2025墨子量子獎得主：宇宙中最冷的原子，如何實現(xiàn)費曼的量子模擬器之夢

2025年9月26日，墨子沙龍邀請到2025年的墨子量子獎得主，德國國家科學院院士，慕尼黑大學和馬克斯·普朗克量子光學研究所的伊曼紐爾·布洛赫 (Immanuel Bloch) 教授作“宇宙中最冷的原子，如何實現(xiàn)費曼的量子模擬器之夢”的前沿講座。本文根據(jù)現(xiàn)場內(nèi)容整理而成。

2025年是“國際量子科學與技術年”，也是現(xiàn)代量子力學誕生100周年。歐洲核子研究中心（CERN）的加速器實驗希望通過粒子對撞，尋找新的微觀作用規(guī)律與作用力，本質(zhì)是打造“高精度顯微鏡”，解析微觀世界的行為機制。然而，即便已知粒子間作用力，仍難以預測自然界中多體量子系統(tǒng)的性質(zhì)和演變（如材料的性質(zhì)）。在1982年，理查德·費曼就曾構想使用量子模擬器來研究量子系統(tǒng)。

量子復雜性與量子物理

經(jīng)典比特僅能處于0或1兩種狀態(tài)，而量子系統(tǒng)可處于疊加態(tài)。多量子比特的配置數(shù)量呈指數(shù)級增長。這種指數(shù)級信息增長，使得經(jīng)典超級計算機也會因存儲能力不足而無法計算量子系統(tǒng)的集體行為。

德布羅意與薛定諤提出物質(zhì)也具有波動性，但宏觀物體（如足球）的物質(zhì)波長極短，無法觀測；而電子等輕粒子的波長雖小，卻可通過實驗捕捉，這也是量子物理主要適用于微觀粒子的原因。

日本科學家Akira Tonomura的電子雙縫干涉實驗，直觀展示量子的奇特行為：電子并非像經(jīng)典物體那樣選擇通過左縫或右縫，而是同時通過雙縫，最終在探測屏上形成干涉條紋——這一現(xiàn)象只能用疊加態(tài)解釋，顛覆了經(jīng)典物理的認知。

薛定諤的貓說明若將量子疊加態(tài)延伸至宏觀物體，理論上會出現(xiàn)貓同時處于生死狀態(tài)的情況。盡管目前尚未實現(xiàn)宏觀物體的疊加態(tài)，但物理學家正嘗試用更大分子驗證疊加態(tài)的邊界，推動量子現(xiàn)象向宏觀尺度拓展。

面對經(jīng)典計算機無法處理多體量子系統(tǒng)的困境，當前學界主要有兩種解決方案：量子計算和量子模擬。

量子計算機類似經(jīng)典計算機，但基于量子比特構建（如“祖沖之號”量子計算機），理論上可計算任意量子系統(tǒng)問題。 然而量子計算機技術難度極高，需投入巨大精力。

量子模擬則專注于直接構建量子系統(tǒng)模型（如基于超導、光鑷捕獲原子、光晶格、離子阱等平臺的量子模擬研究），直接模擬研究量子系統(tǒng)的行為。

如同航空動力學研究中，既可用計算機計算氣流，也可在風洞中用飛機模型進行類比模擬——量子模擬正是通過構建量子模型，輔助驗證計算機的數(shù)值方法，二者相輔相成。

利用光晶格捕獲冷原子

通過激光疊加，利用波的干涉形成明暗交替的光晶格，原子可被捕獲在這種無實體材料、僅由光構成的晶體中，恰如雞蛋托一般。

這使得原子間距比實際材料中的電子間距大1萬倍，達到微米級，可用普通光學顯微鏡直接觀測。原子的運動速度比真實材料中電子慢100萬倍，無需依賴飛秒激光即可清晰追蹤原子運動。

原子的冷卻無需傳統(tǒng)冰箱，而是利用光的推力。彗星尾塵始終背離太陽，是因太陽光對塵埃產(chǎn)生宏觀推力。利用類似原理，從多個方向照射激光，并調(diào)節(jié)激光頻率，可讓原子無論向哪個方向運動，都受到反向的光推力，如同始終逆風行走，最終原子速度減慢、溫度降低，達到接近絕對零度。

目前已實現(xiàn)數(shù)千個原子的捕獲與成像，甚至可通過“光鑷”（聚焦激光束）操控單個原子，排列成任意圖案（如中國科學技術大學的工作實現(xiàn)用原子書寫文字）。最新的實驗已能捕獲超1萬個原子。

然而量子行為極脆弱，易受環(huán)境干擾，這些實驗需在高真空玻璃容器中進行以隔絕外界影響。且系統(tǒng)規(guī)模越大，維持量子特性越困難，仍是學界面臨的核心難題。

量子技術與精密時鐘

物理學家眼中，時鐘是“周期性振蕩物體+計數(shù)器”——通過計數(shù)振蕩次數(shù)定義時間（如1秒=特定次數(shù)的振蕩）。

一開始的日晷以太陽東升西落為周期，相當于1天1次振蕩，精度極低。機械擺鐘利用擺的往復運動計數(shù)，精度有所提升。石英鐘以石英晶體振蕩為核心，頻率達3萬次/秒，廣泛應用于日常設備。當前秒的定義為9,192,631,770次銫原子電子云振蕩，精度大幅超越先前的鐘概念。

而光學晶格時鐘，通過將原子捕獲在光晶格中，以原子電子云的振蕩為“鐘擺”——由于原子在光晶格中互不碰撞、位置固定，振蕩穩(wěn)定性極高，精度遠超傳統(tǒng)銫原子鐘。若從137億年前（宇宙大爆炸時期）開始運行，至今誤差僅1秒；實驗中甚至能檢測1毫米高度差帶來的“引力紅移”，是目前精度最高的鐘。

學界計劃將光學晶格時鐘小型化、低功耗化，送入太空構建“太空時鐘網(wǎng)絡”——如中國科大科研團隊計劃3年內(nèi)發(fā)射首顆搭載該時鐘的衛(wèi)星，未來可用于航天器導航、月球基地時間基準，甚至探測引力波。

最后，布洛赫教授提到，1952年薛定諤在著作中認為“用單個量子物體（如原子）做實驗是不現(xiàn)實的，如同在動物園復活恐龍”，但如今科學家已能在光晶格中操控單個原子，實現(xiàn)了薛定諤眼中的“不可能”。 量子研究是全球性科學事業(yè)，未來可以通過緊密的國際合作，繼續(xù)探索量子模擬在粒子物理、材料科學、宇宙學等領域的更多可能，同時推動精密時鐘技術在導航、基礎物理研究等場景的應用突破。

整理：youyou