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光晶格钟（OLCs）是世界上最精准的原子钟之一。其最大的不确定来源是普遍存在的黑体辐射（BBR）。现在，科罗拉多州国家标准与技术研究院的优素福·哈桑及其同事展示了一种带有辐射屏蔽的低温光晶格钟，几乎消除了与黑体辐射相关的不确定性。研究人员预计，这种光晶格钟设计将大幅提升时钟精度。

在光晶格钟中，数百到数万个原子排列在由激光束形成的一维晶格中。另一束频率可调的（时钟）光束随后将原子激发到特定的量子态。使原子跃迁数量最大化的时钟光束频率，定义了光晶格钟的 “滴答速率”。黑体辐射会干扰原子的量子态，降低光晶格钟的精度。

哈桑及其同事通过将原子周围环境冷却至77K来抑制黑体辐射，尽管低温光晶格钟并非新事物。但阻挡外部室温黑体辐射颇具挑战，因为实验腔需要开口来加载原子并发射激光束。

该团队设计的辐射屏蔽有两个主要部分，一个固定的外部结构和一个可旋转的内球。在准备原子时，内球的几个开口与外部结构的窗口和开口对齐。但在开启时钟光束之前，内球旋转以阻挡几乎所有外部室温黑体辐射。仍有一些外部黑体辐射通过内球相对两侧的两个窗口泄漏，这两个窗口对于晶格和时钟光束是必要的。然而，窗口尺寸小且玻璃的低红外传输率，使得外部黑体辐射抑制到无屏蔽时的约百万分之一。

许多量子技术需要在不同组件之间传输微波信号。然而，特定组件通常仅能在特定有限频率范围内发送和接收信号。尽管可通过添加将微波信号从一个频率转换为另一个频率的设备来解决此问题，但此类设备在转换带宽或效率方面往往受限。如今，耶鲁大学的吴宇峰及其同事展示了一种在宽频率范围内具备高转换效率的设备。

该设备由在硅衬底上的超导材料氮化铌薄膜上形成图案的微观电路构成。该电路具有一系列精确设计的发夹状回路。在这些回路中，给定频率的微波信号与强微波脉冲混合，产生不同频率的信号。通过向电路施加磁场并调整磁场强度，可对这种频率偏移进行调谐。

吴宇峰及其同事报告称，他们的设备能在4.85至8.5 GHz的频率范围内运行，转换效率在80% 至100% 之间。关键的是，转换过程给微波信号增加的噪声极少，并保留了信号脆弱的量子特性。研究人员表示，该设备的通用性有助于科学家提高众多在微波频率下运行的量子网络和量子信息处理器的效率与集成度。

为深入理解量子物质，研究人员需在微观层面进行探测。超冷原子，即冷却至接近绝对零度的原子集合，为探索集体量子现象提供了极为纯净且可控的平台。在过去二十年里，研究人员一直寻求进行原位 “快照”，使每个原子在位置上，必要时在自旋上都能被单独分辨。近期进展已将这一设想变为现实，并显著加快了我们对集体量子行为的理解。然而，一个重要挑战依然存在：在许多情况下，粒子间的典型间距小于传统光学成像的分辨率极限。如今，德国海德堡大学的塞利姆·约希姆及其团队引入了一种方法，通过在成像前使系统 “自我放大” 来克服这一障碍 。该方法对于将超冷原子用作复杂量子现象（从超固态到拓扑相关态）的模拟器而言，可能是一大助力。

分辨量子气体中的每个原子，并非指在真正的原子尺度（通常为几埃，这即便并非不可能，也是极具挑战性的任务）上进行成像，而是在小于典型粒子间距的尺度上成像。在许多超冷原子系统中，这种间距约为0.5 – 1微米，这一范围很理想，原因有二。其一，探测此类尺度所需的分辨率，可通过可见光或近红外光实现，这也是日常相机和生物显微镜所使用的波长范围。其二，量子模拟器中的原子在该范围内存在光学跃迁，意味着激光可改变其状态并使其荧光（或发光）。粒子间距与原子跃迁波长及光学分辨率的匹配并非偶然，而是源于实现对这些系统微观观测的精心策略。

研究原子多体系统的一项重大突破，是光学晶格中量子气体显微镜的出现 。光学晶格是周期性的 “蛋盒” 状光结构，可将原子捕获在明确的位置，模拟晶体中的电子。最近，类似技术已应用于连续体中的原子（见观点：瞥见均匀气体的量子行为），在这种情况下，粒子可自由移动，而非在晶格位置间跳跃。然而，原子间距与光学分辨率的这种理想匹配并非总能实现。成像限制可能会降低分辨率。例如，仪器的几何限制可能妨碍使用最佳光学系统，或者系统本身可能过于密集，原子间距远小于一微米。

在此背景下，约希姆及其同事取得了显著进展：一种能促使系统在成像前自我放大50倍以上的技术，从而克服了成像系统的光学分辨率限制和高密度挑战。这使他们能够拍摄放大后系统的单原子分辨图像。

该团队使用了被限制在一个平面内的超冷锂 – 6原子。在该平面内，原子被束缚在一个谐波势阱中，即一个完美的抛物线形势阱。为便于理解，我们暂时跳出量子世界，进入经典世界，并仅考虑单个空间维度的运动。在这个经典类比中，处于谐波势阱中的粒子在两个转折点之间进行完美规则、无阻尼的振荡，就像一个无摩擦的秋千来回摆动。

为使系统 “自我放大”，研究人员使用了精确计时的一系列实验步骤。首先，他们采用超冷原子实验中常用的技术，突然 “关闭” 粒子间的任何相互作用，以便原子在后续步骤中不会相互干扰。然后，他们让原子在相对紧密的势阱中自由演化四分之一振荡周期，这在秋千类比中，相当于从最高点荡到最低点。此时，他们将原子转移到一个浅得多的谐波势阱中，就好像秋千的链条突然变长，然后让原子再演化一段可控时间。在理想的谐波系统中，这一序列会产生粒子分布，粒子位置相对于势阱中心有精确的缩放（图1）。放大倍数由两个势阱的振荡周期和最终演化时间决定。在这一序列结束时，可以拍摄放大后空间分布的图像，使用已有的光学技术分辨每个原子，同时也能确定其自旋。

现在回到量子领域，一个重要区别出现了：在量子力学中，粒子不会从明确的初始位置追踪明确的轨迹。相反，实验序列会放大整个波函数。最终图像则代表缩放后量子态的一个实现。可以证明，这个实现具有与经典模型预测相同的缩放因子。

虽然在经典和量子情况下，其背后的数学原理都很直接，但在实验室中实施该方法需要格外小心。序列中每个瞬间的系统大小必须选择为匹配光学限制，谐波势必须近乎完美，势阱修改的时间必须精确控制。约希姆及其同事通过在越来越复杂的环境中应用他们的方法，展示了这种控制水平：从单个原子，到六个非相互作用原子，到一对相互作用原子（一个自旋向上，另一个自旋向下），最后到六个自旋向上原子与六个自旋向下原子相互作用。在此过程中，研究人员还提供了一个基准测试协议，以验证放大器的可靠性。

原则上，这种方法可应用于包含许多粒子的系统。特别引人注目的应用在于研究展现出诸如超固态 和自束缚量子液滴 等迷人现象的量子系统。近年来，这些状态已在多个实验中被观测到，目前正使用由超冷偶极分子构成的类似系统进行探索 ，超冷偶极分子是一个越来越有吸引力的量子模拟平台 。此处引入的波函数放大器，对于了解此类状态的微观结构可能至关重要，因为在这些状态中，粒子间距仅约为0.1微米。

约45亿年前 ，一颗火星大小的行星撞击地球 。这次撞击重塑了地球 ，创造了月球 ，并使两者变成旋转的熔融岩石球体 。10亿年后 ，地球和月球各自形成了坚实的地壳和磁场 。尽管月球的磁场早已消失 ，但地球的磁场仍保持着原始强度 。几十年前就已认识到地球磁场长久存在的大致原因 。然而 ，由于驱动地球发电机的液态地核搅动过于剧烈 ，其过去 、现在和未来的详细模型仍难以捉摸 。现在 ，中国南方科技大学的林雨峰及其合作者利用2500个CPU年的计算机时间 ，模拟了10 – 15亿年前地球内核开始凝固之前的地球发电机 。模拟产生的磁场结构与从古代岩石推断出的结构一致 ，解开了年轻地球如何维持发电机的谜团 。

要拥有发电机 ，行星必须有导电的液态内核以及搅动它的方式 。对于地球而言 ，搅动由地核的热能和地核中放射性元素的衰变提供动力 。搅动本身可来自两种对流源 。在围绕液态外核的地幔底部 ，岩浆中的氧 、硅和其他轻元素减少 。岩浆从地幔脱离并沉入外核 。在内核上方 ，不断结晶的铁镍混合物排出较轻元素 ，这些元素通过外核向上漂浮 。

地球物理学家通过磁雷诺数（Rm）的值来量化发电机持续或消失的程度 ，磁雷诺数定义为电流消散所需时间与液态地核循环所需时间的比率 。如果Rm超过40 ，发电机就是可持续的 。地球的Rm估计约为1000 ，这与长期存在的发电机预期相符 。另一个关键参数是埃克曼数（Ek） ，即粘性力与科里奥利力的比率 。地球液态地核的Ek估计约为10⁻¹⁵ 。极低的值反映了熔融金属的低粘度 ，这使得流体高度湍流 ，因此建模难度很大 。

对古老岩石的测量和地球热历史模型表明 ，在内核开始凝固之前很久 ，地球就有了发电机 。然而 ，发电机模拟通常假设存在固态内核 ，部分原因是它是对流搅动的来源 。为了重现年轻地球的发电机 ，林雨峰及其合作者将地核建模为包含在旋转球体中的液体 ，这一选择需要解决一些数学奇点（否则在零半径处导数会发散） 。他们模型中所需的搅动源于跨越球体 – 地幔边界施加的温度梯度 。他们使用纳维 – 斯托克斯方程和麦克斯韦方程来描述系统的磁流体动力学 。

模拟的发电机很快建立起来并稳定在磁雷诺数为500的状态 。林雨峰及其合作者在三个不同的埃克曼数（Ek）值下进行模拟 ：10⁻⁶ 、10⁻⁷和10⁻⁸ ，最后一个是任何模拟所达到的最小Ek值 。尽管10⁻⁸比真实值大7个数量级 ，但研究人员发现 ，发电机的磁能 、动能 、磁雷诺数和其他量已经不再依赖于Ek 。这一发现让建模者松了一口气 ，因为这表明无需花费宝贵的计算能力来应对液态地核极低的粘度 。

林雨峰及其合作者利用他们的模型生成了地球表面磁场图 。模拟场的强度和形态变化与从太古代（地球生命最早的时代）岩石测量推断出的变化相似 。令人惊讶的是 ，模拟图也与CHAOS – 7生成的图相似 ，CHAOS – 7是一个结合了天基和地基测量的地球当前磁场的地磁场模型 。

模拟的过去与测量的现在之间的相似性是否意味着维持地球发电机不需要内核呢 ？林雨峰说 ，不一定 。有充分证据表明 ，内核凝固产生的浮力有助于驱动现今的磁场 。但是 ，内核的加入将容纳熔融金属的容器从球体变成了壳 。他说 ：“我们所展示的是 ，只要有足够的能量来源驱动地核中的对流 ，几何形状可能不像以前认为的那么重要 。”

哈佛大学地球物理学家杰里米·布洛克斯汉姆说 ：“我觉得这篇论文在两个方面都极其重要 。”他指出 ，这项工作提供了数值证据 ，支持了从古地磁数据得出的观点 ，即在内核出现之前很久 ，地球的磁场就与今天的磁场非常相似 。他还说 ：“此外 ，数值计算——实现小粘度的渐近状态——是向前迈出的一大步 。”

在量子多体物理学领域 ，研究人员传统上会提出一个特定问题 ：给定一个特定的相互作用粒子系统 ，会出现哪些量子相 ？但在过去几年 ，注意力开始转向反向问题 ：给定一个特定的量子相 ，哪些系统能产生它 ？如今 ，德国斯图加特大学的尼古拉·朗及其同事在回答该问题上取得了进展 。在他们的理论工作中 ，展示了如何将简单原子系统诱导至预定的拓扑有序量子相 ，这是一种在量子计算中有潜在应用的奇异状态 。

研究人员考虑了原子阵列 ，其中每个原子都能自由放置 、精确控制 ，并经受实验上可行的两体相互作用 。具体而言 ，团队聚焦于二维和三维阵列 ，其中每个原子可以处于基态或激发态 。这些原子通过一种所谓的阻塞机制相互作用 ：当一个原子被激发时 ，它与附近原子的强范德华相互作用会使这些原子的能级发生足够偏移 ，从而阻止它们也被激发 。基态和激发态之间的均匀 、相干耦合使原子展现出量子动力学 。

作为示例 ，研究人员展示了这样的设置如何用于实现一种特定的 、备受追捧的拓扑有序量子相 ，即托里码 。他们考虑了一个二维原子阵列 ，并引入了一种特定对称性 ，使基态呈现出托里码 。研究人员指出 ，虽然该平台是理想化的 ，但仅依赖于物理上可实现的相互作用 ，这一因素可能有助于未来的实验实现 。

北极海冰通过反射太阳光线，在调节地球气候方面发挥着重要作用。然而，如今的气候模型对海冰减少的预测差异很大。研究人员现已捕捉到一个此前模型中缺失的物理过程：海冰的物质结构如何随时间演变。他们的实验室实验表明，年轻海冰排出的盐分，会随着时间降低其孔隙率，这反过来又影响流体流动、热传递以及其他影响海冰融化的过程。

全球气候模型的预测能力，取决于其对可能影响更大尺度大气和海洋的小尺度过程的准确呈现。海冰变化就是这样一种小尺度输入。漂浮的冰块反射阳光，使海洋吸收的太阳能量减少。但在恶性循环中，融化的冰暴露出更多海洋，进而吸收更多热量，导致更多融化。融化速度取决于包括盐度和孔隙率在内的多个因素。但气候模型缺乏对这些过程如何相互关联的机制性描述。中国清华大学的王峰表示：“这就是为什么详细了解冰与盐水流动的相互作用如此重要。”

已知海冰在冻结时会失去盐分，导致密度更大、盐度更高的水占据年轻冰层中的小孔（或孔隙），这一过程称为排盐。实验室研究已探索了排盐对冰结构和孔隙形成的影响，但这些早期实验通常持续不到一周。王峰及其同事设计了一个持续近一个月的实验，并专注于盐度变化。王峰说：“这一前所未有的时长，使我们能够解析控制冰孔隙率缓慢演变的盐分扩散时间尺度。”

研究人员从一个24×12×6立方厘米的矩形水箱开始，水箱中充满盐度接近海水的盐溶液。水箱设有热控侧壁：左侧壁保持在冰点以下的温度，而右侧壁保持在恒定的冰点以上温度。这种配置立即建立了一个对流电流，将温暖的流体输送到冷壁，在那里形成冰层。摄像头和盐度探头持续监测冻结过程。

通过关联冰形态、盐度和孔隙率的同步测量，研究人员重建了冰层的完整生命周期。在相对快速的结冰阶段（在前三天发生）之后，王峰及其同事预计系统会稳定下来 “就那样保持”。但在接下来的两周里，团队观察到冰层形状发生变化，同时平均厚度保持不变。随着周围液体盐度增加，冰也明显变得更透明 —— 孔隙更少，这使研究人员怀疑冰的演变取决于脱盐。

为了更好地理解这种演变，研究人员首先对冰内单个充满盐水的孔隙的运动进行建模。由于冰内存在温度梯度，孔隙一侧比另一侧更冷。盐水在较冷的一侧冻结，增加了冻结前沿附近的盐度。然后盐向较热的一侧扩散，导致那里融化。这驱使孔隙缓慢向较热区域迁移，最终到达冰边缘，孔隙中的盐水被排入周围水中。研究人员称，通过扩散的孔隙迁移是海冰老化背后的主要机制。为了进一步研究冰的最终形态，团队进行了计算机模拟，结果表明水箱中的冰最终表现为一层致密的冰层，没有充满盐水的孔隙。

维也纳技术大学专门研究多相流体流动的物理学家迭戈·佩里苏蒂表示，这项工作 “填补了一个研究空白”，有助于理解盐度如何影响冰微观结构的长期演变。他对该模型的简单性及其 “相当准确地捕捉系统关键特征” 的能力印象深刻，这对大规模气候模型可能有用。佩里苏蒂说，孔隙较少的冰融化速度应该较慢，但现在说这些结果对海冰和气候预测可能有什么影响还为时过早。

王峰说，虽然海冰孔隙率可能在长时间尺度上下降，但自然环境还受到许多其他过程的影响。他补充说，未来的工作应专注于能够对多孔冰内部流动与下方对流流体之间的耦合动力学进行建模的数值模型。

引力究竟是量子的还是经典的？这一根本性问题在一些桌面实验的提案中得到探讨，这些实验旨在探寻引力诱导的量子效应。但即便观察到了这些效应，也有可能无需借助引力场的量子描述来加以解释。如今，来自维也纳量子光学与量子信息研究所（IQOQI Vienna）的陈林青以及苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的弗拉米尼亚·贾科米尼（Flaminia Giacomini）利用一种低能量子引力模型，设计出一种实验方案，有望对引力场的量子特性进行探测。

测试引力量子本质的一种方法是，将一个小质量物体置于两个位置（比如 “左” 和 “右”）的量子叠加态中，就如同该物体通过某种双缝装置所产生的结果。把这个处于双位置的物体靠近另一个同样处于双位置的物体，它们之间会产生引力相互作用，这有可能揭示出量子关联，即所谓的引力诱导纠缠。

然而，即便引力场是经典的，预测中的关联也有可能出现。为设计出一个真正有效的测试，陈和贾科米尼提议从一个线性化的量子引力模型入手，这是一种低能量近似，有望与其他理论（如弦理论和圈量子引力理论）保持一致。在这个量子引力框架内，研究人员设想有两个 “离域” 的测试物体，也就是说，它们可能的位置分布在一定范围内，而非局限于两个特定位置。在这种情况下，研究人员发现两种效应，即在关联信号中出现的额外特征，只有当引力场是量子化的而非经典的时候才会出现。研究人员承认这类实验极具挑战性，但已有几个研究小组正朝着这个方向努力。

迈克尔·施尔伯（Michael Schirber）是《物理杂志》（Physics Magazine）驻法国里昂的通讯编辑。

参考文献：
陈林青（L.-Q. Chen）和弗拉米尼亚·贾科米尼（F. Giacomini），“来自离域量子源的超越牛顿势的引力量子效应”，《物理评论X》（Phys. Rev. X）第15卷，031063（2025年）。