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我聽說過量子骰子、量子撲克、量子輪盤賭，甚至量子俄羅斯輪盤賭，但量子賽馬？我去年12月在新加坡量子技術中心舉行的研討會上了解到了這種超現實的碰運氣遊戲。從一排銣原子開始，下注，放開它們，並在稍後測量它們的位置。原子不是像奔馬一樣疾馳，而是像液體一樣滲出：它們的量子波函式開始時是尖峰，然後橫向擴散。事實上，它們從起跑門的兩個方向滲出。“由於這些是量子馬，它們可以同時朝兩個方向跑，”德國實驗物理學家伊曼紐爾·布洛赫說。（觀看他的動畫或完整演講。）
讓我驚歎的不是量子怪異，我們現在都應該習慣了，而是我們在這裡談論的是單個原子。原子。在過去（1990年之前），物理學家擔心量子不確定性可能會阻礙在此尺度上操縱物質的嘗試。即使是理查德·費曼在1959年的著名奈米技術講座中也設想原子工藝只能“最終在遙遠的未來”實現。今天，實驗主義者觀察原子、戳原子、探測原子。原子的量子性並沒有成為障礙，反而成為了一種優勢。布洛赫的賽馬有一個嚴肅的目的，那就是證明單個原子可以在量子計算機中儲存和處理資料。
困難的部分與其說原子很小，不如說它們不會停留在原地並且會聚集在一起。布洛赫的團隊和其他人透過將它們冷卻到納開爾文的溫度，並將它們倒入光學晶格中來馴服它們，根據你詩意的想法，你可能會稱之為光學雞蛋盒或光晶體。它由重疊和干涉的雷射束組成，形成明暗點的固定網格。光施加電磁力，將原子擰入這些點（通常是亮點）並將其固定在那裡。原子之間的間距約為 400 奈米，因此它們的密度達到每立方厘米約 100 萬億個原子，這對於每立方厘米來說是很多的原子，但仍然只有室溫和壓力下氫氣密度的約十萬分之一。因此，這些系統讓物理學家探索他們很少進入的領域，一個寒冷、稀疏的領域，量子是至高無上的。
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特別是，實驗主義者正在探索材料物理學（物理學家稱之為凝聚態）中的核心問題：物質如何在不同相之間轉變。被晶格囚禁的原子聚集體可以像冰塊一樣融化，只是這種轉變是由於能量的重新平衡而不是溫度或壓力的變化而引起的。
原子的能量既是動能（它們透過量子隧穿過程從一個位置跳到另一個位置），又是相互作用（它們相互排斥）。當雷射強度較低時，捕獲原子的電磁力較弱，因此動能占主導地位，原子可以自由活動。它們不再將一個位置稱為家，而是像液體一樣流到各處，一致地作為一個巨大的量子波行動，這是一種被稱為超流體的物質狀態。當雷射強度很強時，相互作用能量占主導地位。原子彼此保持一段距離，並被限制在網格上的特定位置，這是一種被稱為莫特絕緣體的物質狀態。十年前，布洛赫和他的同事逐漸調高雷射強度，觀察從超流體到絕緣體的轉變。
這種微調系統的能力也讓物理學家能夠拍攝單個原子的照片。首先，調高相互作用能量，使原子彼此分開。然後，用它們吸收並重新發射的光照亮它們。透過光學顯微鏡，你可以看到原子發出熒光。如果它們的整體密度足夠低，則每個點都是單個原子。
類似的程式可以逐個控制原子。首先，將雷射束照射到你想要搗鼓的原子上；這會改變它的能級，使其容易受到微波輻射的影響。然後，發射微波脈衝來翻轉原子的自旋。布洛赫的團隊已經應用這種技術來建立世界上最小的畫素顯示器（見圖）。原子保持在原位，因此這種方法不同於IBM科學家二十年前用來建立世界上最小的企業標誌的納米雕塑。像賽馬一樣，奈米藝術是構建量子計算機的練習。
你還可以做各種其他有趣的實驗。去年，布洛赫的團隊跟蹤了絕緣體-超流體轉變，並表明該系統經歷了一個“隱藏的”物質狀態，這是一種傳統的理論無法捕捉到的微妙圖案排列。理論家們已經借鑑了弦論的想法來幫助解釋這些轉變。最近，該團隊一直在玩希格斯機制。對於大多數物理愛好者來說，“希格斯”這個名字會讓人想起粒子物理學家可能最終即將發現的玻色子。但這個概念實際上起源於凝聚態：它解釋了為什麼電磁力不能在超導體中自由傳播。（事實上，粒子物理希格斯是一種超導體，其中弱核力不能自由傳播。）布洛赫的團隊在其簡化系統中開啟了希格斯機制。“玻色子”是原子的集體振動。
另一項實驗觸及了一個基本問題，即什麼決定了世界中事件的速度。相對論設定了速度的最終限制，即光速，但在實踐中，該限制通常要低得多。是什麼設定了它？事實證明，量子力學具有自我監管的傾向，即利勃-羅賓遜邊界。布洛赫和他的同事首次觀察到了它。他們從絕緣體開始，調高相互作用能量，並觀察原子開始自組織。一股活動波以兩倍於聲速的速度在系統中傳播。控制速度的原因是原子沒有被動地在波浪上滾動，而是積極地為其做出了貢獻。一些量子引力理論家推測，光速代表著某些底層量子系統的利勃-羅賓遜邊界，從中湧現出空間和時間。
對我來說，原子喧囂暗示了賽馬隱喻的另一種含義。對於有抱負的奈米工程師來說，原子不是微小的螺母和螺栓。它們就像動物一樣，有自己的思想。你不是把它們擰在一起，而是哄著它們。如果你設定正確的條件，它們會為你完成所有工作。它們不是被動的，而是一種能夠創造出你可能永遠不會期望的事物的創造力。
圖片由馬克斯·普朗克量子光學研究所的伊曼紐爾·布洛赫、克里斯托夫·魏滕貝格和彼得·肖提供