NASA 近日宣布，設於國際太空站 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，在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 Bose-Einstein condensate（玻色–愛因斯坦凝聚態）——一種固態、液態、氣態及等離子態以外的第五種物質狀態。科學家期望能藉此推動下一代量子技術重大突破。
諾貝爾獎級別量子預言成真
1924 年，Albert Einstein 根據印度物理學家 Satyendra Nath Bose 量子理論，預測原子在接近絕對零度時，會融合成一個以波函數描述的單一量子實體。然而這種狀態極難製造及維持，直至 1995 年科學家才首次成功實現，相關研究人員其後於 2001 年獲頒諾貝爾物理學獎。得獎者包括科羅拉多大學 Eric Cornell、Carl Wieman，以及麻省理工學院 Wolfgang Ketterle。
科學家亦發現，Bose-Einstein condensate 與兩項重要低溫現象密切相關：superfluidity（超流性，即液體以零摩擦力流動）及 superconductivity（超導性，即電子以零阻力移動），兩者均是下一代量子技術關鍵基礎。
微重力放大量子波 太空實驗室獨特優勢
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聚態所產生的波函數，令研究人員比地面實驗室更長時間觀測更大量子波。
實驗流程上，研究人員首先將 rubidium（銣）或 potassium（鉀）金屬加熱至約攝氏 400 度，令其氣化並充滿真空腔室；再以雷射射向氣體，抽走能量令原子降溫；最後以磁力阱固定氣體，並進一步降溫至接近攝氏零下 273 度（即接近絕對零度），使原子近乎靜止，在微重力中維持最長存在時間。
Cold Atom Lab 副項目科學家 Ethan Elliott 表示：「上世紀量子革命帶來了雷射、智能電話及醫療磁力共振成像，我們正在進行『量子 2.0』——直接操控大型量子態，期望在軌道上推進科學，為量子技術帶來同等重大進展。」
第四次升級 進一步探索宇宙本質
今次第四次升級進一步擴充實驗工具，令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，亦讓我們對時間、重力和運動作出極精確測量。實驗室擁有大量工具，尤其是今次最新升級，讓我們能夠深入探索宇宙本質。」
項目經理 Kamal Oudrhiri 亦指：「這是我們目前最接近掌控量子世界邊界工具，而今次升級更將這個邊界進一步推前。」
量子科技應用前景廣泛
Bose-Einstein condensate 研究，是量子電腦、超精密導航感應器及重力探測器等技術重要基礎。隨著 Cold Atom Lab 持續升級，預料 NASA 將陸續發表更多關於量子物質特性研究成果，並有望將相關技術逐步應用於太空探索及地面量子科技產品。
來源: NASA
