撰文 | 戚译引
里德伯原子是一类具有分外性子的原子，它或许能为我们带来新的通讯技能，乃至改进量子打算。最近，一名物理学家开拓出“量子录音机”，用里德伯原子系统录制声音旗子暗记，并用它录下了自己用吉他弹奏的旋律。
克里斯·霍洛威在实验室。图片来源：J. Burrus at NIST
在美国国家标准与技能研究院（NIST），一名物理学家刚刚实现了他追寻六年的目标：在实验室录制歌曲。
克里斯·霍洛威（Chris Holloway）怀抱一把吉他，皇后乐队《Under Pressure》的旋律从他的指尖流出，被阁下的里德伯原子（Rydberg atom）系统记录下来。这项研究成果最近揭橥在美国物理学会（American Institute of Physics ）旗下的 AIP Advances期刊上（论文链接）。
本次研究中录制的音乐。来源：Holloway et al.
目前这个别系在低音部分的表现确实不怎么样，录音效果听起来有点像黑胶唱片。但是霍洛威说：“这些‘原子天线’或许能够供应一种更好的方法，让我们在噪声中提取声音旗子暗记，乃至是在深空通讯中所传输的非常微弱的旗子暗记。”
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里德伯原子指处于极高引发态、靠近电离状态的原子，其大小能够达到它处于基态时的数千倍，也便是说最外层电子与原子核之间的间隔非常远，因此它对电磁场非常敏感。物理学研究中常常利用铷、铯等碱金属元素的里德伯原子，由于它们的最外层只有一个电子，其他的电子都聚拢在原子核周围，就像一个很重的氢原子。
如图。这是一个玻尔原子模型，主量子数 n 的原子轨道可以理粗略理解为电子走过的二环、三环。里德伯原子的最外层电子拥有很大的主量子数 n，它的位置已经跑出了画面。| 图片来源：Wikipedia
近年来，物理学家希望用里德伯原子开拓出更加风雅的电场丈量技能。让微波或激光谱线通过里德伯原子蒸汽，来丈量原子的量子跃迁情形, 就能测出微弱静电场的大小，精度能够达到几个 μV/cm，而一样平常的偶极天线丈量最小只能探测到 1 mV/cm 的静电场。而在微波电场里，一个里德伯原子就像一架弘大的天线（原子尺度上的弘大），因此物理学家还能用它实现微波电场的连续丈量。
有了这样的研究根本，用里德伯原子录音实在并不困难。霍洛威要做的，便是先将声旗子暗记转换成电磁旗子暗记，然后将原子汽室放在电磁场中；当原子感应到电磁场、发生跃迁的时候，通过汽室的激光旗子暗记发生变革，被仪器记录下来，一台“量子录音机”就出身了（不过这也花了他们六年韶光）。
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实在，这不是物理学家第一次考试测验用里德伯原子录音。去年 9 月，美国安娜堡 Rydberg Technologies 公司的科学家用铯原子录了一段《玛丽有只小羊羔》。选择这首曲子大概是出于对托马斯·爱迪生的致敬，他选择了这首童谣对录音机进行测试，使其成为人类历史上首次被记录下来的声音。
而霍洛威实验室成功用里德伯原子录下了立体声。他们将铯原子和铷原子放进同一个原子汽室，用不同频率的激光束照射它们，让一类原子记录乐器的声音，另一类原子记录人声。为了测试系统所能丈量的音域范围，他们选择了皇后乐队的音乐，由于主唱弗雷迪·莫库里（Freddie Mercury）有着极其宽广的音域。
“量子收音机”示意图，中间绿色和橙色的激光用于引发铯原子，蓝色和赤色的激光用于引发铷原子，两侧的探测器对经由汽室的激光进行丈量。来源：Holloway et al.
“我们想做立体声的缘故原由之一，是由于这须要让一台设备同时收录两个频道，传统的收音设备很难做到这点，”霍洛威说。他认为，只管原子通讯的时期还远未到来，但是这种技能或许能够改进通信安全。里德伯原子系统虽然对电磁场变革敏感，但是另一方面，它也具有良好的抗滋扰特性，有望实现安全、无损的旗子暗记传输。
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里德伯原子的名字来自瑞典物理学家约翰内斯·里德伯（Johannes Rydberg）。里德伯对光谱有深入的研究，巴尔末、玻尔等同时期的科学家都十分肯定他的贡献。遗憾的是，他在瑞典一贯不被重视。当年隆德大学校长职位空缺的时候，里德伯是唯一得当的人选，但校方愣是让那个职位空了四年，末了才让他上任。他乃至生平未能加入瑞典皇家科学院。
约翰内斯·里德伯（Johannes Rydberg），1854-1919 | 图片来源：Wikipedia
里德伯终极于 1919 年去世，三年后，玻尔在他的故乡被付与诺贝尔物理学奖，并且在获奖感言中特殊表达了对他的感谢。
一个世纪之后，里德伯原子已经成为风雅丈量学和量子信息处理领域的明星。碱金属的里德伯原子最外层只有一个电子，能够长期处于一种量子叠加态，适宜用来天生量子位；并且里德伯原子之间的相互浸染很强，能够用来制造处理信息所需的逻辑门。
接下来，霍洛威团队操持进一步研究仪器的性能，看看里德伯原子能丈量的最小的电场变革是多少，以及它能达到若何的旗子暗记传输速率。当然，用业余韶光出张“原子专辑”也不错，就像《生活大爆炸》里的谢耳朵所说的：“为什么？由于我行。”
参考来源：
1. https://eurekalert.org/pub_releases/2019-06/aiop-qmt061819.php
2. https://www.chemistryworld.com/features/getting-the-numbers-right-the-lonely-struggle-of-rydberg/3004609.article
3. https://physicsworld.com/a/radio-uses-rydberg-atoms-to-play-mary-had-a-little-lamb/
4. 黄巍, 梁振涛, 杜炎雄, 颜辉, 朱诗亮. 基于里德堡原子的电场丈量[J]. 物理学报, 2015, 64(16): 160702. doi:10.7498/aps.64.160702.
5. https://phys.org/news/2015-05-tuning-rydberg-atoms-quantum-applications.html
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来源：科研圈
编辑：Major Tom
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