量子模拟重大突破，科大团队首次测得第二声衰减率 | 科技袁人_风闻

导读

潘建伟团队首次测得神秘“第二声”衰减率。

热在物质中是怎么传播的？通常是通过扩散，即从近到远温度逐渐降低。然而，在某些情况下它也可能以波动的形式传播，很像声波。因此，这种现象被称为第二声，相对的普通声波被称为第一声。第二声不会出现在普通物质中，只会出现在某些特殊的物质中，例如超流的氦。

如果你不知道超流是什么，我来稍微解释一下：超流就是粘滞性变成0。例如，装在一个开口杯子中的超流体可以自发地爬出来。又如普通的液体中如果产生一个旋涡，它会逐渐消失，而超流体中的旋涡却不会衰减，会永远存在下去。这听起来跟超导很像，因为超导是电阻变成0，超导体中的电流不会衰减，会永远存在下去。没错，超导和超流属于同一大类现象。它们都是宏观量子现象，具体而言都来自玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einistein condensation）。

通过在液氦中测量第二声及其相关的热输运现象，人们建立了一个普适的理论，叫做动力学标度理论（dynamical scaling theory）。这个理论对许多量子体系的相变都有重要的指导意义，例如高温超导，因为这个理论指出许多不同体系的相变过程都遵从相同的某些普适函数。然而，在液氦中很难把这些普适函数测准，因为它的临界区域很窄，操控性也很有限。总之，就是通过液氦人们发现了第二声这种现象，但难以深入。

最近，我的科大同事潘建伟、姚星灿、陈宇翱等人取得了突破。他们用另一种体系，把第二声相关的普适函数测量得很准。这种体系叫做超冷费米原子（ultracold fermonic atoms），其实就是又冷又稀薄的Li-6原子气体。他们在《Science》上发了一篇长文章，标题是《近量子临界性的第二声衰减》（Second sound attenuation near quantum criticality）。想想看，为什么这个标题里没写是什么体系？因为前面已经说了，这些函数是普适的！

下面我来念一段新闻稿（http://news.ustc.edu.cn/info/1055/78322.htm）：

在该项工作中，中国科大研究团队经过4年多的艰苦攻关，搭建了一个全新的超冷锂-镝原子量子模拟平台，融合发展了灰色黏团与算法冷却、盒型光势阱等先进的超冷原子调控技术，最终成功地实现了世界领先的均匀费米气体的制备；与此同时，研究团队还基于低噪声行波光晶格与高分辨原位成像技术，实验实现并理论诠释了低动量传递（约百分之五的费米动量）与高能量分辨率（优于千分之一的费米能）的布拉格谱学方法，并利用其实现了对体系密度响应的高分辨测量。在取得上述两项关键技术突破的基础上，研究团队成功地在幺正费米超流体的密度响应中观测到了第二声的信号（如图1（D）所示），并获得了完整的幺正费米超流体的密度响应谱，实验结果与基于耗散两流体理论的描述高度吻合。

我来注释一下，这段是解释了他们为什么能做出这些实验：因为他们在技术上取得了突破，能做到别人做不到的事。

再来念一段新闻稿：

进一步地，研究团队获得了第二声的衰减率（声扩散系数），并以此准确测定了体系的热导率与粘滞系数。研究结果表明，幺正费米超流体的输运系数均达到了普适的量子力学极限值，例如第二声扩散系数约为ℏ/m，热导率约为nℏkB/m。这些极限值仅由约化普朗克常数（ℏ）和玻尔兹曼常数（kB）、粒子质量m和密度n决定。此外，他们还在超流相变附近观测到了上述输运量的临界发散行为，并发现幺正费米超流体具有一个可观的临界区（比液氦超流体临界区大约100倍）。这一发现为利用该体系开展进一步的量子模拟研究，从而理解强关联费米体系中的反常输运现象奠定了基础。

我来注释一下，这段是解释了他们成果的意义。测量结果确实跟理论预测一致，而且这种超冷费米原子的体系比液氦好用得多，临界区扩大了100倍。

再来念一段新闻稿：

Science杂志的审稿人对该工作给予了高度评价，称该项工作“展示了令人惊叹的实验杰作”（This paper presents spectacular, “tour de force,” experiments,…），“这是一篇极为出色的论文”（This is an extremely impressive paper…），“该工作有望成为量子模拟领域的一项里程碑”（…this paper could be a milestone in quantum simulation…）。

这段就好像没什么好注释的了！不过我还是需要注释一下，这里的一个关键词是“量子模拟”，即用一种量子体系模拟另一种量子体系。我最近出版了一本科普书《量子信息简话》，其中介绍了量子计算。其实量子计算跟量子模拟的基本思想就非常相似，都是用一种物理体系模拟另一种体系，把一个困难的问题转化到另一个相对容易的体系来解决，所以人们也经常把两者并称，叫做“量子计算与量子模拟”。

最后，有一种社会现象，我想请大家思考一下。这种社会现象就是“民科”。以前经常有民科说，量子通信是骗局，搞量子通信的这些人是骗子！后来我的这些同事又在量子计算领域取得很多成果，然后民科就愤怒地说，量子计算也是假的，这些人是想通过量子计算为自己的量子通信骗局转移注意力！现在，科学家们又在量子模拟以及很多其他领域取得成果，例如不久前用实验证明了量子力学中复数不可或缺（复数是不是描述物理世界所必需的？| 袁岚峰），民科又该说什么呢？是不是又要说所有这些都是假的呢？

世界上有些人在不断做实事，而有些人连人家做的是什么都看不懂，只知道叽叽喳喳喷人家。对于这种人，我们能说什么呢？真是可悲又可怜。