德國科學家實現原子量子狀態模擬

德國馬普學會量子光學研究所的科學家完成一項實驗，將原子排列在光學柵格點陣中，這些原子通過“精確”的擾動偏離平衡狀態，通過觀測其動力學行為，獲得這些處于光學柵格中相互間有相互作用的單個原子的動力學數據，首次實現固體中相互關聯原子系統的動力學行為模擬研究。

    據科學家們，可將光學柵格想象為由激光形成的裝雞蛋的箱子，它是利用激光形成的一種特殊構造，其中有按照一定周期有規律出現的“凹穴”，在每個“凹穴”中可以“放置”一個原子，尤如在雞蛋箱的每個“凹穴”中放置一枚雞蛋。一旦原子處于這樣的結構中，其行為將與在自然狀態下一致，可以對其進行精確的測量，而這種測量在自然狀態的固體物質中是無法進行的。通過精確測定，可以研究復雜的量子系統如何進入平衡態，溫度是如何出現，典型的量子系統如何隨時間轉變為強相互作用的多粒子系統，系統如何在原子間相互作用下形成平衡狀態，好比可以觀察到原子如何“入睡”的過程。

    科學家們認為，該項研究結果對物理學中古老而又具有重大意義的基礎性問題給出了一些重要的新認識和解答。比如說，可以解釋為什么偏離平衡狀態的系統可以恢復其平衡狀態，物質的物態如溫度等是如何產生的。原子是構成物質的基礎單元，其大小只有千萬分之一毫米，遠小于可見光的波長，肉眼不能觀測到，在固體中這些微小粒子大多數呈有序排列狀態，氣體中則呈無序狀態。不論原子處于什么聚集狀態下，人們在現實中一般僅能見到由大量原子集合構成的宏觀物質。因為在原子尺度上的自然規律是“量子律”，在量子世界起作用的規律與我們日常世界完全不同，從人們的直覺來看是無法解釋并且是佯謬的。例如在量子世界，要指出原子的精確位置，就是沒有意義的事情，再比如宏觀世界非常自然的“溫度”概念，在微觀世界如何解釋就是一件并非簡單的事情，物理基本方程中對溫度并沒有給出定義。因此，人們認為研究單個原子的行為是很難想象甚至是荒唐的，這一首創的實驗將使一情況根本改變。
   
    同時，科學家認為，此項實驗成果可以為研究密集強相互作用多粒子體系提供新手段，形成“量子模擬”的新方法，比傳統的模擬計算法要功能強大很多。目前研究交互作用多粒子體系，通常通過超級計算機進行模擬計算，運行時間長達多個星期，并且已經達到其能力的極限。該項研究在理論分析和超級計算機模擬計算方面得到德國慕尼黑大學和柏林自由大學科學家的支持。