QUIONE是西班牙ICFO研究人員開發的一種獨特的量子氣體顯微鏡，它利用鍶來模擬複雜的量子系統，並在原子層面上探索材料。它旨在解決當前運算能力無法解決的問題，並已展示了超流等現象。

量子物理學需要高精度感測技術來深入研究材料的微觀特性。從最近出現的模擬量子處理器來看，所謂的量子氣體顯微鏡已被證明是在原子層面上了解量子系統的強大工具。這些設備可以產生極高解析度的量子氣體圖像：它們可以檢測到單個原子。

現在，ICFO研究人員（西班牙巴塞隆納）Sandra Buob、Jonatan Höschele、Vasiliy Makhalov博士和Antonio Rubio-Abadal博士，在ICFO的ICREA教授Leticia Tarruell的領導下，解釋了他們是如何製造出自己的量子氣體顯微鏡的，顯微鏡以希臘雪女神命名為QUIONE。該團隊的量子氣體顯微鏡是世界上唯一一台對鍶量子氣體的單一原子進行成像的顯微鏡，也是西班牙第一台此類顯微鏡。

除了可以分辨單一原子的極具衝擊力的圖像之外，QUIONE 的目標是量子模擬。正如ICREA 教授Leticia Tarruell 所解釋的那樣：”量子模擬可以用來將非常複雜的系統歸結為更簡單的模型，進而理解當前計算機無法回答的開放性問題，例如為什麼有些材料即使在相對較高的溫度下方也能無損耗地導電”。

玻璃池圖片，中間為鍶氣雲圖來源：ICFO

ICFO 小組在這一領域的研究獲得了國家層面（西班牙皇家物理學會的獎勵，以及BBVA 基金會、Ramón Areces 基金會、La Caixa 基金會和Cellex 基金會的項目和贈款）和歐洲層面（包括一個ERC 專案）的支持。此外，作為加泰隆尼亞政府推廣量子技術承諾的一部分，QUIONE 還得到了加泰隆尼亞政府透過企業與工作部數位政策秘書處提供的共同資助。

這項實驗的奇特之處在於，他們成功地將鍶氣體帶入量子態，將其置於光學晶格中，使原子可以透過碰撞產生相互作用，然後應用單原子成像技術。這三個因素加在一起，使ICFO 的鍶量子氣體顯微鏡在同類產品中獨一無二。

實驗室地圖和量子模擬器的位置。資料來源：ICFO

為什麼是鍶？迄今為止，這些顯微鏡裝置依賴鋰和鉀等鹼性原子，與鍶等鹼土原子相比，鋰和鉀的光學光譜特性更為簡單。這意味著在這些實驗中，鍶可以提供更多的成分。

事實上，近年來，鍶的獨特性質使其成為量子運算和量子模擬領域非常受歡迎的應用元素。例如，鍶原子雲可以用作原子量子處理器，從而解決目前經典電腦無法解決的問題。

總之，ICFO 的研究人員看到了鍶在量子模擬方面的巨大潛力，他們開始著手製造自己的量子氣體顯微鏡。 QUIONE 就是這樣誕生的。

實驗室中的團隊。由左至右Sandra Buob、Antonio Rubio-Abadal、Vasiliy Makhalov、Jonatan Höschele 和Leticia Tarruell。資料來源：ICFO

為此，他們首先降低了鍶氣體的溫度。利用幾束雷射的作用力，原子的速度可以降低到幾乎不動的程度，幾乎不移動，在短短幾毫秒內就能將溫度降低到幾乎絕對零度。然後，量子力學定律就會支配它們的行為，原子就會顯示出量子疊加和糾纏等新特徵。

之後，在特殊雷射的幫助下，研究人員啟動了光晶格，使原子沿著空間排列成網格狀。 “你可以把它想像成一個雞蛋盒，其中的各個位置實際上就是你放雞蛋的地方。但我們用原子代替了雞蛋，用光學晶格代替了紙盒，”文章的第一作者桑德拉-布布解釋。

“蛋杯”中的原子相互影響，有時會發生量子穿隧效應，從一個地方移動到另一個地方。原子間的這種量子動力學模擬了某些材料中電子的量子動力學。因此，對這些系統的研究有助於理解某些材料的複雜行為，而這正是量子模擬的關鍵概念。

氣體和光學晶格準備好後，研究人員立即用顯微鏡拍攝了影像，終於可以逐個原子地觀察鍶量子氣體了。至此，”QUIONE”的建造工作已經取得了成功，但它的創造者們還想從中獲得更多。

因此，除了照片之外，他們還拍攝了原子的視頻，並能夠觀察到，雖然原子在成像過程中應該保持靜止，但它們有時會跳到附近的晶格部位。這可以用量子穿隧現象來解釋。 “原子從一個位置”跳”到另一個位置。這是非常美麗的景象，因為我們親眼目睹了原子固有量子行為的直接表現。

最後，研究團隊利用他們的量子氣體顯微鏡證實，鍶氣體是一種超流體，一種沒有黏性的物質流動的量子相。 “我們突然關閉了晶格雷射器，這樣原子就可以在空間膨脹並相互干涉。由於超流體中原子的波粒二象性，這就產生了乾涉圖案。”安東尼奧-魯比奧-阿巴達爾博士解釋說：”當我們的設備捕捉到它時，我們驗證了樣品中超流體的存在。”

“對於量子模擬來說，這是一個非常激動人心的時刻，”ICREA 教授萊蒂西亞-塔魯埃爾（Leticia Tarruell）說。 “現在，我們的量子氣體顯微鏡中又增加了鍶，也許不久之後我們就能模擬更複雜、更奇特的材料。新的物質相有望出現。我們還期望獲得更強的計算能力，將這些機器用作模擬量子計算機。

編譯來源：ScitechDaily