北京時間11月23日消息，在一項新研究中，科學家終於證實了一個幾十年前預言的奇異量子效應——如果能使一團氣體變得足夠冷且足夠緻密，那就能讓它隱形。這項技術或許可以用於防止量子計算機的信息丟失。
研究人員利用藍色激光來檢測氣體透明度的增加
美國麻省理工學院的研究人員利用激光擠壓並冷卻鋰氣體，使其密度和溫度變得足夠低，以減少光的散射，如果能將這團氣體冷卻到更接近絕對零度（零下273.15攝氏度），那這團氣體將完全隱形。
這種奇異的量子效應被稱為“泡利阻塞”（Pauli blocking），而這項研究也成為歷史上該量子力學過程的首個具體例子。
被觀察到的是泡利阻塞的一種非常特殊和簡單的形式。泡利阻塞阻止了一個原子的自然行為：使光散射，這是第一次清楚地觀察到這種效應的存在，展示了物理學上的一種新現象。
研究人員稱，這種新技術可用於開發光抑制材料，以防止量子計算機中的信息丟失。泡利阻塞源自泡利不相容原理，由奧地利著名物理學家沃爾夫岡·泡利於1925年首次提出。泡利假設所有具有相同量子態的費米子——如質子、中子和電子——不可能存在於同一空間。
這是因為，在量子水平上只存在有限數量的能態，迫使原子中的電子把自己堆積起來，形成更高能級的殼層，在距離原子核更遠的軌道上運轉。根據著名物理學家弗里曼·戴森在1967年參與撰寫的一篇論文，泡利阻塞可以讓不同原子之間的電子保持距離，因為如果沒有這個不相容原理，所有原子都會坍塌，並釋放出巨大的能量。
泡利不相容原理也適用於氣體中的原子。通常情況下，氣體雲中的原子有很大的彈跳空間，這意味着即使它們可能是受泡利不相容原理約束的費米子，但仍有足夠的未被佔據能級供它們躍遷；泡利不相容原理並不會顯著阻礙它們的運動。將光子送入一團相對溫暖的氣體雲時，它碰撞到的任何原子都能與之相互作用，吸收其帶來的動量，反衝到不同的能級，並散射光子。
然而，如果將氣體冷卻下來，你會看到完全不同的情況。此時原子失去了能量，填滿了所有可能的最低能級，形成了所謂的“費米海”。這些粒子現在被彼此包圍，不能向上移動到更高的能級，也不能下降到更低的能級。
研究人員解釋道，此時這些堆積在殼層里的粒子就像滿座音樂廳里的聽眾一樣，即使被擊中也無處可去。它們是如此密集，以至於粒子不再能與光相互作用。光線被泡利阻塞了，只能徑直通過。
一個原子只有通過移動到另一個“座位”上，才能吸收光子的撞擊，從而散射光子，如果其他“座位”都被佔用，那它就不再有能力吸收撞擊並散射光子。因此，原子就變得透明了。
不過，讓原子云達到這種狀態是非常困難的。這不僅需要極低的溫度，還需要將原子壓縮到創紀錄的密度。這是一項精細的任務，因此研究人員在捕獲了原子阱中的氣體后，用激光對其進行了轟擊。
在這種情況下，研究人員調整了激光束中的光子，使其只碰撞與它們反向運動的原子，從而使原子速度變慢並冷卻下來。研究人員將鋰氣體雲凍結到20微開爾文，只略高於絕對零度。然後，他們使用另一束緊聚焦激光將原子壓縮到每立方厘米約1000萬億個原子的密度水平，創下了新的記錄。
接着，為了觀察超冷原子的隱形程度，研究人員又將第三束也是最後一束激光射向原子，並使用一台高度靈敏的相機來計算散射光子的數量。這束激光經過了仔細校準，使其不改變氣體的溫度或密度。正如理論預測的那樣，被冷卻並壓縮的原子所散射的光，比室溫下的原子少38%，這使它們顯著變暗。
此外，有兩個獨立的研究團隊冷卻了另外兩種氣體，即鉀和鍶，也證明了這種效應。在鍶實驗中，研究人員泡利阻塞了激發態原子，使它們在激發態中保持了更長時間。這三篇證明泡利阻塞的論文都發表在11月18日的《科學》（Science）雜誌上。
現在，研究人員終於證明了泡利阻塞效應，並有望用這一效應來開發抑制光的材料。這對於提高量子計算機的效率尤為有利，因為目前的量子計算機受到量子退相干的阻礙，即由光攜帶得量子信息會逸失到計算機的周圍環境中。
每當我們要控制量子世界，比如量子計算機時，就總會遇到光散射的問題，這意味着信息正在從量子計算機中泄露出來，泡利阻塞是抑制光散射的一種方式，為控制原子世界這一主題做出貢獻。（任天）