心心念念的涡旋实验，已被中国超冷原子科学团队成功实现！中国科学家在超冷原子量子模拟领域取得重大突破！据报道，中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室潘建伟及其同事苑震生、陈宇翱等在国际上首次实现了对光晶格中超冷原子自旋比特纠缠态的产生、操控和探测，向基于超冷原子的可扩展量子计算和量子模拟迈出了重要一步。
近日，国际权威学术期刊《自然•物理学》在8月发表的这一期上以研究长文的形式报道了这项重要研究成果。该研究工作得到了科技部、自然科学基金委、中科院、教育部等单位的支持。
外行的吃瓜群众们看到这样一则满是科学术语的爆炸式科技新闻，除了能从字里行间体会到“厉害了我的科学家们”之外，剩下的似乎只有凌乱在风中的八脸懵逼。。。冷外行看热闹，内行看门道。
事实上，在这篇文章发表之前，就已经得到了多位诺贝尔奖获得者和业内大咖的赞赏。大家最熟悉的生活大爆炸里的Sheldon，对于“超流体涡旋实验”——量子物理里的“精英领域”，一直以来也是格外重视。然而，令Sheldon和大爆炸编剧没有想到是，就在这个月，“超流体涡旋实验”的大门已经被中国的科学家打开了！
中国科学技术大学上海研究院潘建伟及其同事陈宇翱、姚星灿等在国际上首次实现了一种全新的量子物态——质量不平衡的玻色-费米双超流体，并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色-费米量子涡旋晶格。看不懂？没关系！就在实验成功的前不久，团队成员之一的陈宇翱教授，专程来到我们SELF讲坛，从他所研究的冷原子领域为大家讲述了量子计算及其相关的科学原理。让我们先认识下这位震惊世界的大咖吧！
陈宇翱中国科学技术大学近代物理系教授。2013年欧洲物理学会授予2013年度“菲涅尔奖”，以表彰他在光子、冷原子量子操纵和量子信息、量子模拟等领域的杰出贡献。聊聊温度首先从温度讲起。温度的国际标准单位是开尔文，跟我们通常用的摄氏度只差了273.15。太阳表面的温度大概是6000K左右或者6000摄氏度左右，基本上已经可以汽化地球上所有的物质。
但其实比我们平时喝的开水温度只高了大概20倍左右，不到两个数量级，一个数量级。而目前已知的自然界最冷的温度就是液氦，大概4K左右，跟太阳表面也只差了三个数量级。
而冷原子的冷，还在液氦的一万倍以下，在10-4K往下开始。它有趣的地方在哪？当这个温度开始往下，原子就不能再考虑为一个粒子，而必须得考虑它的波动性质了。继续往下冷，就可以冷到，科学界或者原子界的里程碑——玻色·爱因斯坦凝聚。
什么是玻色·爱因斯坦凝聚？空气分子都特别小，原子与原子之间的距离都特别大。传统的统计理论里，每个分子都可以冠名，张三、李四，每个原子都不一样。比如一个报告厅里面，每个人都有各自的名字和身份证。如果前排两个人交换一下座位，对报告厅的整个体系来讲，状态是改变了。随着原子运动速度越来越慢，越来越冷，慢慢展现出它的波动的性质出来。
形象地比喻来说就是原子变得越来越胖，当它本身的波长和它的距离相近的时候，继续冷下去，就变成了你中有我，我中有你，所有的原子变成了一个量子态。比如报告厅内的人，空调越开越冷，每个人越来越胖，大家互相之间就要开始碰到了。如果每个人都膨胀到像报告厅那么大的时候，每个人都是你中有我，我中有你，区分不清楚了。那这样的话两个人再换一下座位，对外界来说看不出任何的区别。这就是玻色·爱因斯坦凝聚。
玻色·爱因斯坦凝聚是如何发现的？1924年以前，理想气体的统计符合的是玻尔兹曼统计。玻尔兹曼提出自己的统计理论之后，对整个理想气体的分子运动等进行了完美的解释），其中一个基本的概念就是对原子可以进行区分。但是有个印度的科学家玻色，在研究光子统计的时候发现了不一样的现象。他认为在微观粒子来说，各个原子不可区分。
他写了一个关于光子的统计，发给了各个杂志，但是处处碰壁，因为这个某种意义上来说真的是挑战权威，而他作为一个连博士学位也没有拿到的屌丝科学家，得不到任何的认可。但他也很执着，一怒之下把论文寄给了爱因斯坦。当时爱因斯坦已经是高富帅了。爱因斯坦一看这个论文就特别激动，马上翻译成了德语，在德国的杂志上发表了。八天之后，爱因斯坦在玻色的基础上提出了理想气体的量子理论，因为玻色只是关于光子的统计。
1925年，他继续在这个基础上预言了玻色·爱因斯坦凝聚的现象。后来为了纪念，管这个凝聚叫做玻色·爱因斯坦凝聚。玻色·爱因斯坦凝聚如何应用到电子运动领域呢？电子运动本身很简单：电子在格点上可以转，旁边有空的格点就可以从这边移到那边去，互相之间可以交换。1963年提出Hubbard模型就描述了这种非常简单的运动。但是问题在哪？问题在，这么简单的一个模型，这么美的一个方程式，它解不出来。
解析解是没有的，为了要解数值解，所需要的计算资源跟粒子数是呈指数增长。指数增长是一个什么概念呢？越到后面越疯狂递增，两倍两倍往上涨，将会是非常大的一个数字。具体来讲，我们现在的超算第一名，已经超过了天河二号的神威太湖之光，它所能处理的也就大概45个电子的运动。我们每个人的智能手机，它大概能处理25个，也就比神威少了20个。
如果我们想要模拟300个电子运动，它所需要的存储空间就是2300，这个数字已经超过了目前我们已知宇宙的原子数总和。而我们真的想要研究电子运动，实际上要考虑的是成千上万、可能几十亿个，远不止这个数字。
费曼利用冷原子模拟电子系统如何解决这一问题呢？费曼提出来，自然界不是经典的，想要模拟自然界实在太难。最好把计算机给量子化。他首次提出了量子计算与量子模拟的概念。什么意思？
相当于用一个可控的量子体系，即原子体系来模拟电子的体系。这里的模拟是什么意思？当年苏联开发无人战机时进行飞机测试，飞上去有问题就坠毁了，测试了几次成本太巨大。每架飞机都是好几亿美金，老坠毁苏联政府也受不了，因此把当时的皇家科学院所有的院士都召集起来解决这个问题。他们讨论了几天之后，一个数学家在一个纸上写了个公式画了个图，按照这个建一个模型，以后飞机就不用非得上天测试了，这个就是测试飞机的“风洞”。
费曼提出的这个机制，某种意义上就是给电子建造一个风洞。而用什么？用的就是冷原子。当原子进入到玻色·爱因斯坦凝聚之后，每个原子都一样了。这个情况下，原子在格点上的行为跟电子一模一样。所以说，利用冷原子做一个最简的电子可控模型，使计算能力得到重大的突破。
当我们能够操纵50个原子的时候，现在就已经能超越神威太湖之光的计算能力了。冷原子怎样获取呢？
激光冷却在火车站接人时，都有过这样的感受：火车开过来和离开的时候，听到的声音是不一样的，这个就叫多普勒效应。迎面而来的频率和离开而走的频率是不一样的。那么，调节光和原子，使得光只会对迎面而来的原子起作用，后面来的光就直接穿过去，不会挡它了。这样的话如果在每个方向都打光，原子往这个方向跑，那么光就像划一个如来神掌一样：你给我滚回去，就把它给冷下来了。
实际上光本身也不强，但是它最大的加速度能够达到重力加速度的负一万倍，能够在很快的时间内把原子从室温冷到最小的温度，大概10μK。蒸发冷却但是这个温度还不够！10μK离玻色·爱因斯坦凝聚还差了几个数量级。进一步冷却的话还有一个非常妙的主意叫蒸发冷却。蒸发冷却就像我们喝咖啡、喝水的时候，吹一吹让水蒸气跑掉，慢慢就冷下来了。那么在原子里面怎么弄？
原子始终会有个速度分布，有些热的，有些是冷的，热的始终在边缘处，比较容易逃逸，冷的在下面。想办法把这个碗慢慢放小，使得热原子容易逃逸的那部分就跑了，剩下的原子温度会重新分布，分布下来就慢慢的冷了。现在这个原理最直接的应用就是目前现在的高温超导，而如果能够实现室温超导的话，上海的磁悬浮就不用亏本运营了，上海到北京或许只要半个小时就可以到达。
虽然听起来还十分遥远，但人类探索科学、前往极限的脚步永不停歇，人类的活力与生命力就永葆希望。视频最后，陈老师还为我们现场演示了来自中国科学院实验室的独家实验操作和实验环境！想要一睹中科院的大咖们是如何做实验搞科研的吗？戳开视频，长知识吧！点击上方“公众号”可订阅哦！