美国宇航局升级后的冷原子实验室在国际空间站再次投入运行，为研究人员提供了一种强大的新方法，以调查物质的基本性质并推进未来量子技术的发展。利用国际空间站的微重力环境，该设施使得在地球上无法进行的实验成为可能。量子科学专注于极小尺度上物质和能量的行为，包括原子、电子和光粒子。尽管原子通常被描绘成互相碰撞的小球，但量子世界远比这要奇怪。原子可以像波那样表现，可以同时出现在多个位置，甚至在某些条件下互相穿透。美国宇航局的冷原子实验室研究接近绝对零度的物质，这个实验室大小与迷你冰箱相仿，由地球远程控制，将原子冷却到低于零下459华氏度（零下237摄氏度）的温度。在接近绝对零度的温度下，原子可以结合成一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的不寻常的量子状态。BEC由物质波组成，被认为是固体、液体、气体和等离子体之外的第五种物质状态。尽管它比单个亚原子粒子大得多，但它仍遵循量子力学的定律。低地球轨道的微重力条件使这些物质波比在地球上变得更大。“在最低温度下，物质的行为与我们所经历的任何东西都截然不同，”南加州美国宇航局喷气推进实验室冷原子实验室的项目科学家杰森·威廉姆斯说道。“物质的波动性质占主导地位，超冷物质可以以不仅令人意想不到的方式表现，同时还能够进行极为精确的时间、重力和运动测量。实验室配备了许多工具——尤其在这次最新的升级中——让我们能够探测宇宙的本质。”该设施目前支持五个国际研究团队研究基础物理学。它还作为量子仪器的测试平台，这些仪器未来可能支持地球科学研究和探索任务。升级的冷原子实验室如何工作设施的中心是一组复杂的仪器，称为科学模块。这个模块的最新升级版本于4月11日通过商业补给服务任务抵达空间站，扩大了科学家可以进行的实验范围。在实验过程中，铷或钾金属条加热到高达750华氏度（400摄氏度）的温度，在真空腔内创造气体。研究人员随后使用经过精确调谐的激光从原子中移除能量。当原子失去能量时，它们减速并急剧冷却。在激光冷却阶段之后，磁场捕获原子并将其保持在一个范围内。额外的冷却技术进一步降低其能量，使原子云接近完全静止，从而让科学家能够在微重力环境中最大限度地延长研究时间。为什么量子实验在太空中受益科学家可以在地球上的实验室中研究超冷气体，但太空提供了重要的优势。在微重力下，量子气体可以被观察更长时间，并冷却到更低的温度。低重力环境还允许更大的量子波形成并在重力影响下相互作用更长时间。为了使这些实验能够在空间站进行，工程师将通常需要一个充满激光和光学设备的房间大小的原子物理实验室压缩成一个紧凑的系统，适合放置在空间站的实验机架上。“作为第一个在轨道上创造玻色-爱因斯坦凝聚态的项目，我们正在展示量子技术可以可靠地在太空中工作，”冷原子实验室的副项目科学家伊桑·埃利奥特说道。“在上个世纪，出现了一场量子革命，导致激光、手机和医学成像的MRI问世。我们正在进行量子2.0——对大型量子状态的直接操控——我们希望通过在轨道上推进这门科学获得类似的量子技术突破。”新升级扩展了量子研究能力最新的增强是自2018年冷原子实验室安装在国际空间站以来的第四次重大升级。最显著的改进之一是重新设计的磁阱，可以改变量子气体云的形状。这为研究人员提供了新的机会，以调查超冷原子的特性和行为。工程师们还引入了重新设计的金属原子源，以生成实验中使用的气体云。“这是我们能够控制量子世界边界的最接近的事物，”冷原子实验室项目经理卡马尔·欧德赫里说道，指的是这些新的设备。