文/图 羊城晚报全媒体记者 黎秋玲 实习生 李婉清

零下273.15℃的极寒装置里，原子竟不会结冰，反而是未来量子计算机的核心“零件”？

日前，羊城晚报全媒体记者参观华南师范大学超冷原子实验室，近距离观察磁光阱装置时，发现了一番奇妙景象：在真空极冷的环境中，研究人员能对原子实现精准操控，让它们“放慢脚步、变得‘肥胖’”。借助激光这双无形的“手”，研究人员就像抓小球一样，轻松捕获单个甚至数个原子，再通过精细的测量与调控，获取更为精准的微观信息。

操控原子靠的是什么原理？这样的操控又有哪些实际价值？它与量子计算、量子通信之间，存在着怎样的紧密联系？

量子存储效率提至85%

从实验室走向实用化

量子信息科技，正引领新一轮科技革命浪潮，而构建一个完整的量子互联网，是量子信息科学的发展方向——它就像我们现在用的互联网，却有着更快的速度、更强的保密性，有望为人类社会带来颠覆性的变革。

在广东，有一群深耕基础研究的科学家，始终在原子分子物理与量子科技领域默默攻坚、持续发力。华南师范大学量子调控工程与材料重点实验室朱诗亮团队便是其中的佼佼者，该团队的“基于冷原子的量子调控研究”项目，荣膺2024年度广东省科学技术奖自然科学奖一等奖。

“我们把通用型量子存储效率一举提升到了85%！”实验室主任朱诗亮教授在接受记者采访时难掩兴奋，因为这个数字刷新了世界纪录；团队在原子调控领域，同样有亮眼的成果。

朱诗亮坦言，要建成真正实用的量子互联网，必须先闯过两大难关。

第一关是“内部装修”关。量子互联网好比一张密布无数小站点的大网，这一关要解决的，是如何让这些站点高效处理信息。就像要造出能攻克传统计算机难题的量子计算机，首先得制备出特殊的量子状态，并且像指挥小士兵一样精准控制它们，让其按照人类的指令稳定工作。

第二关是“外部联通”关。核心目标是实现小站点之间量子状态信息的稳定传递。这就像寄快递，必须保证每个包裹都准确无误、完好无损地送达目的地。

唯有顺利攻克这两大难关，量子互联网的实现才算有了眉目。而量子存储设备，正是打通这两大关卡的关键抓手，堪称量子信息的“保险箱”，也是整个量子信息领域的核心部件之一。

此前，全球量子存储效率长期卡在量子不可克隆极限（50%）以下，远达不到实用要求。而朱诗亮团队的项目，一举攻克了量子存储实验中信号连接弱、信息保存时间短、干扰噪音多这三大“老大难”问题，不仅实现了85%的超高存储效率，还保证了99%的信息保真度，首次突破了50%的理论极限阈值门槛，刷新了该技术的世界纪录。相关成果以封面论文形式，发表于国际顶级期刊《自然光子学》（Nature Photonics）上。

这样的量子存储效率提升，意味着什么？“这就像我们用U盘存文件，要是存储效率低，比如存10次有8次读不出来，那这文件等于白存了。以前效率低于50%，意味着存进去的信息，能成功读出来的概率还不到一半，根本没法用。”朱诗亮表示，“现在效率提到85%，意味着你存进去的信息，有85%的概率能完整读出来。这在实际应用中差别可大了——以前可能要重复存十几次才能成功一次，现在1-2次就能搞定，这就为量子计算机真正能用起来打下了关键的基础。当然，100%是我们的终极目标，还需要继续努力，但85%已经是从‘实验室’走向‘实用化’的一大步了。”

把原子“冻”得跑不动

慢慢测量、细细操控

除了量子存储这项重磅突破，朱诗亮团队还找到了在“量子小站点”里精准操控量子状态的新办法——在冷原子体系里，理论结合实验，实现了“受激拉曼超绝热转移”技术。

要理解这个技术，得先说说“冷原子”到底有多“冷”。团队成员张善超教授给出了一组直观的对比：室温下的原子，跑得比高铁还快，每秒能冲1000米；而冷原子的速度能降到每秒几厘米，要是再升级到“超冷”级别，每秒就只挪动零点几厘米，肉眼即能捕捉到它的踪迹。

为啥要让原子慢下来？因为速度一降，原子的“量子本性”就藏不住了。速度慢到一定程度，它就会“变胖”，像水波一样扩散开来，这就是量子力学里的“波粒二象性”。这种“变慢变胖”的原子，相互之间不易碰撞，实验室研究人员就能像“抓小球”一样，抓住一个甚至几个原子，慢慢测量、细细操控，获得的信息自然更准确。

更有趣的是，把原子“冻”得这么慢，靠的可不是冰箱、液氮或液氦这些传统制冷法子，而是更巧妙的“激光降温”。团队成员颜辉教授揭秘：光其实是有动量的，用激光不断照射原子，原子每被光“打”一下就会损失一点动量，逐渐跑不动了。等原子速度降低，再用一个特制的“陷阱”，就能把它们稳稳抓住。

当然，要维持这种“极寒”状态，离不开一个特殊的“超级保温箱”——超高真空环境。就像冰箱门得关严才能有效制冷一样，超高真空能隔绝外面的气体分子，杜绝热量向原子传递。靠着超高真空加激光冷却的“组合拳”，朱诗亮团队成功将原子温度降到了接近“绝对零度”（零下273.15℃），仅比绝对零度高十万分之一摄氏度（10μK）。

记者在实验室观察磁光阱装置时，还发现了一个令人惊讶的现象：超高真空中激光冷却的铷原子(Rb)，竟然不结冰！

这么冷的原子为啥不会凝结成固体？张善超解释道：“因为我们让原子处于极度稀薄的状态，原子之间几乎互不‘碰面’，自然不会聚成液体或固体，始终保持气态。”

把原子操控到如此精妙的程度，到底有啥用？据介绍，基于这些慢下来的原子，研究人员能开展更精准的“量子精密测量”，比如未来过安检，可能不用再人工触碰，靠太赫兹探测这类技术就能轻松完成；同时，这些原子能用来搭建量子网络，实现量子通信，这就用到了量子存储技术；当然，它们更是未来量子计算机的重要“零件”。说到底，现在的量子科技主要就三个大方向——量子计算、量子通信、量子精密测量，这些都离不开冷原子调控技术打下的坚实基础。

【记者手记】

“拿捏”原子 打开量子未来图景

走进华南师范大学超冷原子实验室，没有想象中炫目的光效，只见大块黑幕布笼罩着一排排精巧装置，幕布之中，一小束微光忽明忽暗——那，就是被科学家们用激光轻轻“抓住”的原子。

在这里，我亲眼见证了科学如何“驯化”微观世界：激光如同无形的“手”，将比发丝还细千万倍的铷原子牢牢锁定，让原本“狂奔”的粒子放慢脚步，悠哉地“散步”，甚至奇妙地“膨胀”开来。

“你们看，这些超冷原子，每秒只移动零点几厘米——慢到肉眼可辨。”张善超教授指着那束被光牵引的原子介绍道。这一刻，我真切感受到了，量子科技并非遥不可及的深奥理论，而是科研人员“捕捉”的每一个原子、调试的每一束激光，是为突破技术瓶颈、发展自主核心设备积蓄的点滴力量。广东科学家们用耐心与巧思编织的这场“原子魔法”，凝聚着“从0到1”的原创智慧。

而这些智慧，正汇入广东培育未来产业的洪流。当前，广东正围绕量子材料、量子计算、量子精密测量及关键核心设备全力攻关，向着新量子效应调控、量子计算原型机研制等关键目标奋力突破。

望着那些在极寒真空中轻盈“舞蹈”的原子，我不禁畅想：或许不久之后，它们就将通过量子互联网连接万物，在生物医药、能源革新、信息安全等领域，绽放出绚丽夺目的创新之花。