量子物理学需要高精度传感技术来深入研究材料的微观特性。从最近出现的模拟量子处理器来看，量子气体显微镜已被证明是在原子水平上理解量子系统的强大工具。这些设备产生具有非常高分辨率的量子气体图像：它们允许检测单个原子。

现在，ICFO研究人员(西班牙巴塞罗那)SandraBuob、JonatanHöschele、VasiliyMakhalov博士和AntonioRubio-Abadal博士在ICFOLeticiaTarruell的ICREA教授的带领下，解释了他们如何建造自己的量子气体显微镜，名为QUIONE以希腊雪女神命名。该小组的量子气体显微镜是世界上唯一对锶量子气体的单个原子进行成像的显微镜，也是西班牙的第一台此类显微镜。

除了可以区分单个原子的有影响力的图像之外，QUIONE的目标是量子模拟。正如塔鲁尔教授解释的那样，“量子模拟可用于将非常复杂的系统简化为更简单的模型，以了解当前计算机无法回答的开放性问题，例如为什么某些材料即使在相对较高的温度下也能导电而没有任何损失。”

该实验的奇点在于，该团队成功地将锶气体带入量子态，将其放置在光学晶格中，原子可以通过碰撞相互作用，然后应用单原子成像技术。这三种成分共同使ICFO的锶量子气体显微镜独一无二。

为什么是锶?

到目前为止，这些显微镜装置依赖于锂和钾等碱性原子，与锶等碱土原子相比，它们的光谱特性更简单。这意味着锶在这些实验中提供了更多的成分。

事实上，近年来，锶的独特性质使其成为量子计算和量子模拟领域应用非常受欢迎的元素。例如，锶原子云可以用作原子量子处理器，它可以解决超出当前经典计算机能力的问题。

总而言之，ICFO研究人员看到了锶量子模拟的巨大潜力，他们开始建造自己的量子气体显微镜。这就是QUIONE的诞生方式。

QUIONE，真实晶体的量子模拟器

为此，团队首先降低了锶气体的温度。他们利用几束激光束的力量，将原子的速度降低到几乎一动不动的程度，它们的温度在短短几毫秒内几乎绝对为零。此后，量子力学定律统治了它们的行为，原子表现出量子叠加和纠缠等新特征。

之后，在特殊激光的帮助下，研究人员激活了光学晶格，使原子沿空间排列成网格。

第一作者Buob解释道：“你可以把它想象成一个鸡蛋盒，其中的各个位置实际上就是你放置鸡蛋的地方。但是我们用原子代替鸡蛋，用光学晶格代替纸盒。”文章的。

蛋杯中的原子相互作用，有时会经历量子隧道从一个地方移动到另一个地方。原子之间的这种量子动力学模拟了某些材料中电子的量子动力学。因此，对这些系统的研究可以揭示某些材料的复杂行为，这是量子模拟的关键思想。

气体和光学晶格准备好后，研究人员就用显微镜拍摄了图像，最终可以逐个原子地观察锶量子气体。至此，QUIONE的构建已经取得了成功，但它的创建者还想从中获得更多。

因此，除了照片之外，他们还拍摄了原子的视频，并且能够观察到，虽然原子在成像过程中应该保持静止，但它们有时会跳到附近的晶格位置。量子隧道效应可以解释这一点。

“原子从一个位置‘跳跃’到另一个位置。这是一件非常美丽的事情，因为我们确实亲眼目睹了它们固有的量子行为的直接表现，”布奥布说。

最后，研究小组使用量子气体显微镜确认了锶气体是一种超流体，一种无粘性流动的物质量子相。

“我们突然关闭了晶格激光器，使原子在空间中膨胀并相互干涉。由于超流体中原子的波粒二象性，这产生了干涉图案。当我们的设备捕获它时，我们验证了样品中存在超流动性，”卢比奥-阿巴达尔博士解释道。

“对于量子模拟来说，这是一个非常激动人心的时刻，”塔鲁尔教授说道。“现在我们已经将锶添加到可用的量子气体显微镜列表中，我们也许能够很快模拟更复杂和奇异的材料。然后，预计会出现新的物质相。而且我们还期望获得更多的计算能力将这些机器用作模拟量子计算机的能力。”

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