物理学家们已经能够让超冷原子在先进的磁或光势阱中进行量子特技表演，而一种能够把原子陷获在微芯片上的方法又给这方面的发展带来了新的希望——

原子是构筑所有物质大厦的砖块，它们的中心是一个带正电的原子核，而外部轮廓则由核外电子云决定。原子是电中性的，但电子的数目决定着它们的化学性质。原子久已被人类研究和利用，目前，物理学家正在研究一种利用原子进行通讯的全新的方法。

在2001年10月4日出版的《Nature》杂志上，赖歇尔（Reichel）及其同事描述了另一种利用原子进行通讯的方法。他们的成就会使人们对量子理论基础产生新的认识，并可应用于正处于科学幻想中的量子计算机中。

6年前，一种以预言其存在的物理学家的名字命名的新物质态——玻色-爱因斯坦凝聚态，首次在稀薄原子气体中产生。在玻色-爱因斯坦凝聚态中已不再存在通常的粒子系综能量分布，所有粒子都将获得相同的能量。而这一能量又是量子理论所允许的最低能量，它可以接近于零，但又不能等于零。一个玻色-爱因斯坦凝聚体中包含上千万个原子，所有这些原子都处于仅仅高于绝对零度的同一温度。在这种凝聚态中，宏观原子云团具有量子特性，与在我们周围所观察到的经典世界的性质截然不同。

直到现在，只能从远处对玻色-爱因斯坦凝聚体这种超冷原子云团进行处理。这主要是因为玻色-爱因斯坦凝聚体是如此之敏感，以至与其他原子的任何接触都将破坏掉整个凝聚体。由于这个原因，玻色-爱因斯坦凝聚态实验只能在超高真空室内进行，以提供一个类似于宇宙空间中的环境。人们一般是在磁场、电场或光场中对原子云团进行捕获、操纵及观测，而这些场通常来自于真空室外的场源，例如激光器或磁场线圈等。因此由上述场源产生的势阱的几何形状是有限的。虽然靠近玻色-爱因斯坦凝聚体的场源可提供更强更复杂的势阱，但这恐怕又会由于高温物体的存在而使超低温原子云团难以为继。

德国慕尼黑的赖歇尔和他的同事的研究成果以及蒂宾根的齐默尔曼（Zimmermann）研究组开展的类似工作是：把势阱的场源置于超高真空室内距离原子云团几十微米的地方。他们的实验解决了上面提到的两个问题：首先，场源的移近使研究者可以对玻色-爱因斯坦凝聚体进行更复杂、更强有力和更精确的操纵；其次，他们的实验可使玻色-爱因斯坦凝聚体在靠近较热的物体时继续保持凝聚状态。此外，慕尼黑的科研人员还取得了进一步的进展，他们研制成了一种可把玻色-爱因斯坦凝聚体随意移动的“原子传送带”。

更为重要的是，慕尼黑研究组的工作还表明，因为他们降低了对超高真空的技术要求，所以在实验中玻色-爱因斯坦凝聚体的预制过程比以前的实验大为简化。这一进展的取得是由于他们所产生的强劲的势阱把原子的冷却时间降低了十余倍，使玻色-爱因斯坦凝聚态可在不足一秒的时间内形成，这样短的冷却时间意味着真空室内的任何不受欢迎的原子破坏玻色-爱因斯坦凝聚体的时间都将大大缩短，不足以破坏凝聚体，进而降低了实验对真空度的要求，简化了凝聚体的预制过程。

他们是怎样做的呢？两个实验都采用了一个被称为“原子芯片”的类似于计算机芯片的器件。在普通的微型芯片中，电子在包裹于固状物中的导线形成的微型“陷阱”中运动。而在原子芯片中，电流和电荷在摹制在坚固的固体器件上的导线中流动。但是，与普通芯片中的受限电子不同，原子芯片中的原子悬浮在芯片表面上方几微米的地方，即处于由芯片中的电流或电荷产生的势场形成的不可见的间隔层中。这种表面势阱有助于原子保持它们的超高真空环境。科研人员已经利用原子芯片来操纵“热原子”，但直到现在还没有人能确定如何利用原子芯片来操纵玻色-爱因斯坦凝聚体。

现在我们已经能够捕获或冷却原子，并且可以控制它们的位置和速度。我们还知道如何控制它们的内部特性，例如原子中电子云的状态即所谓的超精细态等。因此，现在可以对所有的相关参数进行控制和测量了。这将促进原子操控（物质波量子光学）、混沌包纳（利用复杂势场）、非线性（起源于原子-原子相互作用）、纠缠（原子-原子相关）、原子-光子相互作用、低维物理及其他更多方面的实验工作。

另一个需要做深入了解的问题是量子退相干。尽管量子退相干——即当一个量子态被破坏时所发生的情况具有量子本性，但它却决定着我们周围世界的经典性质。经典态与量子态之间的这一令人难以理解的界限，自从量子理论创立的早期至今一直是引起人们争论和迷惑的发源点。在原子芯片实验中，可借助于经过精心设计的环境在复杂的势阱中检测退相干。此外，还可在原子芯片中详细研究表面诱导的退相干问题。这是重要的，因为这种退相干效应可破坏原子芯片的基本设计思想。

下一步该做些什么呢？首先，原子芯片有可能导致小型化高精度原子钟和加速度探测器的出现。大家知道原子钟和加速度探测器已被应用于精密测量，而它们的微型化装置或许还可能应用于导航系统。其次，原子芯片还可被集成在量子计算机及量子编码系统中，这些系统可对信息加密，保障信息安全。量子信息中的一个“量子位”是一个经典信息“位”的量子对应物。因此，原子芯片可把“飞行位”（在长的光纤中运动的光子）转变成“存储位”——即可被长时间保存在一个固定地点且不改变量子态的原子。最后的一个例子、同时也是最难实现的例子是量子计算机。量子计算机采用的是由量子理论所预言的一种新型运算逻辑，其运算速度在某些情况下可比现存的经典计算机快许多个数量级。一旦运算过程所需的诸如单原子陷获以及原子受控纠缠态等方面取得进一步进展，原子芯片就会很显然地被量子计算机所采用。

[Nature，2001年10月4日]