NASA 近日宣布，设于国际太空站 ISS 内 Cold Atom Lab 完成第四次升级。这部体积仅如小型雪柜的装置，在接近绝对零度极端低温下运作，配合太空微重力条件，可制造出 Bose-Einstein condensate（玻色–爱因斯坦凝聚态）——一种固态、液态、气态及等离子态以外的第五种物质状态。科学家期望能借此推动下一代量子技术重大突破。
诺贝尔奖级别量子预言成真
1924 年，Albert Einstein 根据印度物理学家 Satyendra Nath Bose 量子理论，预测原子在接近绝对零度时，会融合成一个以波函数描述的单一量子实体。然而这种状态极难制造及维持，直至 1995 年科学家才首次成功实现，相关研究人员其后于 2001 年获颁诺贝尔物理学奖。得奖者包括科罗拉多大学 Eric Cornell、Carl Wieman，以及麻省理工学院 Wolfgang Ketterle。
科学家亦发现，Bose-Einstein condensate 与两项重要低温现象密切相关：superfluidity（超流性，即液体以零摩擦力流动）及 superconductivity（超导性，即电子以零阻力移动），两者均是下一代量子技术关键基础。
微重力放大量子波 太空实验室独特优势
Cold Atom Lab 自 2018 年起设于国际太空站 ISS，由 NASA 喷射推进实验室 JPL 负责运作。低地球轨道微重力环境能放大凝聚态所产生的波函数，令研究人员比地面实验室更长时间观测更大量子波。
实验流程上，研究人员首先将 rubidium（铷）或 potassium（钾）金属加热至约摄氏 400 度，令其气化并充满真空腔室；再以雷射射向气体，抽走能量令原子降温；最后以磁力阱固定气体，并进一步降温至接近摄氏零下 273 度（即接近绝对零度），使原子近乎静止，在微重力中维持最长存在时间。
Cold Atom Lab 副项目科学家 Ethan Elliott 表示：「上世纪量子革命带来了雷射、智能电话及医疗磁力共振成像，我们正在进行『量子 2.0』——直接操控大型量子态，期望在轨道上推进科学，为量子技术带来同等重大进展。」
第四次升级 进一步探索宇宙本质
今次第四次升级进一步扩充实验工具，令科学家可更精确探测时间、重力及运动。JPL 科学家 Jason Williams 表示：「超冷物质行为出乎意料，亦让我们对时间、重力和运动作出极精确测量。实验室拥有大量工具，尤其是今次最新升级，让我们能够深入探索宇宙本质。」
项目经理 Kamal Oudrhiri 亦指：「这是我们目前最接近掌控量子世界边界工具，而今次升级更将这个边界进一步推前。」
量子科技应用前景广泛
Bose-Einstein condensate 研究，是量子电脑、超精密导航感应器及重力探测器等技术重要基础。随著 Cold Atom Lab 持续升级，预料 NASA 将陆续发表更多关于量子物质特性研究成果，并有望将相关技术逐步应用于太空探索及地面量子科技产品。
来源: NASA