本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点。
我听说过量子骰子、量子扑克、量子轮盘赌，甚至量子俄罗斯轮盘赌，但量子赛马？我去年12月在新加坡量子技术中心举行的研讨会上了解到了这种超现实的碰运气游戏。从一排铷原子开始，下注，放开它们，并在稍后测量它们的位置。原子不是像奔马一样疾驰，而是像液体一样渗出：它们的量子波函数开始时是尖峰，然后横向扩散。事实上，它们从起跑门的两个方向渗出。“由于这些是量子马，它们可以同时朝两个方向跑，”德国实验物理学家伊曼纽尔·布洛赫说。（观看他的动画或完整演讲。）
让我惊叹的不是量子怪异，我们现在都应该习惯了，而是我们在这里谈论的是单个原子。原子。在过去（1990年之前），物理学家担心量子不确定性可能会阻碍在此尺度上操纵物质的尝试。即使是理查德·费曼在1959年的著名纳米技术讲座中也设想原子工艺只能“最终在遥远的未来”实现。今天，实验主义者观察原子、戳原子、探测原子。原子的量子性并没有成为障碍，反而成为了一种优势。布洛赫的赛马有一个严肃的目的，那就是证明单个原子可以在量子计算机中存储和处理数据。
困难的部分与其说原子很小，不如说它们不会停留在原地并且会聚集在一起。布洛赫的团队和其他人通过将它们冷却到纳开尔文的温度，并将它们倒入光学晶格中来驯服它们，根据你诗意的想法，你可能会称之为光学鸡蛋盒或光晶体。它由重叠和干涉的激光束组成，形成明暗点的固定网格。光施加电磁力，将原子拧入这些点（通常是亮点）并将其固定在那里。原子之间的间距约为 400 纳米，因此它们的密度达到每立方厘米约 100 万亿个原子，这对于每立方厘米来说是很多的原子，但仍然只有室温和压力下氢气密度的约十万分之一。因此，这些系统让物理学家探索他们很少进入的领域，一个寒冷、稀疏的领域，量子是至高无上的。
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特别是，实验主义者正在探索材料物理学（物理学家称之为凝聚态）中的核心问题：物质如何在不同相之间转变。被晶格囚禁的原子聚集体可以像冰块一样融化，只是这种转变是由于能量的重新平衡而不是温度或压力的变化而引起的。
原子的能量既是动能（它们通过量子隧穿过程从一个位置跳到另一个位置），又是相互作用（它们相互排斥）。当激光强度较低时，捕获原子的电磁力较弱，因此动能占主导地位，原子可以自由活动。它们不再将一个位置称为家，而是像液体一样流到各处，一致地作为一个巨大的量子波行动，这是一种被称为超流体的物质状态。当激光强度很强时，相互作用能量占主导地位。原子彼此保持一段距离，并被限制在网格上的特定位置，这是一种被称为莫特绝缘体的物质状态。十年前，布洛赫和他的同事逐渐调高激光强度，观察从超流体到绝缘体的转变。
这种微调系统的能力也让物理学家能够拍摄单个原子的照片。首先，调高相互作用能量，使原子彼此分开。然后，用它们吸收并重新发射的光照亮它们。通过光学显微镜，你可以看到原子发出荧光。如果它们的整体密度足够低，则每个点都是单个原子。
类似的程序可以逐个控制原子。首先，将激光束照射到你想要捣鼓的原子上；这会改变它的能级，使其容易受到微波辐射的影响。然后，发射微波脉冲来翻转原子的自旋。布洛赫的团队已经应用这种技术来创建世界上最小的像素显示器（见图）。原子保持在原位，因此这种方法不同于IBM科学家二十年前用来创建世界上最小的企业标志的纳米雕塑。像赛马一样，纳米艺术是构建量子计算机的练习。
你还可以做各种其他有趣的实验。去年，布洛赫的团队跟踪了绝缘体-超流体转变，并表明该系统经历了一个“隐藏的”物质状态，这是一种传统的理论无法捕捉到的微妙图案排列。理论家们已经借鉴了弦论的想法来帮助解释这些转变。最近，该团队一直在玩希格斯机制。对于大多数物理爱好者来说，“希格斯”这个名字会让人想起粒子物理学家可能最终即将发现的玻色子。但这个概念实际上起源于凝聚态：它解释了为什么电磁力不能在超导体中自由传播。（事实上，粒子物理希格斯是一种超导体，其中弱核力不能自由传播。）布洛赫的团队在其简化系统中开启了希格斯机制。“玻色子”是原子的集体振动。
另一项实验触及了一个基本问题，即什么决定了世界中事件的速度。相对论设定了速度的最终限制，即光速，但在实践中，该限制通常要低得多。是什么设定了它？事实证明，量子力学具有自我监管的倾向，即利勃-罗宾逊边界。布洛赫和他的同事首次观察到了它。他们从绝缘体开始，调高相互作用能量，并观察原子开始自组织。一股活动波以两倍于声速的速度在系统中传播。控制速度的原因是原子没有被动地在波浪上滚动，而是积极地为其做出了贡献。一些量子引力理论家推测，光速代表着某些底层量子系统的利勃-罗宾逊边界，从中涌现出空间和时间。
对我来说，原子喧嚣暗示了赛马隐喻的另一种含义。对于有抱负的纳米工程师来说，原子不是微小的螺母和螺栓。它们就像动物一样，有自己的思想。你不是把它们拧在一起，而是哄着它们。如果你设置正确的条件，它们会为你完成所有工作。它们不是被动的，而是一种能够创造出你可能永远不会期望的事物的创造力。
图片由马克斯·普朗克量子光学研究所的伊曼纽尔·布洛赫、克里斯托夫·魏滕贝格和彼得·肖提供