打破玻恩·奥本海默近似 实验揭示了理论上存在已久的量子现象

打破玻恩·奥本海默近似实验揭示了理论上存在已久的量子现象一个含有两个铂原子的分子吸收了一个光子后开始振动。振动使分子的电子自旋发生翻转，从而使系统同时改变电子状态，这种现象被称为系统间交叉。资料来源：阿贡国家实验室这个模型在绝大多数情况下都是有效的，但科学家们正在测试它的极限。最近，一个科学家小组证明了这一假设在极快的时间尺度上被打破，揭示了原子核和电子动力学之间的密切关系。这一发现可能会影响太阳能转换、能源生产、量子信息科学等领域的分子设计。研究小组成员包括来自美国能源部阿贡国家实验室、西北大学、北卡罗来纳州立大学和华盛顿大学的科学家，他们最近在《自然》和《AngewandteChemieInternationalEdition》上发表了两篇相关论文。"我们的工作揭示了分子中电子自旋动力学和原子核振动动力学在超快时间尺度上的相互作用，"《自然》论文第一作者、西北大学副研究员ShahnawazRafiq说。"这些特性不能独立处理--它们混合在一起，以复杂的方式影响电子动力学。"当分子内原子核的运动变化影响到电子的运动时，就会产生一种叫做自旋-振动效应的现象。当分子内的原子核因其固有能量或光等外部刺激而振动时，这些振动会影响其电子的运动，进而改变分子的自旋，这是一种与磁性有关的量子力学性质。在一个称为系统间交叉的过程中，受激发的分子或原子通过翻转其电子自旋方向来改变其电子状态。系统间交叉在许多化学过程中都发挥着重要作用，包括光伏设备、光催化，甚至生物发光动物。要实现这种交叉，需要特定的条件和相关电子状态之间的能量差异。自20世纪60年代以来，科学家们就提出了自旋-振动效应可能在系统间交叉中发挥作用的理论，但对这一现象的直接观测被证明具有挑战性，因为它涉及到在极快的时间尺度上测量电子、振动和自旋状态的变化。阿贡杰出研究员、西北大学化学教授、这两项研究的共同通讯作者陈林说："我们使用超短激光脉冲--低至七飞秒，即十亿分之七秒--来实时跟踪原子核和电子的运动，这显示了自旋-振动效应是如何驱动体系间交叉的。"了解自旋-振动效应和系统间交叉之间的相互作用，有可能找到控制和利用分子电子和自旋特性的新方法。研究小组研究了北卡罗来纳州立大学教授、两项研究的共同通讯作者费利克斯-卡斯特拉诺（FelixCastellano）设计的四个独特的分子系统。每个系统都与其他系统相似，但它们的结构中包含可控的已知差异。这使得研究小组能够利用略有不同的系统间交叉效应和振动动力学来更全面地了解两者之间的关系。卡斯特拉诺说："我们在这些系统中设计的几何变化导致相互作用的电子激发态之间的交叉点在不同的能量和条件下发生略微不同的变化。这为调整和设计材料以增强这种交叉提供了启示"。在振动运动的诱导下，分子中的自旋-振动效应改变了分子内部的能量分布，增加了系统间交叉的概率和速率。研究小组还发现了与自旋振子效应的运行密不可分的关键中间电子态。华盛顿大学化学教授、能源部西北太平洋国家实验室研究员李晓松通过量子动力学计算预测并支持了这些结果。"这些实验实时显示出非常清晰、非常美丽的化学反应，与我们的预测不谋而合，"李晓松说，他是发表在《AngewandteChemie》国际版上的这项研究的作者之一。实验所揭示的深刻见解代表着在利用这种强大的量子力学关系设计分子方面向前迈进了一步。这对太阳能电池、更好的电子显示屏，甚至依赖光物质相互作用的医学治疗都可能特别有用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1387867.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1387867.htm

在太空中冷却原子 NASA的先锋量子科学实验室日臻完善

在太空中冷却原子NASA的先锋量子科学实验室日臻完善美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室以其量子研究能力而闻名，该实验室进行了一次重大的硬件升级，以增强其实验能力，从而有可能开创一个先进的量子空间任务时代。来源：美国国家航空航天局该实验室约有一个小冰箱大小，有时被称为已知宇宙中最酷的地方，因为它能够将原子冷却到几乎绝对零度。它能让地球上的几十位科学家进行量子科学实验，研究构成我们周围世界的原子和粒子的基本行为。量子科学领域为激光、晶体管（智能手机和计算机的关键部件）、GPS卫星和医疗设备等日常技术的发展铺平了道路。该领域未来的进步有望改善天基导航和通信。冷原子实验室任务团队的一名成员正在量子观测模块上工作。该实验室是一个量子科学设施，自2018年以来一直在国际空间站上运行。该模块是实验室科学能力的升级版。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院冷原子实验室安装于2018年，是首个同类设施，任务团队经历了一段陡峭的学习曲线，因为他们要弄清楚如何在空间站的失重环境中远程完成在地球上设计的实验。新的硬件--团队称之为量子观测器模块--融合了冷原子实验室运行五年来的一些经验教训。美国宇航局喷气推进实验室冷原子实验室项目科学家杰森-威廉姆斯（JasonWilliams）说："我们在冷原子实验室上进行的实验有朝一日将使我们能够以前所未有的精度测量重力，这是在太空中非常有价值的工具。"评估行星或月球密度分布的方法之一是测量整个表面的重力变化，因此科学家可以从轨道上探测不同世界的组成，或跟踪地球上水的运动。测量重力还能让科学家测量航天器的加速度，从而用于精确的太空导航。冷原子实验室是在国际空间站上运行的量子科学设施，其大小与一个小冰箱差不多。该实验室由南加州的JPL远程操作，已经进行了数十次原子和粒子量子性质的实验。图片来源：NASA/JPL-Caltech此外，量子传感器还可用于研究暗物质和暗能量等宇宙学奥秘的天基任务。暗物质是一种看不见的物质，它将宇宙中的物质聚集在一起，而暗能量则是一种更加神秘的现象，它导致宇宙加速膨胀。虽然冷原子实验室不需要宇航员协助其日常运作，但今年秋天将有一名宇航员安装量子观测模块。宇航员曾为实验室以前的升级和维修提供过支持。8月1日，诺斯罗普-格鲁曼公司的天鹅座号补给飞船从美国宇航局位于弗吉尼亚州的瓦勒普斯飞行设施升空，飞船上载有8200多磅科学调查和国际空间站货物，包括冷原子实验室的硬件升级。信用：NASA/JPL-Caltech原子和粒子是宇宙中所有已知物质的组成部分。然而，它们的行为并不总是像它们组成的大物体一样。它们的量子特性意味着，它们可以在表现为固体物体和表现为波之间摇摆，因此它们有时似乎同时出现在两个地方。它们还能瞬间穿过物理障碍，这种现象被称为量子隧道。冷原子实验室使研究原子的量子行为变得更加容易。方法之一是将原子冷冻到比物质所能达到的最低温度（绝对零度）高几分之一度。这使得原子的运动速度更慢，从而更容易对它们进行研究。此外，在这种温度下，一些原子可以共同形成玻色-爱因斯坦凝聚态，在这种物质状态下，可以在宏观尺度上观察到它们的量子行为，而这种行为通常是微观的。(请看下面的视频）。几十年来，科学家们一直在地面上进行冷原子实验，但在地球上，在真空室中研究的原子会因重力而迅速坠落地面。而在冷原子实验室内，原子可以长时间失重漂浮，这样科学家就有更多的时间来操纵它们，研究它们的行为和演化过程。研究人员还可以将超冷原子操纵成气泡和其他在地球上无法形成的独特形状。这揭示了不同的几何形状如何影响量子材料的行为。冷原子实验室的升级将为设施内的每项实验多生产两到三倍的原子。威廉姆斯说："这就好比升级到分辨率更高的望远镜。"有了更多的原子，科学家们就可以在每次实验中收集更多的数据，还可以扩大实验的种类。"科学家们将能更细致地观察超冷原子的行为，包括它们在演变过程中的物理动态以及它们之间的相互作用。由于原子云在膨胀过程中会自然冷却，更多的原子也意味着原子在完全分散之前可以达到更低的温度。JPL的冷原子实验室项目经理KamalOudrhiri说："我们希望冷原子实验室将标志着一个在太空中经常使用量子工具的时代的开始。因为有了冷原子实验室，我们已经证明这些精密的量子工具在太空中是可靠的，甚至是可以升级的。我们希望冷原子实验室只是未来众多量子太空任务中的第一个。"...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1379349.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1379349.htm

量子化学的突破：分子首次被捕捉到隧道效应

量子化学的突破：分子首次被捕捉到隧道效应量子力学允许粒子由于其量子力学波的特性而突破能量屏障（墙），发生反应。资料来源：因斯布鲁克大学/哈拉尔-里奇来自因斯布鲁克大学离子物理和应用物理系的RolandWester长期以来一直想探索这一前沿领域。这位实验物理学家说："这需要一个可以进行非常精确测量的实验，并且仍然可以用量子力学来描述。"韦斯特回忆说："这个想法是15年前我在美国的一次会议上与一位同事的谈话中产生的。他想在一个非常简单的反应中追踪量子力学隧道效应。"由于隧道效应使反应的可能性非常小，因此速度很慢，其实验观察是非常困难的。然而，经过几次尝试，韦斯特的团队现在首次成功地做到了这一点，他们在本期的《自然》杂志上报告了这一点。经过15年的研究取得的突破罗兰-韦斯特的团队选择了宇宙中最简单的元素--氢来进行实验。他们将氘--一种氢的同位素引入一个离子阱后将其冷却，然后用氢气填充该阱。由于温度非常低，带负电荷的氘离子缺乏以常规方式与氢分子反应的能量。然而，在非常罕见的情况下，当两者碰撞时发生了反应。这是由隧道效应引起的："量子力学允许粒子因其量子机械波特性而突破能量障碍，并发生反应，"该研究的第一作者RobertWild解释说。"在我们的实验中，我们给陷阱中可能发生的反应大约15分钟，然后确定形成的氢离子的数量。从它们的数量，我们可以推断出一个反应发生的频率。"2018年，理论物理学家曾计算出，在这个系统中，每千亿次碰撞中只出现一次量子隧道。这与现在在因斯布鲁克测得的结果非常吻合，经过15年的研究，首次证实了化学反应中隧道效应的精确理论模型。为更好地理解奠定基础研究人员认为还有其他可能利用隧道效应的化学反应，现在第一次有了一个在科学理论中也被充分理解的测量，在此基础上，研究可以为化学反应开发更简单的理论模型，并在现在已经成功证明的反应上进行测试。例如，隧道效应被用于扫描隧道显微镜和闪光存储器中。隧道效应也被用来解释原子核的α衰变。通过包括隧道效应，一些星际暗云中的分子的天体化学合成也可以得到解释。因此，韦斯特团队的实验为更好地理解许多化学反应奠定了基础。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1347211.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1347211.htm

量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应

量子混杂：与黑洞相媲美的化学反应然而，莱斯大学理论家彼得-沃林（PeterWolynes）和伊利诺伊大学香槟分校的合作者的最新研究表明，分子在扰乱量子信息方面可以像黑洞一样强大。他们结合黑洞物理学和化学物理学的数学工具，证明量子信息扰乱发生在化学反应中，几乎可以达到与黑洞相同的量子力学极限。这项研究成果在线发表在《美国国家科学院院刊》上。Wolynes说："这项研究解决了化学物理学中一个长期存在的问题，即量子信息在分子中的扰乱速度有多快。当人们考虑两个分子结合在一起的反应时，他们认为原子只进行单一的运动，即形成一个键或断开一个键。但从量子力学的角度来看，即使是一个非常小的分子也是一个非常复杂的系统。就像太阳系中的轨道一样，分子也有大量可能的运动方式--我们称之为量子态。当发生化学反应时，关于反应物量子态的量子信息会变得混乱，我们想知道信息混乱是如何影响反应速率的。"张成浩（左）和SohangKundu。图片来源：BillWiegand/伊利诺伊大学香槟分校提供的张成浩照片；SohangKundu提供的Kundu照片为了更好地理解量子信息是如何在化学反应中被扰乱的，科学家们借用了一种通常用于黑洞物理学的数学工具，即时序外相关器（OTOCs）。"OTOC实际上是在55年前的一个非常不同的背景下发明的，当时它们被用来研究超导体中的电子如何受到杂质干扰的影响，"Wolynes说。"它们是超导理论中使用的一种非常特殊的物体。接下来，物理学家在20世纪90年代研究黑洞和弦理论时也使用了它们。"OTOCs测量的是在某一时刻对量子系统的某一部分进行调整会对其他部分的运动产生多大影响--让人们深入了解信息在整个分子中传播的速度和效率。它们是莱普诺夫指数的量子类似物，莱普诺夫指数用于测量经典混沌系统的不可预测性。伊利诺伊大学香槟分校的化学家马丁-格鲁贝莱（MartinGruebele）是这项研究的合著者之一，他是美国国家科学基金会资助的莱斯-伊利诺伊联合缺陷适应中心（Rice-IllinoisCenterforAdaptingFlawsasFeatures）的成员。他介绍说："化学家对化学反应中的扰动非常矛盾，因为要达到反应目标，扰动是必要的，但它也会扰乱对反应的控制。了解分子在什么情况下会扰乱信息，在什么情况下不会扰乱信息，可以让我们更好地控制反应。了解OTOCs基本上可以让我们设定限制，什么时候这种信息真的会消失，不受我们控制，反之，什么时候我们仍然可以利用它来获得可控的结果。"PeterWolynes（左起）、NancyMakri和MartinGruebele。图片来源：Wolynes的照片由GustavoRaskosky/莱斯大学提供；Makri的照片由NancyMakri提供；Gruebele的照片由FredZwicky/伊利诺伊大学香槟分校提供。在经典力学中，粒子必须具有足够的能量来克服能量障碍才能发生反应。然而，在量子力学中，即使粒子不具备足够的能量，它们也有可能"隧穿"这一障碍。对OTOC的计算表明，在低温条件下，隧穿占主导地位的低活化能化学反应几乎可以在量子极限上扰乱信息，就像黑洞一样。南希-马克里（NancyMakri）也是伊利诺伊香槟分校的化学家，她利用自己开发的路径积分法研究了当简单的化学反应模型嵌入一个更大的系统（可能是大分子自身的振动或溶剂）时会发生什么情况，并倾向于抑制混沌运动。Makri说："在另一项研究中，我们发现大环境往往会让事情变得更有规律，并抑制我们所说的影响。因此，我们计算了与大环境相互作用的隧道系统的OTOC，我们看到的是，扰动被熄灭了--行为发生了很大变化。"研究成果的一个实际应用领域是限制如何利用隧道系统构建量子计算机的量子比特。我们需要尽量减少相互作用的隧道系统之间的信息干扰，以提高量子计算机的可靠性。这项研究还与光驱动反应和先进材料设计有关。Gruebele说："我们有可能将这些想法扩展到这样的过程中：在这样的过程中不会只在一个特定的反应中进行隧穿，而是会有多个隧穿步骤，因为这就是涉及到电子传导的过程，例如，很多新型软量子材料，如用于制造太阳能电池和类似材料的过氧化物。"编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1427285.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1427285.htm

NASA在国际空间站的冷原子实验室开创太空量子化学先河

NASA在国际空间站的冷原子实验室开创太空量子化学先河美国国家航空航天局的冷原子实验室。资料来源：美国国家航空航天局量子工具已经应用于从手机、全球定位系统到医疗设备的方方面面。未来，它们可以用来加强对包括我们自己的星球在内的行星的研究，帮助解开宇宙之谜，同时加深我们对自然基本规律的理解。这项由地球上的科学家远程完成的新工作在11月16日出版的《自然》（Nature）杂志上做了介绍。这段动画描述了美国国家航空航天局冷原子实验室内使用的六台经过精密调谐的激光器，用于减慢原子速度，降低原子温度。科学家们现在可以利用该实验室来观察不同类型的原子在这种低温下是如何相互作用的。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院有了这项新功能，冷原子实验室现在不仅可以研究单个原子的量子特性，还可以研究量子化学，后者主要研究不同类型的原子在量子态下如何相互作用和相互结合。研究人员将能够利用冷原子实验室进行更广泛的实验，并更多地了解在微重力条件下进行实验的细微差别。这些知识对于利用这一独一无二的设施开发新的天基量子技术至关重要。推进量子化学我们周围的物理世界依赖于原子和分子按照既定规则结合在一起。但不同的规则会因原子和分子所处的环境（如微重力）而起主导或削弱作用。利用冷原子实验室的科学家们正在探索原子的量子特性主导其行为的情景。例如，原子和分子的行为不像固体台球，而更像波。在其中一种情况下，双原子或三原子分子中的原子可以保持结合在一起，但距离却越来越远，几乎就像分子变得蓬松一样。要研究这些状态，科学家首先需要让原子减速。为此，他们需要将原子冷却到比物质所能达到的最低温度高几分之一的温度（见下面的视频），这个温度远远低于自然宇宙中的任何温度：绝对零度，即零下459华氏度（零下273摄氏度）。美国国家航空航天局国际空间站上的冷原子实验室将原子冷却到绝对零度以上十亿分之一的温度，即原子完全停止运动的温度。宇宙中没有任何地方的原子能自然达到这个温度。但科学家是如何完成这一壮举的呢？这是一个分三步进行的过程，首先，科学家用精确调谐的激光击打原子，使其减速。物理学家已经在地面上的冷原子实验中制造出了这种蓬松的分子，但它们极其脆弱，要么很快碎裂，要么又坍缩回正常的分子状态。因此，人们从未对有三个原子的放大分子进行过直接成像。在空间站的微重力环境中，脆弱的分子可以存在更长时间，并有可能变大，因此物理学家们很高兴能开始利用冷原子实验室的新能力进行实验。物理学的新前沿这些类型的分子在自然界中可能并不存在，但它们有可能被用来制造灵敏的探测器，例如可以揭示磁场强度的微妙变化，或任何其他导致它们破裂或坍缩的干扰。美国宇航局南加州喷气推进实验室的杰森-威廉姆斯（JasonWilliams）是冷原子实验室的项目科学家，也是这项新研究的合著者之一。他说："这就像我们发现了一把锤子，而我们才刚刚开始研究使用它的所有方法。"NASA的冷原子实验室让科学家们能够在自由的微重力环境中研究原子的量子本质。了解量子科学如何促进手机和计算机等日常技术的发展，以及冷原子实验室如何为新的突破铺平道路。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院使用含有两种原子的量子气体的一种可能方法是测试一种叫做等效原理的概念，该原理认为，无论物体的质量如何，重力对所有物体的影响都是相同的。许多物理老师都会演示这一原理，将一根羽毛和一个锤子放在密封的真空室中，并证明在没有空气摩擦的情况下，两者下落的速度相同。1971年，阿波罗15号宇航员大卫-斯科特（DavidScott）在月球表面做了这个实验，而不需要真空室。科学家们利用一种名为原子干涉仪的仪器，已经在地球上进行了实验，看看等效原理在原子尺度上是否成立。在空间站的微重力环境中，利用含有两种原子的量子气体和干涉仪，他们可以比在地球上更精确地测试该原理。这样做，他们可能会了解到是否有一点重力不能平等对待所有物质，这表明阿尔伯特-爱因斯坦的广义相对论包含一个可能产生重大影响的小错误。等效原理是广义相对论的一部分，是现代引力物理学的支柱，它描述了行星和星系等大型天体的行为方式。但现代物理学的一个主要谜团是，为什么引力定律似乎与量子物理学定律不一致，而量子物理学定律描述的是原子等小物体的行为。这两个领域的定律在各自的大小范围内被一再证明是正确的，但物理学家却无法将它们统一为对宇宙整体的单一描述。寻找爱因斯坦理论无法解释的万有引力特征是寻找统一方法的途径之一。开发先进传感器科学家们已经有了在冷原子实验室的微重力环境下测试基础物理学的想法。他们还提出了利用双原子干涉仪和量子气体进行高精度重力测量的天基实验，以了解宇宙加速膨胀背后的神秘驱动力--暗能量的性质。他们所学到的知识可能有助于开发应用广泛的精密传感器。这些传感器的质量将取决于科学家们对这些原子在微重力下的行为，包括这些原子之间如何相互作用的了解程度。引入磁场等工具来控制原子，可以使它们像油和水一样相互排斥，或者像蜂蜜一样粘在一起。了解这些相互作用是冷原子实验室的一个关键目标。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1398071.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1398071.htm

超密集量子计算机破局者：1 个锑原子存储 16 个量子态

超密集量子计算机破局者：1个锑原子存储16个量子态通常情况下，1个量子位（qubits）对应1个量子态（quantumstate）。悉尼新南威尔士大学（UNSW）的研究人员证明，锑（Sb）原子可以同时拥有16种量子态。锑原子本身有8个量子态，此外其电子还能额外提供2个量子态，而通过叠加锑原子和锑电子，就能产生总共16种量子态，这就像未来的3DNAND，每个单元可以写入16位数据。https://www.ithome.com/0/751/251.htm