摘要：最近，一名物理学家开发出“量子录音机”，用里德伯原子系统录制声音信号，并用它录下了自己用吉他弹奏的旋律。克里斯·霍洛威（Chris Holloway）怀抱一把吉他，皇后乐队《Under Pressure》的旋律从他的指尖流出，被旁边的里德伯原子（Rydberg atom）系统记录下来。

来源 | 公众号“科研圈”

撰文 | 戚译引

里德伯原子是一类具有特殊性质的原子，它或许能为我们带来新的通讯技术，甚至改进量子计算。最近，一名物理学家开发出“量子录音机”，用里德伯原子系统录制声音信号，并用它录下了自己用吉他弹奏的旋律。

克里斯·霍洛威在实验室。图片来源：J. Burrus at NIST

在美国国家标准与技术研究院（NIST），一名物理学家刚刚实现了他追寻六年的目标：在实验室录制歌曲。

克里斯·霍洛威（Chris Holloway）怀抱一把吉他，皇后乐队《Under Pressure》的旋律从他的指尖流出，被旁边的里德伯原子（Rydberg atom）系统记录下来。这项研究成果最近发表在美国物理学会（American Institute of Physics ）旗下的 AIP Advances期刊上（论文链接）。

本次研究中录制的音乐。来源：Holloway et al.

目前这个系统在低音部分的表现确实不怎么样，录音效果听起来有点像黑胶唱片。但是霍洛威说：“这些‘原子天线’或许能够提供一种更好的方法，让我们在噪声中提取声音信号，甚至是在深空通讯中所传输的非常微弱的信号。”

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里德伯原子指处于极高激发态、接近电离状态的原子，其大小能够达到它处于基态时的数千倍，也就是说最外层电子与原子核之间的距离非常远，因此它对电磁场非常敏感。物理学研究中常常使用铷、铯等碱金属元素的里德伯原子，因为它们的最外层只有一个电子，其他的电子都聚集在原子核周围，就像一个很重的氢原子。

如图。这是一个玻尔原子模型，主量子数 n 的原子轨道可以理粗略理解为电子走过的二环、三环。里德伯原子的最外层电子拥有很大的主量子数 n，它的位置已经跑出了画面。| 图片来源：Wikipedia

近年来，物理学家希望用里德伯原子开发出更加精细的电场测量技术。让微波或激光谱线通过里德伯原子蒸汽，来测量原子的量子跃迁情况, 就能测出微弱静电场的大小，精度能够达到几个 μV/cm，而一般的偶极天线测量最小只能探测到 1 mV/cm 的静电场。而在微波电场里，一个里德伯原子就像一架庞大的天线（原子尺度上的庞大），因此物理学家还能用它实现微波电场的连续测量。

有了这样的研究基础，用里德伯原子录音其实并不困难。霍洛威要做的，就是先将声信号转换成电磁信号，然后将原子汽室放在电磁场中；当原子感应到电磁场、发生跃迁的时候，通过汽室的激光信号发生变化，被仪器记录下来，一台“量子录音机”就诞生了（不过这也花了他们六年时间）。

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其实，这不是物理学家第一次尝试用里德伯原子录音。去年 9 月，美国安娜堡 Rydberg Technologies 公司的科学家用铯原子录了一段《玛丽有只小羊羔》。选择这首曲子大概是出于对托马斯·爱迪生的致敬，他选择了这首儿歌对录音机进行测试，使其成为人类历史上首次被记录下来的声音。

而霍洛威实验室成功用里德伯原子录下了立体声。他们将铯原子和铷原子放进同一个原子汽室，用不同频率的激光束照射它们，让一类原子记录乐器的声音，另一类原子记录人声。为了测试系统所能测量的音域范围，他们选择了皇后乐队的音乐，因为主唱弗雷迪·莫库里（Freddie Mercury）有着极其宽广的音域。

“量子收音机”示意图，中间绿色和橙色的激光用于激发铯原子，蓝色和红色的激光用于激发铷原子，两侧的探测器对经过汽室的激光进行测量。来源：Holloway et al.

“我们想做立体声的原因之一，是因为这需要让一台设备同时收录两个频道，传统的收音设备很难做到这点，”霍洛威说。他认为，尽管原子通讯的时代还远未到来，但是这种技术或许能够改进通信安全。里德伯原子系统虽然对电磁场变化敏感，但是另一方面，它也具有良好的抗干扰特性，有望实现安全、无损的信号传输。

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里德伯原子的名字来自瑞典物理学家约翰内斯·里德伯（Johannes Rydberg）。里德伯对光谱有深入的研究，巴尔末、玻尔等同时代的科学家都十分肯定他的贡献。遗憾的是，他在瑞典一直不被重视。当年隆德大学校长职位空缺的时候，里德伯是唯一合适的人选，但校方愣是让那个职位空了四年，最后才让他上任。他甚至一生未能加入瑞典皇家科学院。

约翰内斯·里德伯（Johannes Rydberg），1854-1919 | 图片来源：Wikipedia

里德伯最终于 1919 年去世，三年后，玻尔在他的故乡被授予诺贝尔物理学奖，并且在获奖感言中特别表达了对他的感谢。

一个世纪之后，里德伯原子已经成为精细测量学和量子信息处理领域的明星。碱金属的里德伯原子最外层只有一个电子，能够长期处于一种量子叠加态，适合用来生成量子位；并且里德伯原子之间的相互作用很强，能够用来制造处理信息所需的逻辑门。

接下来，霍洛威团队计划进一步研究仪器的性能，看看里德伯原子能测量的最小的电场变化是多少，以及它能达到怎样的信号传输速度。当然，用业余时间出张“原子专辑”也不错，就像《生活大爆炸》里的谢耳朵所说的：“为什么？因为我行。”

参考来源：

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. 黄巍, 梁振涛, 杜炎雄, 颜辉, 朱诗亮. 基于里德堡原子的电场测量[J]. 物理学报, 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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来源：科研圈

编辑：Major Tom

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