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据美国物理学家组织网2月23日报道,美国国家标准研究院物理学家首次在两个分隔的带电原子(离子)之间建立了直接运动耦合,实现了原子之间的单量子能量交换。这一技术简化了信息处理过程,可用于未来的量子计算机、模拟技术和量子网络中。相关研究发表在2月23日的《自然》杂志上。研究人员解释说,他们让两个铍离子在电磁势阱中震荡进行能量交换,这一交换中是以最小能量单位——量子来进行的。这意味着离子被“耦合”在一起,表现出像宏观世界中如钟摆、音叉那样的“和谐震荡”,做重复的来回运动。实验利用了一种单层离子势阱,并将其浸在液氦浴中冷却到零下269摄氏度。离子之间相隔40微米,漂浮在势阱表面。势阱表面装有微小电极,让两个离子靠得更近,以便产生更强的耦合作用。超低温度可以抑制热量,避免扰乱离子行为。研究人员在势阱上放了震荡脉冲来检测铍离子频率。 研究人员还用激光制冷减弱两个离子的运动,再用两束反向紫外激光束将一个离子进一步冷却到静止状态,调节势阱电极间的电压,就开启了耦合作用。经测量,离子的能量交换每155微妙仅有几个量子,而达到单个量子交换时频率更低,间隔为218微秒。从理论上讲,离子之间这种能量交换过程能一直持续,直到被热量打断。 “首先,一个离子轻微震动而另一个静止,然后震动传给了另一个离子,它们之间的能量运动是一个最小的能量单位。”论文第一作者、国家标准技术研究院博士后研究员坎顿·布朗说,“我们可以调节耦合作用,影响能量交换的速度和程度,还能控制耦合作用的开启或终止。”用电极电压来调整两个离子的频率,让它们离得更近,耦合作用就开始了。当两个离子频率最接近时,耦合作用最强。由于正电荷离子之间的静电作用,它们之间倾向于互相排斥。耦合使每个离子都具有了两个电子的特征频率。 在未来的量子计算机中,上述技术可用于解决量子系统的复杂问题,破解当今使用最广的数据加密编码。不同位置的离子直接耦合可以简化逻辑运算,有助于校正运算过程错误。该技术还可能用于量子模拟,以解释复杂量子系统如高温超导现象的原理机制。 研究人员还指出,类似的量子交换作用可以用来连接不同类型的量子系统,如离子和光子,在未来的量子网络中传递信息,如势阱中的离子可以在超导量子比特(昆比特)和光子比特之间作“量子转换器”。
4月29日,由中国计量科学研究院承担的国家科技支撑计划课题“能量天平质量量子基准研究”通过国家质检总局组织的专家验收。该课题通过“能量天平”方案,开展对普朗克常数测量和质量量子基准及其关键技术的研究,建立能量天平法测量普朗克常数装置,使我国首次具备普朗克常数测量和千克基准稳定性绝对测量能力,成为国际上第四个可以独立测量普朗克常数的国家,步入国际计量前沿研究行列。 计量基准的准确与否,需要国际单位制的七个基本单位的保证。为适应经济和社会发展对计量准确度日益提高的要求,20世纪下半叶开始,国际计量界已陆续研制了一系列量子计量基准代替沿用多年的实物计量基准,来复现和保存国际单位制的基本单位。质量单位“千克”是目前国际单位制的7个基本物理量中唯一依靠实物基准保存和复现的一个物理量。实现质量基准的量子化——用某种量子计量基准来代替尚在使用的国际千克原器这一实物基准,重新准确定义质量单位,是国际计量界经典计量难题中最后的堡垒。 为解决这一难题,目前已有多个先进国家计量院开展了此方面的研究,并提出了若干种解决方案。在国家“十一五”科技支撑计划重点项目“以量子物理为基础的现代计量基准研究”的支持下,中国计量科学研究院开展了此方面的研究。
科技日报 2012年04月03日 星期二本报记者 常丽君 综合外电http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2012/04/201204031347_358918_1644522_3.jpg 1998年,科学家发现宇宙的膨胀有一个加速度,因此提出了暗能量的假设,作为这种加速度的动力。但直到现在,人们也不清楚这种暗能量到底是什么。对一些科学家而言,与其说它是个答案,不如说它是个问题。有人说暗能量只是标准宇宙模型中的专用概念,缺少其他物理含义,他们一直在为宇宙的加速膨胀寻找新解释,而替代暗能量的另一种假说就是反万有引力,这种反引力来源于隐藏在虚空中的反物质。 宇宙巨洞的反物质 宇宙巨洞(Cosmic voids)是指宇宙大尺度结构上的物质稀薄区域,含有很少或完全不包含任何星系。意大利国家天体物理学院科学家马西莫·维莱特说:“人们能清楚地观察到宇宙巨洞,这是我们宇宙中最大的组成结构。但它们是否真是空的?还是包含了具有反引力性质的反物质?”他在近期出版的《天体物理和空间科学》上发表论文,提出在这些巨大的空洞中可能隐藏着反物质,反物质和物质由于万有引力互斥作用而分离开来。根据广义相对论预言,物质带有正引力荷,反物质带有一种假设的负引力荷,而万有引力的相互作用是同性相吸,异性相斥,因此物质和反物质之间存在万有引力互斥作用。 根据维莱特的计算,物质和反物质之间的引力互斥非常强,足以造成宇宙的加速膨胀,从而不再需要暗能量和暗物质。 这种假设在理论上能解释一些无法用暗能量来解释的观察现象:宇宙的膨胀速度并不均匀。最近,科学家观察到一种运动异常的“局部层”,是包括银河系及其他附近星系的宇宙部分,这一局部层的速度和宇宙其他部分明显不同。 天文学家已经找到了3种推动局部层运动的因素:一是附近稠密的室女星系团的吸引力;二被认为是人马座星系团的吸引力,但这一点还不太确定;第三正是造成这种“局部速度异常”的力,因为这种力并没有朝向任何明显的结构。它和前两种吸引力明显不同,很可能是反引力。为了证明这一点,维莱特指出,位于局部层和吸引区之间的Leo Spur星系,相对于这种运动好像是静止的。因此第三种力可能是来自相反方向,对局部层的作用是推斥而不是吸引。据他推测,在某个巨洞中存在一种合理的反物质,由于互斥的万有引力作用,造成了局部速度异常。 这样一来,反物质可能作为一种类似暗能量的东西,在宏观尺度上,大量的反物质巨洞会推动宇宙膨胀而不需要暗能量,甚至可能连大爆炸也不需要。这一新理论还暗示了,我们的宇宙具有等量的物质和反物质,正像标准宇宙模型所预期的那样。 量子真空的虚粒子 在过去几年中,欧洲核子研究中心(CERN)物理学家德拉根·哈杜科维克也在研究一种被忽略的宇宙部分:量子真空。他认为,量子真空中有一种万有引力荷,来源于虚粒子和虚反粒子之间的引力互斥。 此前,他已经论证了这种反引力能解释包括暗物质效应在内的一些观察现象,还暗示了我们生活在一个无需大爆炸的循环宇宙中。此外,这一假设还能帮人们进一步了解黑洞的性质,判断中微子物质。他发表在《天体物理和空间科学》上的最新论文还证明,量子真空还能解释宇宙的加速膨胀,也不需要暗能量。 “量子真空是60多年前提出的理论预测,现在已有明显的实验证据证明量子真空存在。而物质和反物质之间存在万有引力互斥作用,这一假设早在一个多世纪前就已提出。”哈杜科维克说,“我决定把量子真空这一事实和反粒子的负引力荷这一假设结合起来,结果令人吃惊,基于这种框架很可能解释宇宙的加速膨胀。” 哈杜科维克的解释和马西莫·维莱特的理论相似,量子真空中的万有引力来自正反物质之间的引力互斥。物质带有正引力荷,反物质带有负引力荷,同样是同性相吸,异性相斥。不同的是,维莱特认为,带负引力荷的反物质存在于巨洞中,而不是量子真空。尽管量子真空中不含有真实的物质和反物质,但虚粒子和虚反粒子会成对地刹那生灭,变成万有引力双极子。 “如果粒子和反粒子有着相反的万有引力荷,当万有引力场足够强时,就能将虚粒子对转化为真实的粒子对。”哈杜科维克说,“这并非新提出的假说,而是施温格量子场论的结论。” 哈杜科维克也计算了量子真空中的万有引力双极子的能量密度,是宇宙常数的某个数量级,或者说是造成宇宙加速膨胀的力的某个数量级。宇宙大约在达到目前大小的一半时,开始加速膨胀,只比标准宇宙模型预测的略早一点。但哈杜科维克的量子真空模型和标准宇宙模型之间也有明显不同:前者预测膨胀的加速度在减小,而后者预测加速度在增大,这种差异使得二者预测的宇宙命运截然不同。 实验检验有难度 “科学家认为,暗能量是均匀一致地遍布于宇宙中,这样才能解释宇宙的整体加速。但它既无法解释局部层强大的反引力效应,也不能解释局部巨洞的极度虚空和银河系以外的某些性质。”维莱特说,“而提出在局部巨洞中存在反物质的暗斥力,解释了所有这些情况。而且从整体上讲,隐藏在全部宇宙巨洞中的反物质,也解释了整个宇宙的加速膨胀以及其他宇宙特征,不需要暗能量,也不需要各种离奇的大爆炸之初。” 维莱特设想通过反引力透镜实验来进一步验证他的观点。“基本上,如果我们有一张高质量的远离巨洞的星系群三维图,就能更容易分析它们中的某些星系在视线轮廓上是否有被缩小的情况,这表示它们和间隔巨洞中的大型反物质体在一条直线上。”但这种实验会很困难,因为同时还有一种干扰效应,会让辐射状星系看起来严重扭曲:由于异常运动会影响红移检测,也会使星系群的视线轮廓收缩,而反引力透镜会让它更加缩小,要把这两种情况区别开是非常困难的。 哈杜科维克也表示,量子真空结合反物质的负万有引力荷假设,有望解释天体物理学和宇宙学中的观察现象,不需要引入暗物质和暗能量、膨胀的神秘机制,以及物质—反物质不对称。“欧洲粒子物理研究所的AEGIS实验将通过反氢原子揭示反物质是否带有负引力荷,加州大学河滨分校也在研究电子偶素(一个电子和一个正电子组成的类原子系统)的万有引力性质。如果这是真的,将开启新一轮的科学革命。”