零下273.15摄氏度的极寒装置里，原子竟然不会结冰，反而是未来量子计算机的核心“零件”？
日前，羊城晚报记者参观华南师范大学超冷原子实验室，近距离观察磁光阱装置时，发现了一番奇妙景象：在真空极冷的环境中，研究人员竟能对原子实现精准操控，让它们“放慢脚步、变得‘肥胖’”。借助激光这双无形的“手”，研究人员就像抓小球一样，轻松捕获单个甚至数个原子，再通过精细的测量与调控，获取更为精准的微观信息。
操控原子靠的是什么原理？这样的操控又有哪些实际价值？它与量子计算、量子通信之间，究竟存在着怎样的紧密联系？带着这些问题，记者采访了实验室的相关研究人员，为大家一一揭晓答案。
“我们把量子存储效率一举提升到了85%！”
量子信息科技，正引领着下一代科技革命浪潮，而构建一个完整的量子互联网，正是量子信息科学的发展方向——它就像我们现在用的互联网，却有着更快的速度、更强的保密性。
在广东，有一群深耕基础研究的科学家，始终在原子分子物理与量子科技领域默默攻坚、持续发力，华南师范大学量子调控工程与材料重点实验室朱诗亮团队便是其中的佼佼者，团队的《基于冷原子的量子调控研究》项目，更是荣膺2024年度广东省自然科学奖一等奖。
“我们把通用型量子存储效率一举提升到了85%！”实验室主任朱诗亮教授在接受记者采访时难掩兴奋，因为这个数字刷新世界纪录，另外，团队还在原子调控领域，有亮眼的成果。
朱诗亮教授表示，要建成量子互联网，得先闯过两大难关。
第一关是“内部装修” 关，量子互联网就像一张大网，密布着无数小站点，这一关要解决的，就是如何在这些小站点里高效处理信息。比如，要造出运算速度极快、攻克传统计算机难题的量子计算机，就要造出有特殊本事的量子状态，并且能像指挥小士兵一样控制它们，让它们按照我们的想法工作。
第二关是 “外部联通”关，就是要让这些小站点之间，能够稳稳当当地传递量子状态信息。这就像寄快递，得保证每个包裹都能准确无误、完好无损地送到对方手里，不能丢件、更不能送错。这两关顺利攻克，量子互联网的实现，才算有了眉目，未来我们的生活，也将因此迎来翻天覆地的变化。
朱诗亮解释道，量子存储设备就像是量子信息的“保险箱”，是整个量子信息领域的核心部件之一。但在此之前，全球的量子存储效率都卡在了一个关键门槛——量子不可克隆极限（50%） 以下，根本达不到实用要求。
而他们团队的项目，一举攻克了量子存储实验里的三大“老大难”问题：信号连接弱、信息保存时间短、干扰噪音多。最终，不仅实现了85%的超高存储效率，还保证了99%的信息保真度（即信息不失真），首次突破了50%的理论极限阈值门槛，刷新了这项技术的世界纪录，相关成果以封面论文发表在《Nature Photonics》上。
为什么说存储效率越高越好？
为什么说效率越高越好？朱诗亮教授举了个特别好懂的例子：
“量子存储，其实就是给未来的量子计算机做‘硬盘’。你想，咱们现在的普通电脑，得有CPU（处理器）来算东西，也得有硬盘来存东西，对吧？量子计算机也是一个道理，它负责计算的‘量子处理器’再厉害，也得有配套的‘量子存储器’才行。”
“这就像我们用U盘存文件，要是存储效率低，比如存10次有8次读不出来，那这文件等于白存了。以前效率低于50%，意味着存进去的信息，能成功读出来的概率还不到一半，根本没法用。”
“现在效率提到85%，就意味着你存进去的信息，有85%的概率能完整读出来。这在实际应用中差别可大了——以前可能要重复存十几次才能成功一次，现在1-2次就能搞定，这就为量子计算机真正能用起来，打下了关键的基础。当然，100%是我们的终极目标，还需要继续努力，但85%已经是从‘实验室’走向‘实用化’的一大步了。”
实现在真空极冷环境中随意操控原子
除了量子存储这项重磅突破，朱诗亮教授还告诉记者，团队还找到了在“量子小站点”里精准操控量子状态的新办法——在冷原子体系里，理论结合实验研发了“受激拉曼超绝热转移”技术，速度快到逼近量子力学的极限，相关论文发在了《Nature Commun.》上，还入选了“中国光学重要成果”，现在国内外同行都在不同量子体系里用这个方法。
要理解这个技术，得先说说“冷原子”到底有多“冷”。团队张善超教授给出了一组直观的对比：室温下的原子，跑得比高铁还快，每秒能冲1000米；而冷原子的速度能降到每秒几厘米，要是再升级到“超冷”级别，每秒就只挪动零点几厘米，慢到肉眼都能捕捉到它的踪迹。
为啥要让原子慢下来？因为速度一降，原子的“量子本性”就藏不住了。速度慢到一定程度，它就会“变胖”，像水波一样扩散开来，这就是量子力学里的“波粒二象性”。这种“变慢变胖”的原子，相互之间不容易碰撞，实验室研究人员就能用激光像“抓小球”一样，抓住一个甚至几个原子，慢慢测量、细细操控，拿到的信息自然更准确。
更有趣的是，把原子“冻”得这么慢，靠的可不是冰箱、液氮或液氦这些传统制冷法子，而是更巧妙的“激光降温”。团队成员颜辉教授揭秘：光其实是有动量的，用激光不断照射原子，原子被光“打”一下就会损失一点动量，跑不动了，速度自然就降下来了。等原子速度慢、能量降低，再用一个特制的“陷阱”，就能把它们稳稳抓住。
极寒真空里的原子解锁量子应用新可能
当然，要维持这种“极寒”状态，离不开一个特殊的“超级保温箱”——超高真空环境。就像冰箱门没关严就无法制冷一样，超高真空能隔绝外面的气体分子，杜绝热量向原子传递。靠着超高真空加激光冷却的“组合拳”，朱诗亮教授团队成功将原子温度降到了接近“绝对零度”（零下273.15摄氏度），仅比绝对零度高十万分之一度(10uK)。
记者在实验室观察磁光阱装置时，还发现了一个令人惊讶的现象：超高真空中激光冷却的铷原子(Rb)，竟然不结冰！
这么冷的原子为啥不会凝结成固体？张善超教授笑着解释道：“因为我们让原子处于极度稀薄的状态，原子之间几乎互不‘碰面’，自然不会聚成液体或固体，始终保持气态。”
把原子操控到如此精妙的程度，到底有啥用？答案藏在量子科技的三大核心方向里：基于这些慢下来的原子，研究人员能开展更精准的“量子精密测量”，比如未来过安检，可能不用再人工触碰，靠太赫兹探测这类技术就能轻松完成；同时，这些原子还能用来搭建量子网络，实现量子通信，这就用到了之前提到的量子存储技术；当然，它们更是未来量子计算机的重要“零件”。说到底，现在的量子科技主要就三个大方向——量子计算、量子通信、量子精密测量，都离不开冷原子调控技术打下的坚实基础。
“新”对话
羊城晚报：通用型量子存储效率提升到了85%，意味着什么？
朱诗亮：这为量子计算机真正能用起来，打下了关键的基础，从“实验室”走向“实用化”迈出了一大步了，当然，100%是我们的终极目标，还需要继续努力。
羊城晚报：科研人员为何要去调控原子？
张善超：现在的量子科技主要就三个大方向——量子计算、量子通信、量子精密测量，都离不开冷原子调控技术打下的坚实基础。
记者手记
“拿捏”原子 解码广东量子未来图景
走进华南师范大学超冷原子实验室，没有想象中炫目的光效，只见大块黑幕布笼罩着一排排精巧装置，幕布之中，一小束微光忽明忽暗——那，就是被科学家们用激光轻轻“抓住”的原子。
在这里，我亲眼见证了科学如何“驯化”微观世界：激光如同无形的手，将发丝千万分之一细的铷原子牢牢锁定，让原本狂奔的粒子放慢脚步，悠哉地“散步”，甚至奇妙地“膨胀”开来。这一刻，原子不再是课本上抽象的符号，成了能被看见、被操控的鲜活“实体”。
“你们看，这些超冷原子，每秒只移动零点几厘米——慢到肉眼可辨。”张善超教授指着那束被光牵引的原子介绍道。这一刻，我感受到了，量子科技原来不是遥不可及的深奥理论，而是科研人员“捕捉”的每一个原子、调试的每一束激光，是为突破技术瓶颈、发展自主核心设备积蓄的点滴力量。广东科学家们用耐心与巧思编织的这场“原子魔法”，凝聚着“从0到1”的原创智慧，正悄然打开一扇通向未来的全新大门。
而这些智慧，正汇入广东培育未来产业的宏大洪流。当前，广东正围绕量子材料、量子计算、量子精密测量及关键核心设备全力攻关，向着新量子效应调控、量子计算原型机研制等关键目标奋力突破。
望着那些在极寒真空中轻盈“舞蹈”的原子，我不禁畅想：或许不久之后，它们就将通过量子互联网连接万物，在生物医药、能源革新、信息安全等领域，绽放出绚丽夺目的创新之花。
文、图、视频｜记者 黎秋玲 实习生 李婉清
编辑：王智韬
