如何打造稳定的量子“泵”？
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研究人员认为，量子阿基米德螺旋泵有望为量子时代提供驱动力。
传说中，希腊数学家Archimedes在古埃及旅行时，偶然发明了阿基米德螺旋泵——一种由空心管和螺丝钉组装而成的旋转抽水器。
《科学》杂志当地时间1月15日报道，美国斯坦福大学物理学家Benjamin Lev领导的团队开发了量子版本的阿基米德螺旋泵。它能够使脆弱的气体原子达到越来越高的能量状态，而不会坍塌。
【 如何打造稳定的量子“泵”？】在这个过程中，研究人员还观察到了“疤痕态”的发展。疤痕态是在混沌的量子系统中极其罕见的粒子轨迹——在系统中，粒子会沿着自身足迹重复运动。这种罕见的状态可以为量子系统中编码的信息提供“庇护所”。
直到最近，研究人员才在量子多体系统中证实了疤痕态的存在。现在，斯坦福大学的实验首次展示了多体量子气体中的疤痕态。
Lev团队开展的实验拓展了人类对量子多体系统各部分热平衡情况的理解。这是一个令人兴奋的研究领域，因为抑制这种“热化”效应是创造稳定量子系统的关键，而稳定的量子系统可以为量子计算机等新技术提供动力。
在新研究中，研究人员试图探索：一种特殊的多体实验系统——超级唐克斯-吉拉多气体（super Tonks-Girardeau gas，简称STGG）经轻微调整后会发生什么。STGG是处于高度激发态的一维量子气体，气体原子之间存在极强吸引力。它们的超常之处在于，理论上讲，即使在极端作用力下，它们也不会坍缩成球状物质。然而，由于实验缺陷，它们实际上还是会坍缩。
Lev等人用强磁性元素镝创造了一种STGG，并改变了它们的磁性方向。他们猜测，也许镝比非磁性气体更能抵抗坍缩现象。Lev说：“与气体中已经存在的相互吸引作用相比，我们能够添加的磁相互作用非常微弱。因此，我们原本认为，系统不会有太大变化。然而，事实恰恰相反。”镝原子气体系统最终转化成了一种稳定的STGG——在吸引条件和排斥条件下翻转原子气体，将系统调整到越来越高的能态，原子都没有坍缩。
虽然新发现目前还无法步入实际应用，但它也许能为即将到来的量子时代提供驱动力。研究人员表示，他们对量子阿基米德螺旋泵的研究才刚刚开始，还有很多问题有待解答，例如：疤痕态的数学方法描述、系统是否会热化以及热化方式等。他们计划测量疤痕态下的原子动量，建立可靠的理论来解释系统能够稳定存在的机制。
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