图为鲁道夫·格里姆教授给科技日报记者介绍超冷量子气体研究的实验装置。 本报记者 李山摄

    本报驻德国记者 李 山

    今日视点

    量子的世界究竟是什么样的？玻色—爱因斯坦凝聚等宏观量子态的研究有什么意义？真正的量子计算机离我们还有多远？带着诸如此类的问题和对量子世界的向往，应邀参加量子光学与量子信息研究所（IQOQI）成立十周年庆典的科技日报记者专访了世界上第一个实现分子玻色—爱因斯坦凝聚的鲁道夫·格里姆教授。

    聚焦超冷量子气体

    格里姆是位于茵斯布鲁克的奥地利科学院量子光学与量子信息研究所（IQOQI）的研究负责人，同时兼任茵斯布鲁克大学的教授。作为奥地利最顶尖的科研机构之一，量子光学与量子信息研究所在世界量子物理的理论和试验研究领域都享有盛誉。这其中，格里姆领导的超冷量子气体研究团队功不可没。从玻色—爱因斯坦凝聚到巨型量子三体态，这个科研团队始终走在世界量子物理研究的最前沿。

    1961年出生于德国曼海姆的格里姆先后就读于德国汉诺威大学和瑞士苏黎世联邦理工学院，并在莫斯科做了一年的访问学者。其后他在海德堡马克斯-普朗克核物理研究所做了十年的研究工作，同时任教于海德堡大学。2000年，他受聘成为奥地利茵斯布鲁克大学的终身教授。2003年，在原先的负责人安东·塞林格离开茵斯布鲁克到维也纳任职之后，格里姆教授接任了量子光学与量子信息研究所的研究负责人。

    临近绝对零度时的新的物质状态是格里姆团队研究的中心主题。格里姆介绍说：“粒子云可以被冷却到接近绝对零度（零下273.15摄氏度）。低温冷却剔除了那些热运动强烈的粒子，并带来物质波动特征的充分有效性。当单个粒子波同步时，会产生宏观量子态，如玻色—爱因斯坦凝聚和复杂的多体状态。对这种现象的基本了解开启了关于自然的本质和作用原理的新知识的道路。它也已经证明可以作为新应用的钥匙。”

    格里姆的研究团队是世界上最早用光学方法束缚原子的几个研究团队之一。他们的试验设备很多都与激光有关。格里姆说：“我们工作的基本思路是用超冷原子和分子气体来实现量子现象。这对其他物理领域也有重要的意义。这种对基本交互性和所有其他影响的精确控制也是很显著的成就。”格里姆的研究团队研发了一种新的方法，可以使得原先无法冷却的原子冷凝下来。这种冷却方法以它不寻常的能量变化特性导致了一系列惊人的发现。

    谈到究竟是如何冷却原子的，格里姆和他的助手结合参观实验室给记者作了一个简要的介绍。一个典型的过程是把几百摄氏度的原子蒸汽通过磁光阱逐渐冷却到大约10多个微开尔文；然后再通过拉曼边带冷却，把原子冷却到1个微开尔文左右；接下来再用一个阱把它束缚住；最后把阱的深度渐渐调小，这样所有温度高的、活跃的原子就会飘走，剩下的就是超冷的原子。在格里姆成功完成的实验中超冷原子气体的温度已经被降低到离绝对零度只有百万分之一开尔文。

    量子模拟的广阔天地

    2002年格里姆领导的科研团队在世界上首次成功冷却了铯原子，并实现了铯原子的玻色—爱因斯坦凝聚。玻色—爱因斯坦凝聚是玻色子原子在冷却到绝对零度附近时所呈现出的一种气态的、超流性的物态。在这种状态下，几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。对这些现象的研究可以使得人们对微观世界的运动规律有更加深刻的理解。

    2003年，格里姆领导的研究小组通过把两个接近于玻色—爱因斯坦凝聚的原子变成一个分子，在世界上首次实现了分子的玻色—爱因斯坦凝聚。后来，他们又成功实现了锶元素和铒元素的凝聚。谈到这些成就以及陆续在《自然》和《科学》上发表的多篇文章，格里姆教授说：“它标志着我们的科研团队在这个领域的研究上了一个新台阶。从此之后我们找到了研究的方向，而且至今我们都在不断继续这个方面的研究。”格里姆因此于2005年成为了奥地利科学院院士，并荣获了当年的奥地利维特根斯坦奖，奖金高达150万欧元。

    2014年，格里姆和他的助手在冷原子系统中观测到一种特殊的巨型量子三体态——叶菲莫夫激发态（Efimov态）。这个三体束缚态的尺寸约是氢原子的20万倍。谈到这些最新的研究进展，格里姆说：“应用量子模拟，即通过量子模拟物质的功能，是我们在未来5年内很值得期待的研究方向。例如观察叶菲莫夫模型系统，这通过常规的计算机系统无法模拟。但是现在，我们可以通过量子模拟来观察这个系统的运动。量子气体提供了在受控条件下研究量子机制现象的多样可能性。这使得我们在这些系统中，首次观察到叶菲莫夫规律，以及观察到‘第二声音’现象的证据。”

    量子计算机的未来

    格里姆特别谈到了大学和研究所的互动，以及量子物理研究中理论研究与实验紧密结合的重要性。量子光学与量子信息研究所（IQOQI）由两个部分组成，分别与茵斯布鲁克大学和维也纳大学紧密合作。格里姆说：“我们致力于现代量子物理研究，总的来说可以分为两个主要的研究方向。茵斯布鲁克主要研究量子信息，这个方向侧重于发展量子计算机的基础理论，量子计算机应用的实现和进一步的研究。而维也纳的研究所则主要做光子方面的研究，方向是量子信息的网络传输系统。”

    对于量子计算机的发展现状和未来，格里姆说：“许多概念在理论上是成立的，我们研究所关于量子计算机原型的研究在世界范围内都是领先的。我们现在能做到大约20个量子比特。此外，还成功实现了简单的量子逻辑门，以及可以纠错的量子寄存器。不过，这些量子计算机原型要走向实用至少要5年以后，或许需要10年甚至更长的时间。”

    格里姆进一步解释说：“技术在向前进步，将来还会有新的概念和系统，我们很高兴能够在量子计算机的基础研究方面做出一些贡献。对于工程师来说，一个工程必须有具体的时间表，什么时间能够达到什么目标，什么时候产品能够上市。但对于基础性研究而言，我们没法做这样精确的规划。但我想有一点可能是明确的，当未来量子计算机，或者量子信息系统真正实现并投入使用的时候，不管它们最终会是什么样子，其中一个系统的设计，从原理到部件将会最先在茵斯布鲁克出现。”（科技日报柏林11月15日电）