量子模擬重大突破，科大團隊首次測得第二聲衰減率 | 科技袁人_風聞

導讀

潘建偉團隊首次測得神秘“第二聲”衰減率。

熱在物質中是怎麼傳播的？通常是通過擴散，即從近到遠温度逐漸降低。然而，在某些情況下它也可能以波動的形式傳播，很像聲波。因此，這種現象被稱為第二聲，相對的普通聲波被稱為第一聲。第二聲不會出現在普通物質中，只會出現在某些特殊的物質中，例如超流的氦。

如果你不知道超流是什麼，我來稍微解釋一下：超流就是粘滯性變成0。例如，裝在一個開口杯子中的超流體可以自發地爬出來。又如普通的液體中如果產生一個旋渦，它會逐漸消失，而超流體中的旋渦卻不會衰減，會永遠存在下去。這聽起來跟超導很像，因為超導是電阻變成0，超導體中的電流不會衰減，會永遠存在下去。沒錯，超導和超流屬於同一大類現象。它們都是宏觀量子現象，具體而言都來自玻色-愛因斯坦凝聚（Bose-Einistein condensation）。

通過在液氦中測量第二聲及其相關的熱輸運現象，人們建立了一個普適的理論，叫做動力學標度理論（dynamical scaling theory）。這個理論對許多量子體系的相變都有重要的指導意義，例如高温超導，因為這個理論指出許多不同體系的相變過程都遵從相同的某些普適函數。然而，在液氦中很難把這些普適函數測準，因為它的臨界區域很窄，操控性也很有限。總之，就是通過液氦人們發現了第二聲這種現象，但難以深入。

最近，我的科大同事潘建偉、姚星燦、陳宇翱等人取得了突破。他們用另一種體系，把第二聲相關的普適函數測量得很準。這種體系叫做超冷費米原子（ultracold fermonic atoms），其實就是又冷又稀薄的Li-6原子氣體。他們在《Science》上發了一篇長文章，標題是《近量子臨界性的第二聲衰減》（Second sound attenuation near quantum criticality）。想想看，為什麼這個標題裏沒寫是什麼體系？因為前面已經説了，這些函數是普適的！

下面我來唸一段新聞稿（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/78322.htm）：

在該項工作中，中國科大研究團隊經過4年多的艱苦攻關，搭建了一個全新的超冷鋰-鏑原子量子模擬平台，融合發展了灰色黏團與算法冷卻、盒型光勢阱等先進的超冷原子調控技術，最終成功地實現了世界領先的均勻費米氣體的製備；與此同時，研究團隊還基於低噪聲行波光晶格與高分辨原位成像技術，實驗實現並理論詮釋了低動量傳遞（約百分之五的費米動量）與高能量分辨率（優於千分之一的費米能）的布拉格譜學方法，並利用其實現了對體系密度響應的高分辨測量。在取得上述兩項關鍵技術突破的基礎上，研究團隊成功地在幺正費米超流體的密度響應中觀測到了第二聲的信號（如圖1（D）所示），並獲得了完整的幺正費米超流體的密度響應譜，實驗結果與基於耗散兩流體理論的描述高度吻合。

我來註釋一下，這段是解釋了他們為什麼能做出這些實驗：因為他們在技術上取得了突破，能做到別人做不到的事。

再來唸一段新聞稿：

進一步地，研究團隊獲得了第二聲的衰減率（聲擴散係數），並以此準確測定了體系的熱導率與粘滯係數。研究結果表明，幺正費米超流體的輸運係數均達到了普適的量子力學極限值，例如第二聲擴散係數約為ℏ/m，熱導率約為nℏkB/m。這些極限值僅由約化普朗克常數（ℏ）和玻爾茲曼常數（kB）、粒子質量m和密度n決定。此外，他們還在超流相變附近觀測到了上述輸運量的臨界發散行為，並發現幺正費米超流體具有一個可觀的臨界區（比液氦超流體臨界區大約100倍）。這一發現為利用該體系開展進一步的量子模擬研究，從而理解強關聯費米體系中的反常輸運現象奠定了基礎。

我來註釋一下，這段是解釋了他們成果的意義。測量結果確實跟理論預測一致，而且這種超冷費米原子的體系比液氦好用得多，臨界區擴大了100倍。

再來唸一段新聞稿：

Science雜誌的審稿人對該工作給予了高度評價，稱該項工作“展示了令人驚歎的實驗傑作”（This paper presents spectacular, “tour de force,” experiments,…），“這是一篇極為出色的論文”（This is an extremely impressive paper…），“該工作有望成為量子模擬領域的一項里程碑”（…this paper could be a milestone in quantum simulation…）。

這段就好像沒什麼好註釋的了！不過我還是需要註釋一下，這裏的一個關鍵詞是“量子模擬”，即用一種量子體系模擬另一種量子體系。我最近出版了一本科普書《量子信息簡話》，其中介紹了量子計算。其實量子計算跟量子模擬的基本思想就非常相似，都是用一種物理體系模擬另一種體系，把一個困難的問題轉化到另一個相對容易的體系來解決，所以人們也經常把兩者並稱，叫做“量子計算與量子模擬”。

最後，有一種社會現象，我想請大家思考一下。這種社會現象就是“民科”。以前經常有民科説，量子通信是騙局，搞量子通信的這些人是騙子！後來我的這些同事又在量子計算領域取得很多成果，然後民科就憤怒地説，量子計算也是假的，這些人是想通過量子計算為自己的量子通信騙局轉移注意力！現在，科學家們又在量子模擬以及很多其他領域取得成果，例如不久前用實驗證明了量子力學中複數不可或缺（複數是不是描述物理世界所必需的？| 袁嵐峯），民科又該説什麼呢？是不是又要説所有這些都是假的呢？

世界上有些人在不斷做實事，而有些人連人家做的是什麼都看不懂，只知道嘰嘰喳喳噴人家。對於這種人，我們能説什麼呢？真是可悲又可憐。