀四十年代提出了兩篇關于物理學的論文，第一篇是關于熱力學基礎的，題為《關于熱和冷的原因的思索》（1746）；第二篇是關于分子運動論的，題為《試論空氣的彈力》（1748）。在這兩篇論文中，羅蒙諾索夫提出了如下的見解：“熱的充分根源在于運動”，即熱是物質的運動，運動著的是物體內那些為肉眼所看不見的細小微粒；微粒本身是球狀的，因為只有這樣，固體變熱時才能保持它的外形；熱量從高溫物體傳給低溫物體的原因，是由于高溫物體中的微粒把運動傳給低溫物體中的微粒造成的，而且給出的運動的量與接受的運動量相等，一物體使另一物體變熱時，它自身便會變冷，這就肯定了運動守恒在熱現象中的正確性；氣體分子的運動呈現一種“混亂交錯”的狀態，是雜亂無規則的。
“熱”是一種物質？？
但總的說來，熱是運動的觀點尚缺乏足夠的實驗根據，所以還不能形成為科學理論。隨著古希臘原子論思想的復興，熱是某種特殊的物質實體的觀點也得到流傳。法國科學家和哲學家伽桑狄認為，運動著的原子是構成萬物的最原始的、不可再分的世界要素，同樣，熱和冷也都是由特殊的“熱原子”和“冷原子”引起的。它們非常細致，有球的形狀，非常活潑，因而能滲透到一切物體之中。這個觀念，把人們引向“熱質說”。
波義耳也動搖于熱的運動說和熱質說之間。在考察放在真空容器中的一塊熾熱的鐵可以使器壁感受到熱的現象時，他認為這似乎只能用“熱”自己傳過來加以解釋。波爾哈夫認為，熱的本源是鉆在物體細孔中的、具有高度可產塑性和貫穿性的物質粒子，它們沒有重量，彼此間有排斥性，而且彌漫于全宇宙。1789年，拉瓦錫還將“熱質”和“光”列入無機界二十三種“元素”之中。
布萊克是熱質說的一個重要倡導者。他雖然相信最終會發生現熱“將不是化學的，而是力學的”，但他又很難否定熱質說。
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