都柏林三一學(xué)院的物理學(xué)家提出了一種基于量子糾纏的溫度計(jì)，該溫度計(jì)可以精確測量比外層空間溫度低十億倍的溫度。

這些超冷溫度出現(xiàn)在原子云(稱為費(fèi)米氣體)中，費(fèi)米氣體是科學(xué)家創(chuàng)造的，用于研究物質(zhì)在極端量子態(tài)下的行為。

這項(xiàng)工作由三位一體的QuSys團(tuán)隊(duì)與博士后研究員Mark Mitchison博士，Giacomo Guarnieri博士和John Goold教授共同領(lǐng)導(dǎo)，與Steve Campbell教授(UCD)和Thomas Fogarty博士以及Thomas Osch博士在OIST合作，日本沖繩。

他們的結(jié)果剛剛在著名的《物理評論快報(bào)》上作為編輯建議發(fā)表。

Trinity QuSys小組負(fù)責(zé)人Goold教授在討論該提案時(shí)，解釋了什么是超冷氣體。他說：

“物理學(xué)家思考?xì)怏w的標(biāo)準(zhǔn)方法是使用一種稱為統(tǒng)計(jì)力學(xué)的理論。該理論是19世紀(jì)的麥克斯韋和玻爾茲曼等物理學(xué)巨人發(fā)明的。這些家伙復(fù)興了希臘哲學(xué)家的古老觀念?？梢酝ㄟ^原子的微觀運(yùn)動(dòng)來理解諸如壓力和溫度之類的宏觀現(xiàn)象。我們需要記住，當(dāng)時(shí)，由原子構(gòu)成物質(zhì)的想法是革命性的。”

他繼續(xù)說：“在20世紀(jì)初，另一種理論誕生了。這是量子力學(xué)，它可能是我們在物理學(xué)中擁有的最重要和最準(zhǔn)確的理論。量子力學(xué)的一個(gè)著名預(yù)測是，單原子會獲得波，像特征一樣，這意味著在臨界溫度以下，它們可以與其他原子結(jié)合成具有奇特性質(zhì)的單個(gè)宏觀波。這一預(yù)測導(dǎo)致了長達(dá)一個(gè)世紀(jì)的實(shí)驗(yàn)性探索以達(dá)到臨界溫度。創(chuàng)造了第一批超冷氣體，該氣體經(jīng)過激光冷卻(1997年諾貝爾獎(jiǎng))并被強(qiáng)磁場捕獲，這一壯舉獲得了2001年諾貝爾獎(jiǎng)。”

他補(bǔ)充說：“像這樣的超低溫氣體現(xiàn)在在全世界的實(shí)驗(yàn)室中被常規(guī)生產(chǎn)，并且它們具有許多用途，從測試基本的物理理論到檢測引力波。但是它們的溫度在納米開爾文及以下的溫度令人難以置信!您的想法是，一個(gè)開爾文溫度為-271.15攝氏度。這些氣體的溫度比該氣體低十億倍-宇宙中最冷的地方，是在地球上產(chǎn)生的。

那么費(fèi)米氣體到底是什么?他解釋說：“宇宙中的所有粒子，包括原子，都屬于“玻色子”和“費(fèi)米子”兩種類型之一。”費(fèi)米氣體包含費(fèi)米子，以物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米命名。在非常低的溫度下，玻色子和費(fèi)米子的行為完全不同。玻色子喜歡聚在一起，而費(fèi)米子則相反。他們是最終的社交距離!這種特性實(shí)際上使它們的溫度難以測量。”

一種奇怪的狀態(tài)，探針原子同時(shí)與氣體發(fā)生相互作用，而不會與氣體發(fā)生相互作用。我們證明了這種疊加隨時(shí)間的變化對溫度非常敏感。”

賈科莫·瓜納里(Giacomo Guarnieri)博士給出了以下類比：“溫度計(jì)只是一個(gè)系統(tǒng)，其物理特性會以可預(yù)測的方式隨溫度變化。例如，您可以通過測量玻璃管中汞的膨脹來測量身體的溫度。溫度計(jì)的工作方式類似。但是，我們用汞代替了汞，而是測量了與量子氣體糾纏(或相關(guān))的單個(gè)原子的狀態(tài)。”

UCD的史蒂夫·坎貝爾(Steve Campbell)教授說：“這不只是一個(gè)遙遠(yuǎn)的想法-我們在這里提出的建議實(shí)際上可以使用現(xiàn)代原子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室中可用的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?？梢詼y試這種基本物理學(xué)確實(shí)令人驚訝。在各種新興的量子技術(shù)中，像我們的溫度計(jì)這樣的量子傳感器可能會產(chǎn)生最直接的影響，因此這是一項(xiàng)及時(shí)的工作，因此，《物理評論快報(bào)》的編輯著重指出了這一點(diǎn)。”

戈?duì)柕陆淌谘a(bǔ)充說：“事實(shí)上，之所以強(qiáng)調(diào)該論文，原因之一就是我們進(jìn)行了計(jì)算和數(shù)值模擬，并且特別關(guān)注了奧地利幾年前在《科學(xué)》雜志上發(fā)表的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。是捕獲的鋰原子的稀薄氣體與鉀雜質(zhì)接觸。實(shí)驗(yàn)人員能夠利用射頻脈沖控制量子態(tài)，并測量出有關(guān)氣體的信息。這些是其他量子技術(shù)中通常使用的操作?？稍L問的時(shí)間尺度簡直是驚人的，并且在傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理實(shí)驗(yàn)中將是前所未有的。我們很高興我們的想法可以將這些雜質(zhì)用作具有高精度的量子溫度計(jì)，并且可以通過現(xiàn)有技術(shù)來實(shí)施和測試。”