NASA 冷原子實驗室第四次升級，在太空軌道創造「第五物質元素」推動量子 2.0

NASA 近日宣布，國際太空站 ISS 內 Cold Atom Lab 完成第四次升級。這部體積僅如小型雪櫃的裝置，接近絕對零度極端低溫下運作，配合太空微重力條件，可製造出玻色─愛因斯坦凝態（Bose-Einstein condensate），為固態、液態、氣態及等離子態以外的第五種物質狀態。科學家期望推動下代量子技術重大突破。

諾貝爾獎等級量子預言成真

1924 年，愛因斯坦根據印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）量子理論，預測原子接近絕對零度時，會融合成以波函數描述的單一量子實體。然而這種狀態極難製造維持，直至 1995 年科學家才首次成功，研究員更於 2001 年獲頒諾貝爾物理學獎，得獎者為科羅拉多大學 Eric Cornell、Carl Wieman，以及麻省理工學院 Wolfgang Ketterle。

科學家亦發現，玻色─愛因斯坦凝態與兩項重要低溫現象密切相關：超流性（superfluidity，液體以零摩擦力流動）及超導性 （superconductivity，電子以零阻力移動），兩者均是下代量子技術關鍵基礎。

微重力放大量子波在太空實驗室的獨特優勢

Cold Atom Lab 自 2018 年起設於國際太空站 ISS，由 NASA 噴射推進實驗室 JPL 負責運作。低地球軌道微重力環境能放大凝態產生的波函數，研究員能比地面實驗室更長時間觀測更大量子波。

實驗流程方面，先將銣（rubidium）或鉀（potassium）加熱至約 400°C，使氣化並充滿真空腔室；再以雷射射向氣體，抽走能量使原子降溫；最後以磁力阱固定氣體，並再降溫至接近 -273°C（即接近絕對零度），使原子近乎靜止，微重力環境維持最長存在時間。

Cold Atom Lab 副專案科學家 Ethan Elliott 表示：「上世紀量子革命帶來雷射、智慧手機及醫療磁力共振成像，我們正在進行『量子 2.0』：直接操縱大型量子態，期望在太空軌道推動科學，為量子技術帶來同等重大進展。」

第四次升級，探索宇宙本質

第四次升級擴充實驗工具，科學家可更精確探測時間、重力及運動。JPL 科學家 Jason Williams 表示：「超冷物質行為出乎意料，亦讓我們極精確測量時間、重力和運動。實驗室有大量工具，尤其最新升級，讓我們更深入探索宇宙本質。」

專案經理 Kamal Oudrhiri：「這是我們目前最接近掌握量子世界邊界的工具，這次升級將邊界更往前推。」

玻色─愛因斯坦凝態是量子電腦、超精密導航感應器及重力探測器等重要基礎。Cold Atom Lab 持續升級，NASA 應將陸續發表更多量子物質特性研究成果，並有望將相關技術用於太空探索及地面量子科技產品。

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（本文由 Unwire HK 授權轉載；首圖來源：NASA）