陈宇翱，中国科学技术大学近代物理系教授，主要致力于基于光子和超冷原子操纵的可拓展量子信息处理研究，其研究成果得到国内外学术界高度评价，一次入选《自然》年度十大科技亮点，两次入选欧洲物理学会“年度物理学亮点”，两次入选美国物理学会“年度物理学重大事件”，五次入选由两院院士评选出的“中国十大科技进展新闻”，2013年欧洲物理学会授予2013年度“菲涅尔奖”；2016年度陈嘉庚青年科学奖。
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大家知道，现在量子通信非常火热，我们的量子卫星之前已经运到酒泉去等着发射了，我们的京沪干线在今年年底会开通。在这个炎热的夏天，外面的温度三十七八度，我想给大家带来一点不一样的、冷一点、酷一点的东西，我们这个叫冷原子。那冷原子是什么呢？听我给大家慢慢讲来。
首先要讲冷，那么我们要从热开始讲起，从温度开始讲起。
温度的国际标准单位是开尔文，跟我们通常用的摄氏度只差了273.15，那我们知道太阳表面的温度大概是6000K左右或者6000摄氏度左右，差不多。它基本上已经可以汽化地球上所有的物质了，但是它其实比我们平时喝的开水温度高了两个数量级，大概就是多了20倍左右，不到两个数量级，一个数量级。
而我们知道目前已知的物质、或者说已知的自然界有的、最冷的也就是液氦，大概4K左右，跟太阳表面也就只差了三个数量级。我想要讲的这个冷，，还在它（液氦）的一万倍以下，就是在10 -4K往下开始，它有趣的地方在哪？当在这个温度往下开始，这个原子就不能再考虑它是一个粒子，而是必须得考虑它的波动的性质了，继续往下冷，就可以冷到一个，可以说是科学界或者说原子界的里程碑——玻色 爱因斯坦凝聚。
那么，到底冷原子和玻色 爱因斯坦凝聚是个什么东西呢？
简单地来介绍一下，我们现有的，比如说我们报告厅里面的空气分子都是特别小，就是说原子与原子之间的距离都特别大，那么在传统的统计理论里面认为每个分子都可以给它冠名，这个叫张三，这个叫李四，每个原子都不一样。
比如说报告厅里面的人，每个人都有各自的名字和身份证，如果说前排两个人交换一下座位，对这个报告厅的整个体系来讲，我们认为这个状态是改变了。但是随着原子运动速度越来越慢，它越来越冷，慢慢展现出它的波动的性质出来。
形象地比喻来说就是这个原子变得越来越胖，当它本身的波长和它的距离可以比拟的时候，比如说我们报告厅内的人，这边空调会越开越冷，每个人都会越来越胖，大家互相之间就要开始碰到了。
继续冷下去，就变成了你中有我，我中有你，所有的原子变成了一个量子态。如果每个人都膨胀到像报告厅那么大的时候，每个人都是你中有我，我中有你，区分不清楚了，那这样的话两个人如果换一下座位，对外界来说看不出任何的区别，这就是玻色 爱因斯坦凝聚。
这是1925年爱因斯坦在发表的“理想气体的量子统计”，他在1925年首次预言了这么一个现象。
为什么叫做玻色 爱因斯坦凝聚呢？这里面有个小故事。
在1924年以前，理想气体的统计符合的是玻尔兹曼统计。玻尔兹曼提出自己的统计理论之后，对整个理想气体的分子运动等，（进行了完美的解释），（其中）一个基本的概念就是对原子可以进行区分。
但是有个印度的科学家玻色在研究光子统计的时候发现了不一样的现象。他认为在微观粒子来说，各个原子不可区分。他写了一个关于光子的统计，发给了各个杂志，但是处处碰壁，因为他这个某种意义上来说真的是挑战权威，而他作为一个连博士学位也没有拿到的屌丝科学家，得不到任何的认可。他也很执着，很任性的一怒之下把这个论文寄给爱因斯坦了。当时爱因斯坦已经是高富帅了。但是爱因斯坦一看这个论文就特别激动，马上就把他的论文翻译成了德语，在德国的杂志上就发表了。然后八天之后，爱因斯坦在玻色的基础上提出了理想气体的量子理论，因为玻色只是关于光子的统计。然后1925年，他继续在这个基础上预言了玻色 爱因斯坦凝聚的现象。后来也为了纪念这个（事情），管这个凝聚叫做玻色 爱因斯坦凝聚。
在玻色 爱因斯坦凝聚提出来之后，理论学家也好、实验学家也好都为了这个可以讲说是圣杯，可以讲是里程碑的（理论），能在实验上观测而努力着。
但是，与此同时在另外一个领域，在凝聚态系统里面，大家在为理解电子的运动而犯愁的。电子运动本身很简单，它一共有几种运动，电子在格点上可以转，在旁边有空的格点它可以从这边移到那边去，互相之间可以交换。
这里有一个最典型的或者说最美最妙的模型就是Hubbard模型，Hubbard大概在1963年提出来，这么简单的方程式就描述了刚刚非常简单的运动。但是问题在哪？问题在这么简单的一个模型，这么美的一个方程式，它解不出来。
首先它解析解是没有的，为了要解数值解，他所需要的计算资源跟粒子数是呈指数增长。指数增长是一个什么概念呢？就是说有个比较著名的故事，那个国王想要奖励发明国际象棋的这个人，问他，你有什么要求，他说我也没什么要求，你就第一天给我在第一个格点上放一粒米，第二天放两粒，以后每天是它的两倍，然后就可以了，你把这个棋盘放满就可以了。然后国王说这个很简单嘛，好，同意！结果他发现不到一个月，他全国所有的粮食都已经放进去了。所以这个递增，就是两倍两倍往上涨，是非常大的一个数字。
具体来讲，我们现在的超算第一名，已经超过了天河二号的（神威）太湖之光，它所能处理的也就大概45个电子的运动，我们每个人都有的智能手机，它大概能处理25个，也就比神威少了20个。
如果我们想要模拟300个电子运动，它所需要的存储空间就是2 300，这个数字已经超过了目前我们已知宇宙的原子数总和。而我们知道，我们真的想要研究电子运动，实际上你要考虑的是成千上万可能几十亿个非常多的远不止这个数字的。
对于这个问题，费曼就提出来说，这个自然界它不是经典的，如果你想要模拟这个自然界实在是太难了，那你最好把这个计算机给量子化。这个本身就是一个非常美妙的问题，他认为。在他的天才的想法下，他首次提出了量子计算与量子模拟的概念。
什么意思？就是相当于我用一个可控的量子体系，就是在他的体系里面，就是用原子体系来模拟电子的体系。这里的模拟是什么意思？当年苏联开发无人战机的时候进行飞机测试，飞机飞上去有问题就坠毁了，测试了几次成本太巨大。每架（飞机）都是好几亿美金，它（老坠毁），苏联政府受不了了，把当时的皇家科学院所有的院士都召集起来，说这个问题摆在这儿了，你得给我们解决。那么他们讨论了几天之后，一个数学家在一个纸上写了个公式画了个图，他说你就按照这个东西来给我建这么一个东西，以后你的飞机就不用非得上天测试了，这个就是（测试飞机的）风洞。
那么费曼提出的这个机制，某种意义上就是给电子建造一个风洞。而用什么？用冷原子。为什么要用冷原子？当原子进入到玻色 爱因斯坦凝聚之后，它每个原子都一样了，在这个情况下才能够使得原子它在格点上的行为能够跟电子一模一样。所以就是说它可以利用原子做一个最简的可控模型，使计算能力得到重大的突破，当我们能够操纵比如说50个原子的时候，现在就已经能超越神威太湖之光的计算能力了。
那么费曼相当于提出了一个当时对玻色 爱因斯坦凝聚非常好的应用吧。不管怎么样，玻色爱因斯坦凝聚本身就是一个大家追求的里程碑式的一个圣杯。在这条道路上，大家一直在努力着，但是几十年过去之后，实验上一直没有太多的进展，一直到80年代才开始有了突破。
当我们有了激光之后，人们开始提出一种用激光来冷却原子的方式。什么意思呢？不知道各位在火车站接人的时候有没有感受到过，当火车开过来和离开的时候你听到的声音不一样，这个就是叫多普勒效应，跟你迎面而来的频率和跟你离开而走的频率不一样。那么，我调节这个光和调节这个原子，使得光只会对迎面而来的原子起作用，后面来的光就直接穿过去，不会挡它了。这样的话我如果在每个方向都打光，这个原子往这个方向跑，那么光就像划一个如来神掌：你给我滚回去，就把它给冷下来了。实际上你看光本身也不强，但是它最大的加速度能够达到重力加速度的负一万倍，能到10 5米/秒平方的加速度，能够在很快的时间内能把原子从室温冷到最小的温度，大概10 K。这个工作在实验上实现之后，提出理论的Claude Cohen-Tannoudji和实验实现的华裔科学家朱棣文先生、Bill Phillips他们三个人共享了1997年的诺贝尔物理学奖。
但是这个温度还不够，刚刚讲了10 K,,离玻色 爱因斯坦凝聚还差了几个数量级，进一步冷却之后，怎么弄呢？一个非常妙的主意是叫蒸发冷却。蒸发冷却就像我们喝咖啡、喝水的时候，我们就吹一吹让水蒸气跑掉，它慢慢就冷下来了。我们在原子里面怎么弄？大概10 K原子它始终会有个速度分布，有些热的，有些是冷的，热的始终在边缘处，比较容易逃逸，冷的在下面，我想个办法这个碗慢慢放小了，放小使得热原子容易逃逸的那部分就跑了，跑了之后剩下的原子温度会重新分布，分布下来，它就慢慢的冷下来了。
蒸发冷却也是在1989年最先在实验上实现。非常有意思的就是，这两位科学家（Tom Greytak、Daniel Kleppner）最初的目标就是奔着玻色 爱因斯坦凝聚去的，但是他们选错了原子，所以说科学家也有一点靠运气，他们选了氢原子，我们知道氢原子是在元素周期表排第一个的，认为很简单，但是结果发现做了蒸发冷却之后没有实现。
相反的，另外几位科学家在他的基础上，Cornell和Wieman用的是铷原子，Ketterle用的是钠原子，在1995年先后实现了玻色 爱因斯坦凝聚，这两位先生非常遗憾的在三年之后才实现了对氢原子的凝聚。所以在2011年，诺贝尔奖百年纪念的时候把诺贝尔奖颁给了这三位首先实现了玻色 爱因斯坦凝聚的科学家。
有了这个之后，真的可以讲是一个新的起点。有了玻色 爱因斯坦凝聚之后，就可以对这个原子进行单独的操控，因为原子比电子大了1000倍，所以可以把它放到跟电子一样的环境下，看它到底是怎么运动的。
现在讲起来最能直接应用的应用就是说目前现在这个高温超导，高温超导本身的机制，大家知其然而不知其所以然，就像炒菜的时候我们这边的菜谱就是加盐少许，加糖少许，但是到底加多少你也搞不清楚，为什么加这么多就好吃，多加一点是不是就不好吃了，也搞不清楚。我们希望通过用冷原子来理解高温超导机制，反过来再建议怎么调整能够实现比如说室温下超导。
如果真的能够实现室温下超导的话，那么像上海的磁悬浮也不用亏本运营了。上海到北京或许只要半个小时就可以到了。
还有更好的应用就是量子计算，待会儿王坚老师可能会谈到这个问题，人们对计算能力的需求可以说是贪得无厌的。
最后的几分钟时间我稍微简单的给大家展示一下我们实验室到底是怎么做的。非常简单。
这个是我们的一个整体的装置图，如果从这个方向看过去的话，它是一个这样的井，为什么？因为我们原子特别冷，所以必须得用真空把它放到一个与世隔绝的环境里面，因为我们空气中的温度太热了，跟它一碰就热起来了，所以必须得把它放到真空的环境里面。
这些都是线圈，原子从这个地方进来，这个地方就是刚刚讲的用激光冷却原子的方法把它冷到大概10 K左右，进一步通过磁场把原子转移到这个地方，在这个地方就可以做蒸发冷却，蒸发冷却到玻色 爱因斯坦凝聚，然后再用它做光晶格等各种各样的冷原子实验。这是实验的方式。
这是那个平台，刚刚看到的腔是在这个有绿光的地方。这是我们另外的平台，还有一个平台，一共有三个平台，还是比较复杂的。要比起计算能力和能耗的话，如果能够实现的话，我们能耗比神威小了不知道多少倍，计算能力也会比它强。可见的一个未来，当我们比如说能够操纵25个粒子的时候，就像我们的智能手机、商用CPU就相当于这样的能力了，太湖之光相当于操纵45个粒子的量子计算机；当我们操纵100个粒子的时候就相当于全世界计算能力总和的100万倍。
一个展望，相信在五年内就能够实现50个粒子的量子计算，可以对特定的问题进行模拟，然后在十年内就能实现操纵100个粒子的量子计算机。
回到我们大会的主题——创新。不能说是为了创新而创新，比如说爱因斯坦最初提出玻色 爱因斯坦凝聚的时候，也有人质疑说这个东西没什么用，但是后来慢慢的发展才发现有用。比如一个苹果，你不能说最后摘到这个苹果的人是创新，而最先发现苹果能吃的，最先培育苹果的，最先可以增加苹果产量的……这些人都是在创新。所以可以讲各行各业也好，各个领域也好，时时刻刻都在创新。那么我们不能为了创新而创新，就像我们量子通信在十年前其实做得还不错了，但是那时候可以讲没什么人关注。现在突然一股脑大家都火起来了，大家才去关注。所以我希望大家也能关注一下我们更冷一点、酷一点的东西。
好，这是我今天的演讲，谢谢大家。
