作者:托马斯·迪恩，都柏林三一学院 信用:Pixabay/CC0公共域 都柏林三一学院的物理学家提出了一种基于量子纠缠的温度计，可以精确测量比外层空间温度低十亿倍的温度
这些超低温出现在被称为费米气体的原子云中，这是科学家为了研究物质在极端量子状态下的行为而创造的
这项工作是由三一学院的库赛团队和博士后领导的
马克·米切尔森博士
贾科莫·瓜尔涅利和约翰·古尔德教授，与史蒂夫·坎贝尔教授(UCD)和
托马斯·福格蒂和托马斯·布施教授在日本冲绳OIST工作
他们的研究结果刚刚作为编辑建议发表在著名的杂志《物理评论快报》上
三一集团QuSys的负责人古尔德教授在讨论这项提议时，解释了什么是超冷气体
他说: “物理学家思考气体的标准方式是使用被称为统计力学的理论
这一理论是由19世纪的物理巨人如麦克斯韦和玻尔兹曼发明的
这些人复活了希腊哲学家的一个旧观点，即宏观现象，如压力和温度，可以用原子的微观运动来理解
我们需要记住，在那个时候，物质是由原子构成的观点是革命性的
" 他继续说道:“在20世纪初，另一个理论开花结果
这就是量子力学，它可能是物理学中最重要和最精确的理论
量子力学的一个著名预测是，单个原子获得了类似波的特征，这意味着在临界温度以下，它们可以与其他原子结合成具有奇异特性的单个宏观波
这一预测导致了长达一个世纪的达到临界温度的实验探索
20世纪90年代，随着第一批超冷气体的诞生，人们终于取得了成功，这些气体被激光冷却(1997年诺贝尔奖)，并被强磁场俘获——这一壮举在2001年获得了诺贝尔奖
" 他补充说:“像这样的超冷气体现在已经在世界各地的实验室中被常规制造出来，它们有很多用途，从测试基本物理理论到探测引力波
但是它们的温度低得令人难以置信，在纳米开尔文以下！给你一个想法，一开尔文是-272
15摄氏度
这些气体比那个温度低十亿倍——宇宙中最冷的地方，它们就在地球上产生
" 那么费米气体到底是什么呢？他解释道:“宇宙中的所有粒子，包括原子，都属于两种类型，即‘玻色子’和‘费米子’
费米气体由费米子组成，以物理学家恩利克·费密的名字命名
在非常低的温度下，玻色子和费米子的行为完全不同
玻色子喜欢聚集在一起，而费米子则相反
他们是终极社交距离者！这一特性实际上使得它们的温度很难测量
" 医生
该论文的第一作者马克·米契森解释说:“传统上，超冷气体的温度是从其密度推断出来的:在较低的温度下，原子没有足够的能量分散开，使得气体密度更大
但是费米子总是保持很远的距离，即使在超低温下，所以在某个点上费米气体的密度不能告诉你任何关于温度的信息
相反，我们建议使用不同种类的原子作为探针
假设你有一种由锂原子组成的超冷气体
你现在拿一个不同的原子，比如钾，把它浸入气体中
与周围原子的碰撞改变了钾探针的状态，这让你可以推断温度
从技术上来说，我们的提议包括创造一种量子叠加:一种奇怪的状态，在这种状态下，探针原子同时与气体相互作用，而不与气体相互作用
我们发现这种叠加随时间变化，对温度非常敏感
" 医生
贾科莫·瓜尔涅里给出了如下的类比:“温度计只是一个系统，它的物理性质以一种可预测的方式随温度而变化
例如，你可以通过测量玻璃管中汞的膨胀来测量你的体温
我们的温度计以类似的方式工作，但是我们测量的不是汞，而是与量子气体纠缠(或相关)的单个原子的状态
" UCD的史蒂夫·坎贝尔教授评论道:“这不仅仅是一个遥远的想法——我们在这里提出的建议实际上可以用现代原子物理实验室的技术来实现
这样的基础物理是可以测试的，这真的很神奇
在各种新兴的量子技术中，像我们的温度计这样的量子传感器可能会产生最直接的影响，所以这是一项及时的工作，《物理评论快报》的编辑们为此强调了这一点
" 古尔德教授补充道:“事实上，这篇论文之所以被强调，正是因为我们进行了计算和数值模拟，特别关注几年前在奥地利进行并发表在《科学》杂志上的一项实验
这里的费米气体是一种被捕获的锂原子的稀释气体，锂原子与钾杂质接触
实验学家能够用射频脉冲控制量子态，并测量出气体的信息
这些操作在其他量子技术中经常使用
可及的时标简直是惊人的，在传统的凝聚态物理实验中是前所未有的
我们感到兴奋的是，我们将这些杂质用作精密量子温度计的想法可以用现有技术来实现和测试
"
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