玻色－愛因斯坦凝聚態是一種特殊能量態，這與固態、液態、氣態、等離子態、玻色－愛因斯坦凝聚態並列稱之為物質的五態。

令人驚歎的是，許多科學家把玻色－愛因斯坦凝聚態稱之為幽靈態，實驗表明，如果把叢集光線光子冷卻到絕對零度時，光子集團能突變成“液態光”，並具備超流體的特殊性質，這對研究光子的波粒二象性，光錐性，光旋性、時間晶體等有著深遠的意義。

玻色－愛因斯坦凝聚態可以使運動態不相同的相同元素的原子突變成為同相、同頻、共振的原子叢集，使到無數原子步調一致，有如一個原子的狀態一樣，這樣有利於對量子糾纏的研究，量子計算機的製造，量子規範場理論的完善，有利於反重力的研究和量子統一場理論的建立。

玻色－愛因斯坦凝聚態是科學界跨世紀的預測。

首先要搞清楚什麼是波色-愛因斯坦凝聚

給大家科普一下，波色-愛因斯坦凝聚是愛因斯坦根據印度物理學家波色提出的以不可分辨的n個全同粒子的新觀念，使得每個光子的能量都滿足愛因斯坦的光量子假設，也滿足玻爾茲曼的最大機率分佈統計假設，將波色對光子（粒子不守恆）的統計方法推廣到原子（粒子不守恆），預言當這類原子溫度足夠低時，會有相變，新的物質狀態產生，所有的原子會突然聚集到一種儘可能低的能量狀態，這就是所說的波色-愛因斯坦凝聚。簡稱BEC。

然而波色-愛因斯坦凝聚直到20世紀90年代才由美國科學家，在實驗上發現波色愛因斯坦凝聚現象。

BEC最主要的應用是在原子鐳射上，例如“原子鐳射器”，原子鐳射器實際上是“相干原子束髮生器”（這正好類比鐳射是相干光波發生器），即它發射的原子束具有高度的相干特性，束中所有的原子處於同一種量子態上，同時，束中所有原子的能量處於單模，從能量分佈的角度來說具有極好的“單色性”，另外，由於發射的粒子都是處於同一量子態上，因此可以準直行進相當長的距離而無明顯發散，即“指向性好”，從這三點看，與鐳射相似，因此被稱為原子鐳射器。

目前，原子鐳射器的研究還處於起步階段，在理論方面，已經有了幾種理論模型，但是還沒有比較完善的原子鐳射器理論。

此外，它的光學性質的研究也有著特別的意義，隨著BEC的實現，超冷原子物理學必將迅猛發展，可以說，BEC的實驗實現，打開了一扇通往未知領域的大門。

玻色凝聚態下，量子行走的路線是可程式設計的。因為光也好，微波脈衝也好，都不是一成不變，可以隨時調整。因此，它也許能夠催生可擴充套件的量子計算機。

我寫過不少關於量子計算的文章，實際上主要是兩類：一類是基於量子門的計算，另一類是絕熱量子計算。其實還有第三種，叫做“量子行走”。所謂量子行走，用自然界的例子來說，就是光合作用過程中電子轉移的工作原理。當前，研究者已經能夠催動整塊的原子雲“齊步走”，實現量子行走。

光可以實現量子行走，但需要配備一臺新式計算機來算出每一步。不過，在玻色-愛因斯坦凝聚態下，光和物質的關係都反過來了。研究人員就是透過這個原理實現了玻色凝聚態下的量子行走。

圖為計算機中的玻色-愛因斯坦凝聚模型，類似波的特點清晰可見。

進入正題之前，我想先對不同型別的量子計算機做一番簡要的比較。量子門是大家最熟悉的，就是透過一個量子門的集合來完成嚴謹的邏輯運算，末端讀出結果。

絕熱量子計算則不涉及嚴謹運算，而是將問題轉化為實現某一能量景觀的最低能耗，打個比方，解決方案就在丘壑地區的深谷之中。思路是這樣的：先從一片平滑的碗狀地帶入手，逐漸製造出“山陵”，直至量子位落入最深的“谷底”，計算結束。讀出量子位的值，問題就解決了。

而量子行走跟量子門、絕熱計算都不一樣。對於量子行走來說，問題轉化為一系列的線路。一個量子態將同時出現在所有可能的線路中，但各條線路會相互干涉，而包含了答案的那條線路出現量子態的機率更高，其他線路的機率則較低。換而言之，先放進一個微觀物體——比方說一個光子，然後測量光子出現的位置，就能找到答案。

此時的思路是這樣的：製造一套相互關聯的線路，將有待解決的問題編入其中。如果說一個光子是一個量子位，那麼光纖就是實現上述方案的材料。先使光纖相互耦合，確保量子位沿多條線路遊走並自我干涉。耦合的強度決定了每一根光纖中光子的“數量”，而光纖的長度決定了干涉的性質是有益還是有害。

光的量子行走固然好，但每一根光纖須得維持不變：光纖的長度以及不同光纖之間的耦合強度無法及時調整。說到底，這種基於光學量子行走的計算機，缺少可程式設計的因素。

在玻色-愛因斯坦凝聚態下，光和物質扮演的角色可以互換。所謂玻色凝聚，指處在同一量子態的冷原子的集合。簡而言之，該集合的行為就像單個粒子一樣整齊劃一。這時候如果用脈衝光對其加以轟擊，這顆“粒子”將以一定頻率震顫，導致漂移。至於漂移的方向，取決於玻色凝聚的內部狀態。

玻色凝聚的內部狀態是由微波脈衝設定的。比方說，適當的微波脈衝會令玻色凝聚態處在兩種量子態的疊加態。此時如果再用鐳射脈衝加以轟擊，玻色凝聚就必然因疊加態而同時向兩個方向移動。

研究者證實，只要依次施以微波和鐳射脈衝，就能像經驗豐富的彈球玩家一樣，隨意控制玻色凝聚的空間線路。不同的是，這裡是量子彈球——每當玻色凝聚撞到反彈槓，就會同時向多個方向反彈，再撞到更多的反彈槓。更復雜的是，量子彈球會穿越不同的線路，再在各類節點重新組合。線路交叉之處，玻色凝聚發生自我干涉。干涉會導致在某些線路上找到玻色凝聚的機率降低，而在另一些線路上的機率上升。量子計算恰好需要這個。

光的量子行走尚且需要玻璃纖維以固定的方式、（在交匯點上）以固定的長度相互耦合，而玻色凝聚則更為靈活。脈衝光可以推動玻色凝聚在自由空間行動，而微波脈衝則如同各條線路之間的耦合器。脈衝光的數量，決定了行動線路的長度；而微波脈衝的強度，則決定了各條線路的耦合性。這是重點。

玻色凝聚態下，量子行走的路線是可程式設計的。因為光也好，微波脈衝也好，都不是一成不變，可以隨時調整。

只不過，這樣的計算機還沒造出來。科學家雖已證明了對單個玻色凝聚實現量子行走的可能，但還沒有證明他們能夠在量子行走中對某個問題進行編碼。

據我所知，在量子行走中對問題進行編碼，難度不小。必須設定好各個微波脈衝、分別對應不同行走線路，才能造出計算機。再以光纖為例。在光學量子行走中，如果光子同時進入左右兩條線路，那麼左邊那條線路就會受制於右邊那條線路的長度和耦合度。但是，在玻色凝聚中，不同線路之間相距無幾，根本不能使微波脈衝對準具體任何一條。換句話說，微波源將不可避免地修改整個玻色凝聚的內部狀態。

話說回來，現在畢竟有了好的開端。玻色凝聚態下的量子行走，有利於將量子門和絕熱計算的優勢結合起來。其一，玻色凝聚是在真空潔淨環境下，靠的是中性原子，有可能形成高度可靠、長期存在的量子位。在這個意義上，玻色凝聚更像是離子阱量子計算機。其二，它既有望解決更復雜的難題，又不必專門處理大量的量子位，倒更像是絕熱量子計算的方法，發展前景可期。

翻譯：李蕪

校對：李莉