來源 | 公眾號「科研圈」
撰文 | 戚譯引
裡德伯原子是一類具有特殊性質的原子，它或許能為我們帶來新的通訊技術，甚至改進量子計算。最近，一名物理學家開發出「量子錄音機」，用裡德伯原子系統錄製聲音信號，並用它錄下了自己用吉他彈奏的旋律。
克裡斯·霍洛威在實驗室。圖片來源：J. Burrus at NIST
在美國國家標準與技術研究院（NIST），一名物理學家剛剛實現了他追尋六年的目標：在實驗室錄製歌曲。
克裡斯·霍洛威（Chris Holloway）懷抱一把吉他，皇后樂隊《Under Pressure》的旋律從他的指尖流出，被旁邊的裡德伯原子（Rydberg atom）系統記錄下來。這項研究成果最近發表在美國物理學會（American Institute of Physics ）旗下的 AIP Advances 期刊上（論文連結）。
本次研究中錄製的音樂。來源：Holloway et al.
目前這個系統在低音部分的表現確實不怎麼樣，錄音效果聽起來有點像黑膠唱片。但是霍洛威說：「這些『原子天線』或許能夠提供一種更好的方法，讓我們在噪聲中提取聲音信號，甚至是在深空通訊中所傳輸的非常微弱的信號。」
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裡德伯原子指處於極高激發態、接近電離狀態的原子，其大小能夠達到它處於基態時的數千倍，也就是說最外層電子與原子核之間的距離非常遠，因此它對電磁場非常敏感。物理學研究中常常使用銣、銫等鹼金屬元素的裡德伯原子，因為它們的最外層只有一個電子，其他的電子都聚集在原子核周圍，就像一個很重的氫原子。
如圖。這是一個玻爾原子模型，主量子數 n 的原子軌道可以理粗略理解為電子走過的二環、三環。裡德伯原子的最外層電子擁有很大的主量子數 n，它的位置已經跑出了畫面。| 圖片來源：Wikipedia
近年來，物理學家希望用裡德伯原子開發出更加精細的電場測量技術。讓微波或雷射譜線通過裡德伯原子蒸汽，來測量原子的量子躍遷情況, 就能測出微弱靜電場的大小，精度能夠達到幾個 μV/cm，而一般的偶極天線測量最小只能探測到 1 mV/cm 的靜電場。而在微波電場裡，一個裡德伯原子就像一架龐大的天線（原子尺度上的龐大），因此物理學家還能用它實現微波電場的連續測量。
有了這樣的研究基礎，用裡德伯原子錄音其實並不困難。霍洛威要做的，就是先將聲信號轉換成電磁信號，然後將原子汽室放在電磁場中；當原子感應到電磁場、發生躍遷的時候，通過汽室的雷射信號發生變化，被儀器記錄下來，一臺「量子錄音機」就誕生了（不過這也花了他們六年時間）。
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其實，這不是物理學家第一次嘗試用裡德伯原子錄音。去年 9 月，美國安娜堡 Rydberg Technologies 公司的科學家用銫原子錄了一段《瑪麗有隻小羊羔》。選擇這首曲子大概是出於對託馬斯·愛迪生的致敬，他選擇了這首兒歌對錄音機進行測試，使其成為人類歷史上首次被記錄下來的聲音。
而霍洛威實驗室成功用裡德伯原子錄下了立體聲。他們將銫原子和銣原子放進同一個原子汽室，用不同頻率的雷射束照射它們，讓一類原子記錄樂器的聲音，另一類原子記錄人聲。為了測試系統所能測量的音域範圍，他們選擇了皇后樂隊的音樂，因為主唱弗雷迪·莫庫裡（Freddie Mercury）有著極其寬廣的音域。
「量子收音機」示意圖，中間綠色和橙色的雷射用於激發銫原子，藍色和紅色的雷射用於激發銣原子，兩側的探測器對經過汽室的雷射進行測量。來源：Holloway et al.
「我們想做立體聲的原因之一，是因為這需要讓一臺設備同時收錄兩個頻道，傳統的收音設備很難做到這點，」霍洛威說。他認為，儘管原子通訊的時代還遠未到來，但是這種技術或許能夠改進通信安全。裡德伯原子系統雖然對電磁場變化敏感，但是另一方面，它也具有良好的抗幹擾特性，有望實現安全、無損的信號傳輸。
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裡德伯原子的名字來自瑞典物理學家約翰內斯·裡德伯（Johannes Rydberg）。裡德伯對光譜有深入的研究，巴爾末、玻爾等同時代的科學家都十分肯定他的貢獻。遺憾的是，他在瑞典一直不被重視。當年隆德大學校長職位空缺的時候，裡德伯是唯一合適的人選，但校方愣是讓那個職位空了四年，最後才讓他上任。他甚至一生未能加入瑞典皇家科學院。
約翰內斯·裡德伯（Johannes Rydberg），1854-1919 | 圖片來源：Wikipedia
裡德伯最終於 1919 年去世，三年後，玻爾在他的故鄉被授予諾貝爾物理學獎，並且在獲獎感言中特別表達了對他的感謝。
一個世紀之後，裡德伯原子已經成為精細測量學和量子信息處理領域的明星。鹼金屬的裡德伯原子最外層只有一個電子，能夠長期處於一種量子疊加態，適合用來生成量子位；並且裡德伯原子之間的相互作用很強，能夠用來製造處理信息所需的邏輯門。
接下來，霍洛威團隊計劃進一步研究儀器的性能，看看裡德伯原子能測量的最小的電場變化是多少，以及它能達到怎樣的信號傳輸速度。當然，用業餘時間出張「原子專輯」也不錯，就像《生活大爆炸》裡的謝耳朵所說的：「為什麼？因為我行。」
參考來源：
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. 黃巍, 梁振濤, 杜炎雄, 顏輝, 朱詩亮. 基於裡德堡原子的電場測量[J]. 物理學報, 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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編輯：Major Tom