尽管关于量子计算机的研究进展不少，但量子计算机如今还只是个未来概念。就连IBM推出的世界首台可商用量子计算机，也只是迈出了可商用的第一步，让其从计算中心里走到了阳光下，离实际用上还有很远。

不过，在研究量子科学的同时，也有科学家们搞出了一些有趣的研究成果，比如量子冰箱、量子钻石、量子音乐……光听名字都令人满脑门问号。

下面，就来看看这些看似“搞笑”的研究成果究竟是怎么回事儿吧。

量子冰箱

想象一个冷到可以把原子转变成量子态的冰箱——这不是普通的冰箱，它能赋予原子不受经典物理学规则约束的独特属性。

在《物理评论应用》上发表的一篇论文中，罗切斯特大学(University of Rochester)物理学教授安德鲁·乔丹(Andrew Jordan)和他的研究生斯里纳特·曼尼坎丹(Sreenath Manikandan)，以及他们的同事、来自NEST纳米科学研究院(NEST isinstitute to Nanoscienze-CNR)和意大利Scuola Normale Superiore的弗朗西斯科·贾佐托(Francesco Giazotto)，构思出了这种冰箱的想法。

这种冰箱将把原子冷却到接近绝对零度(约零下459华氏度)。

科学家们可以利用这种基于超导量子特性的冰箱，促进和提高用于超快量子计算机的量子传感器或电路的性能。

一种材料导电的好坏被称为电导率。当一种材料具有高导电性时，它很容易让电流通过。

例如，金属是良导体，而木头或金属线周围的屏蔽层是绝缘体。但是，尽管金属丝是良导体，它们仍然会因为摩擦而遇到阻力。

在理想的情况下，材料导电时不会遇到电阻;也就是说，它可以无限地携带电流而不损失任何能量。这正是超导体的特性。

曼尼坎丹说:“当你把一个系统冷却到极限温度时，电子进入量子态，它们的行为更像是一种没有阻力的集体流体。”

“这是通过超导体中的电子在非常低的温度下形成电子对来实现的，这种电子对被称为库珀对。”

研究人员认为，如果温度足够低，所有金属都能成为超导体，但每种金属都有一个不同的“临界温度”，在这个温度下，金属的电阻会消失。

乔丹说:“当你达到这个神奇的温度时——这不是一个渐进的过程，而是一个突然的过程——突然间电阻就像石头一样降到零，然后就发生了相变。”

“据我所知，一台实用的超导冰箱还没有被制造出来。”

超导量子制冷机利用超导原理工作并产生超冷环境。寒冷的环境有利于产生增强量子技术所需的量子效应。

超导量子冰箱将创造一种环境，让研究人员可以把材料变成超导状态——类似于把材料变成气体、液体或固体。

乔丹说，虽然超导量子冰箱不会用于个人厨房，但其工作原理与传统冰箱非常相似。

“你的厨房冰箱和我们的超导冰箱的共同点是，它使用相变来获得冷却电源。”

如果你走进厨房，站在冰箱旁边，你会注意到里面很冷，但是其后方很热。

传统冰箱的工作原理不是把冰箱里的东西变冷，而是把里面的热量去除。

它通过在热储层和冷储层之间移动一种液体(制冷剂)，并将其状态从液体变为气体来实现这一点。

“冰箱不会凭空变冷，”乔丹说，“这是能量守恒定律。热量是一种能量，所以冰箱把热量从空间的一个区域带到另一个区域。”

在传统冰箱中，液态制冷剂通过膨胀阀。当液体膨胀时，它的压力和温度随着它转变成气态而下降。

现在的制冷剂通过冰箱箱内的蒸发器线圈，吸收冰箱内的热量。然后再由电力驱动的压缩机对其进行再压缩，进一步提高其温度和压力，并将其从气体变成热液体。

凝结的热液体，比外界环境更热，流经冰箱外部的冷凝器线圈，向外界散发热量。然后液体重新进入膨胀阀，循环往复。

超导体冰箱与传统冰箱相似，它在冷热储层之间移动一种材料。

然而，不是制冷剂从液态变成气态，而是金属中的电子从配对的超导态变成了非配对的正常态。

曼尼坎丹说:“我们正在做的事情和传统冰箱完全一样，只是使用了超导体。”

在超导量子冰箱中，研究人员将一层一层的金属放入已经很冷的低温稀释冰箱中：

堆栈的底层是一层超导体铌，它充当一个热储层，类似于传统冰箱外的环境;中间层是超导体钽，它是一种工作介质，类似于传统冰箱中的制冷剂。

最上层是铜，这是一个冷储层，类似于传统冰箱的内部。

当研究人员缓慢地将电流施加到铌上时，他们会产生穿透中间钽层的磁场，导致钽层的超导电子解对，过渡到正常状态，然后冷却下来。于是冷的钽层从热的铜层中吸收热量。

然后，研究人员慢慢地关闭磁场，使钽中的电子配对并转变回超导状态，钽层的温度就会比铌层的温度高。多余的热量被转移到铌上。

这样的循环重复着，维持着铜层顶部的低温。

这类似于传统冰箱中的制冷剂，从冷循环膨胀为气体，热循环压缩为液体。

但由于量子超导冰箱中的工作物质是超导体，“实际上是库珀对解对并变冷，当你在非常低的温度下缓慢地施加磁场时，以目前最先进的冰箱为基准，这种量子冰箱会进一步冷却。”曼尼坎丹说。

当你用厨房里的冰箱来储存牛奶和蔬菜时，研究人员会在超导量子冰箱里放些什么呢?

乔丹说:“你用厨房的冰箱来冷却食物。但这是一个超级、超级冷的冰箱。”

超导量子冰箱可以用来储存量子比特(量子计算机的基本单位)，将它们放在金属堆顶部。

研究人员还可以用这个冰箱来冷却量子传感器。量子传感器可以非常有效地测量光，在研究恒星和其他星系时非常有用，还可以在核磁共振成像仪上开发更高效的深层组织成像。

“想到它是如何运作的，真的很神奇。基本上就是把能量转化成可转化的热能。”

量子钻石

横滨国立大学的研究人员成功地在一颗钻石中安全地传送了量子信息。这项研究对量子信息技术——未来如何共享和存储敏感信息——具有重大意义。

研究人员于2019年6月28日在《通信物理学》上发表了他们的研究结果。

量子隐形传态(Quantum teleportation)，又称量子遥传、量子隐形传输、量子隐形传送、量子远距传输或量子远传，是一种利用分散量子缠结与一些物理讯息(physical information)的转换来传送量子态至任意距离的位置的技术。

在量子纠缠的帮助下，待传输的量子态如同经历了科幻小说中描写的"超时空传输"，在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。

不过，量子遥传并不会传送任何物质或能量，因此它并不意味着瞬间移动之类的科幻设定。

“量子隐形传态允许把量子信息转移到一个原本无法进入的空间。”横滨国立大学(Yokohama National University)工程学教授、该研究的作者小坂秀夫(Hideo Kosaka)说。

“它还允许将信息传输到量子内存中，而不会泄露或破坏存储的量子信息。”

在这个案例中，“无法进入的空间”指的是一颗钻石。钻石由相互连接的碳原子组成，但又各自独立存在，是量子隐形传态的完美材料。

一个碳原子的原子核里有6个质子和6个中子，周围有6个自旋电子。当这些原子结合成钻石时，就形成了一种出了名的坚固晶格。

然而，当氮原子存在于碳原子应该存在的两个相邻空位中的一个时，钻石可能会有复杂的缺陷。这种缺陷称为氮空缺中心。

在碳原子的包围下，氮原子的核结构产生了小坂所说的纳米磁体。

为了操纵空位中的电子和碳同位素，小坂和他的团队在钻石表面绑上了一根大约四分之一人类头发宽度的电线。

他们将微波和无线电波应用到金属丝上，在钻石周围形成一个振荡磁场。

他们塑造了微波，为钻石内部量子信息的传输创造了最佳的、可控的条件。

小坂接着用氮纳米磁体固定了一个电子。

利用微波和无线电波，小坂迫使电子自旋与碳核自旋(电子和碳原子原子核的角动量)纠缠在一起。电子自旋在纳米磁体产生的磁场中分解，使其易于纠缠。

一旦这两块材料纠缠在一起，也就是说它们的物理特性纠缠在一起，无法单独描述，就会产生一个包含量子信息的光子，电子吸收光子。

这种吸收允许光子的偏振态被转移到碳中，而碳是由纠缠电子介导的，这表明了信息在量子水平上的隐形传输。

“光子存储在另一个节点的成功建立了两个相邻节点之间的纠缠，”小坂说。

这一过程被称为量子中继器，它可以在量子场中从一个节点接收到另一个节点的单个信息块。

小坂说:“我们的最终目标是实现可扩展的量子中继器，用于长距离量子通信和可以用于大规模量子计算和计量的分布式量子计算机。”

量子音乐

这听起来像是一张老式的黑胶唱片，但流入克里斯·霍洛威实验室(Holloway's laboratory)的音乐中独特的爆裂声源自原子。

位于科罗拉多州博尔德的美国国家标准与技术研究所(National Institute for Standards and Technology, Boulder, Colorado)的研究小组花了6年时间，找到了一种利用原子直接测量电场的方法，他们还用这种新技术找了点小乐子。

Holloway说:“我的设想是在实验室里，也就是我们的工作室里，切割一张CD，在某个时候用里德伯格原子录制第一张CD。”

虽然他不认为这种低音质的原子录音会取代现有的数字音乐录音，但研究小组的科学家们正在考虑如何将这种“令人愉快”的原子感应应用于未来的通讯设备。

“基于原子的天线可能会给我们提供一种更好的方式，在有噪音的情况下接收音频数据，甚至可能是在深空通信中传输的非常微弱的信号。”Holloway说。

所讨论的原子——里德伯格原子——是被激光激发成高能量状态的原子，对无线电波(电场)做出可测量的反应。

在弄清楚如何用里德伯格原子测量电场强度后，Holloway说，用同样的原子来录制和回放音乐相对简单——从Holloway自己的吉他即兴小调开始。

他们将音乐编码成无线电波，就像手机通话编码成无线电波进行传输一样。

原子对这些无线电波做出反应，反过来，通过里德堡原子照射的激光束也会受到影响。

这些变化被光电探测器捕捉到，光电探测器将电信号输入扬声器或电脑——瞧!原子收音机诞生了。

研究小组用他们的量子系统来接收立体声——一个原子物种记录仪器，另一个记录声音，用两组不同的激光频率。

他们选择了皇后乐队的一首单曲“Under Pressure”来测试他们的系统是否能够处理弗雷迪·墨丘利(Freddie Mercury)宽广的音域。

Holloway说，虽然目前原子通信尚处早期，但利用这个系统改善安全通信是有可能的。

目前，Holloway的团队正在关注原子无线电，他们试图确定里德伯原子能探测到的信号有多弱，以及数据传输速度能达到多少。

他们没有忘记他们想要制造的原子记录，他们希望用这些记录来激励下一代量子科学家。