2025墨子量子獎得主：宇宙中最冷的原子，如何實現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，如何實現費曼的量子模擬器之夢”的前沿講座。本文根據現場內容整理而成。

2025年是“國際量子科學與技術年”，也是現代量子力學誕生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律與作用力，本質是打造“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的性質和演變（如材料的性質）。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。

量子復雜性與量子物理

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

德布羅意與薛定諤提出物質也具有波動性，但宏觀物體（如足球）的物質波長極短，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——這一現象只能用疊加態解釋，顛覆了經典物理的認知。

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

面對經典計算機無法處理多體量子系統的困境，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生宏觀推力。利用類似原理，從多個方向照射激光，并調節激光頻率，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。

目前已實現數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。且系統規模越大，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+計數器”——通過計數振蕩次數定義時間（如1秒=特定次數的振蕩）。

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，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，振蕩穩定性極高，精度遠超傳統銫原子鐘。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“太空時鐘網絡”——如中國科大科研團隊計劃3年內發射首顆搭載該時鐘的衛星，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，實現了薛定諤眼中的“不可能”。 量子研究是全球性科學事業，未來可以通過緊密的國際合作，繼續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