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漂游在晶片上的冷原子

2011/02/07 | |

Original publish date:Oct 10, 2001

編輯 Fish 報導

一種能使冷原子團在其上空漂游的新型晶片,不但有助于物理學家了解量子力學的奧秘,還可能是實現量子電腦的關鍵零件。

這個由慕尼黑大學的Jakob Reichel和研究同仁所製造的“原子晶片” ,可創造及操縱一種特殊的物態:玻色愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein Condensate, BEC)。在此之前,科學家乃是利用雷射或磁場來冷卻並侷限原子氣體以得到BEC。行進於原子晶片內的電流所產生的侷限磁場則只有1mm那麼寬。這磁場把含有1600個銣原子的氣團托在晶片上方不到0.1mm之處。

根據量子力學,原子的行為好像波一樣。通常,每個波各自有上有下地擺動。當BEC發生時,所有原子的波動則完全一致。這時,我們說這些原子處在相同的量子態,或說它們是同調(coherent)。更具體地講,凝聚態的行為並不像一群原子,反而像是一個超大原子。它的行為可用一個由許多彼此相同的原子組成的單一量子波函數來表示。

因為凝聚態的尺寸可比半導體製程技術的極限還小,它也許可用在下一代的電子產品上。由於每個原子的自旋方向(上或下) 可代表數位電路的0與1,資訊有可能以原子波(atom waves)來表示。而一旦科學家找出方法,威力遠超過今日電腦的量子電腦應不再是夢想。

除了潛在的應用價值之外,研究人員一直希望透過對BEC的操縱來審視量子力學中不太清楚的部份。例如當同調的量子系統與外界環境發生作用時,同調性是如何被破壞的﹖(此乃quantum decoherence)新的原子晶片將使這類研究較易進行。這是因為晶片把凝聚態限制在非常小的尺度內,使科學家能較輕易地依實驗需求來量身定作原子雲的特性。

若要利用原子波進行計算或通訊,那麼單把原子侷限住是不夠的;我們得能移動玻色愛因斯坦凝聚態。Reichel等人也做到了這點。他們使晶片上的電流振蕩,磁場阱因而沿著電路移動,BEC也就被拖著走。也許不久的將來,使BEC在原子晶片上移動的技術可像現今導引矽晶片中電子的技術一樣成熟。

原始論文:Hansel, W., Hommelhoff, P., Hansch, T. W. & Reichel, J. Bose-Einstein condensation on a microelectronic chip. Nature, 413, 498 – 501 , (2001).

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