物理学家首次隔离一对原子以观察P波的相互作用强度

多伦多大学的超冷原子实验室

多伦多大学物理系教授、量子信息与量子控制中心成员约瑟夫-蒂维森（Joseph Thywissen）说："假设你知道关于水分子的一切--化学式、键的角度等，就可能知道关于分子的一切，但就像我们不知道海洋上的波浪活动一样，当你把一群分子放在一起时，它们的行为方式可能是你无法预料的。"

物理学研究生Frank Corapi和Joseph Thywissen教授，在多伦多大学的超冷原子实验室

Thywissen正在讨论物理学中的涌现原则，该原则研究单个粒子的属性和行为与这些粒子的大群体之间的联系。他与他的团队一起，通过分析不是一个、不是大量、而是只有两个孤立的、相互作用的钾原子，在探索从"一到多"粒子的过渡方面迈出了第一步。

最近发表在《自然》杂志上的一篇论文描述了这一结果，这是向理解自然量子系统迈出的第一小步，以及它们如何能够带来更强大和有效的量子模拟。

由多伦多大学的实验物理学家和科罗拉多大学的理论物理学家组成的合作小组测量了两种钾原子之间的一种相互作用的强度--被称为"p波相互作用"，并发现这一结果证实了一个长期的预测。

多伦多大学超冷原子实验室的Frank Corapi

P波相互作用在自然发生的系统中很弱，但研究人员曾预测它们有一个高得多的最大理论极限。该团队是第一个确认粒子之间的P波力达到这一最大值的团队。

"在我们的实验室里，我们能够一次隔离两个原子，"多伦多大学的物理学博士毕业生维金-维努说。"这种方法避免了多原子系统的复杂性，可以完全控制和研究一对原子之间的相互作用。"

该团队在一个三维光学晶格内隔离了成对的原子--正如多伦多大学物理学博士后研究员Cora Fujiwara所描述的"光的晶体"--在三束激光相互成90度的交汇处创建。相交的光束产生了高强度的静止节点，困住了成对的粒子。通过以这种方式隔离成对的粒子，研究人员能够测量它们相互作用的强度。

物理学研究生Robyn Learn和Frank Corapi，以及Joseph Thywissen教授，在多伦多大学的超冷原子实验室

Fujiwara说："我们在实验中所看到的成果是非常显著的，这是一个完美的小系统。现在我们对这个双粒子系统有了这样的了解，我们可以开始创造这些涉及许多许多粒子的奇异系统。

这一结果对许多不同的技术产生了影响，包括对超流体、超导性和量子模拟的研究。

量子模拟是旨在理解像原子、分子或化学反应这样的量子系统的模型--由量子力学支配的系统。这些模拟可以帮助理解材料的特性是如何从粒子与粒子的相互作用中产生的。

"事实上，我们观察到的自旋极化费米子之间的相互作用被预测为会产生新形式的非常规稳健超流体，这被认为是量子计算的潜在资源，"科罗拉多大学博尔德分校的物理学副教授、JILA和国家标准与技术研究所的研究员Ana Maria Rey解释道。

用现有计算机解决量子模型的挑战是艰巨的；这项任务被描述为向计算机教授量子力学。一个有希望的替代方案是使用现有的量子系统--换句话说，实际的原子和分子。

Thywissen说："对我们来说很难的事情，对大自然来说却很容易。因此，我们可以利用大自然'做它的事'的计算能力来解决那些我们难以解决的问题。"