美國國家航空暨太空總署（NASA）升級後的低溫原子實驗室（Cold Atom Lab）已重新在國際太空站上運作，為研究人員提供了一種強大的新方法來探究物質的基本性質，並推進未來量子科技的發展。該設施利用太空站的微重力環境，能夠進行在地球上無法進行的實驗。
量子科學專注於物質和能量在極小尺度下的行為，包括原子、電子和光粒子。雖然原子常被描繪成互相碰撞的微小球體，但量子世界遠比這更奇異。原子可以像波一樣運動，同時出現在多個位置，甚至在特定條件下可以互相穿透。
NASA 的低溫原子實驗室研究接近絕對零度的物質
低溫原子實驗室的大小約為一台小型冰箱，並由地球遠端控制，它將原子冷卻至攝氏零下 237 度（華氏零下 459 度）以下的溫度。在接近絕對零度的溫度下，原子可以結合形成一種不尋常的量子狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein condensate, BEC）。
BEC 由物質波組成，被認為是除了固體、液體、氣體和電漿之外的第五種物質狀態。即使它比單獨的亞原子粒子大得多，但它仍然遵循量子力學定律。近地軌道的微重力條件允許這些物質波變得比在地球上更大。
位於南加州的 NASA噴射推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）低溫原子實驗室的專案科學家 Jason Williams 表示：「在最冷的溫度下，物質的行為與我們所經歷的任何事物都截然不同。物質的波動性佔主導地位，超冷物質的行為不僅出乎意料，而且能夠實現對時間、重力和運動的極其精確的測量。該實驗室擁有許多工具——特別是隨著最新的升級——讓我們能夠探究宇宙的本質。」
該設施目前支持五個國際研究團隊研究基礎物理學。它也作為量子儀器的試驗場，這些儀器未來可能支持地球科學研究和未來的探索任務。
升級後的低溫原子實驗室如何運作
該設施的核心是一套複雜的儀器，稱為科學模組。這個新升級的模組於 4 月 11 日搭乘商業補給服務任務抵達太空站，擴大了科學家可以進行的實驗範圍。
在實驗過程中，條狀的銫或鉀金屬被加熱到攝氏 400 度（華氏 750 度）的高溫，在真空室內產生氣體。然後，研究人員使用經過精確調諧的雷射從原子中移除能量。隨著原子失去能量，它們會減速並顯著冷卻。
在雷射冷卻階段之後，磁場會捕捉原子並將它們保持在容器內。額外的冷卻技術進一步降低它們的能量，使原子雲接近完全靜止，從而讓科學家能夠最大化其在微重力下進行研究的時間。
為什麼太空實驗有利於量子實驗
科學家可以在地球上的實驗室研究超冷氣體，但太空提供了重要的優勢。在微重力下，量子氣體可以被觀察更長的時間，並冷卻到更低的溫度。
低重力環境也允許更大的量子波形成並與重力相互作用更長的時間。為了使這些實驗在太空站上成為可能，工程師們將一個通常需要房間大小的原子物理實驗室（充滿雷射和光學設備）壓縮成一個緊湊的系統，可以放入太空站的實驗架中。
JPL 低溫原子實驗室的副專案科學家 Ethan Elliott 表示：「作為第一個在軌道上創造玻色-愛因斯坦凝聚態的項目，我們正在證明我們可以在太空可靠地實現量子技術。在上個世紀，一場量子革命催生了雷射、手機和用於醫學影像的核磁共振儀。我們正在進行量子 2.0——直接操控大型量子態——我們希望透過在軌道上推進這項科學，在量子技術方面取得類似的進展。」
新的升級擴大了量子研究能力
這是自 2018 年低溫原子實驗室安裝在國際太空站以來，第四次重大升級。
其中最顯著的改進之一是重新設計的磁性陷阱，可以改變量子氣體雲的形狀。這為研究人員提供了新的機會來研究超冷原子的性質和行為。工程師們還引入了重新設計的金屬原子源，用於產生實驗中使用的氣體雲。
JPL 低溫原子實驗室的專案經理 Kamal Oudrhiri 談到這些低溫時表示：「這是我們最接近控制量子世界邊界的東西。這次新的升級將這個邊界推得更遠。」
Oudrhiri 補充說，新硬體「證明了 NASA 在太空量子技術領域保持美國領先地位的能力，同時也成熟了未來的量子儀器，例如用於基礎物理任務、定位、導航、計時以及對地球、月球及更遠處進行重力感測的物質波干涉儀。」
推進太空中的量子技術
低溫原子實驗室由帕薩迪納的加州理工學院（Caltech）管理，而 NASA 的噴射推進實驗室則設計、建造並運營該設施。該項目由華盛頓 NASA 科學任務理事會內的生物與物理科學部贊助。
該部門透過利用太空的獨特條件進行在地球上無法進行的實驗來支持科學發現。透過研究極端環境中的生物和物理過程，研究人員獲得的知識可以幫助人類走得更遠，並在太空中停留更長時間，同時也為地球上的生活帶來益處。
