美國太空總署改造後的冷原子實驗室在國際太空站上重新啟動並運行，為研究人員提供了一種強大的新方法來探索物質的基本性質並推動未來量子技術的發展。該設施利用太空站的微重力環境，可以進行地球上無法進行的實驗。
量子科學專注於非常小尺度上的物質和能量的行為，包括原子、電子和光粒子。儘管原子被描繪成相互碰撞的小球，但量子世界卻要陌生得多。原子可以像波一樣運動，同時出現在多個地方，甚至在某些條件下可以互相穿過。
美國太空總署冷原子實驗室的研究發現物質接近絕對零
冷原子實驗室的大小與小型冰箱相當，可從地球遠端控制，可將原子冷卻至華氏零下 459 度（負 237 攝氏度）的溫度。在絕對零度以上的溫度下，原子可以結合成一種不尋常的量子態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC）。
BEC由物質波組成，被認為是除固體、液體、氣體和等離子體之外的第五種物質態。儘管它比單一亞原子粒子大得多，但它仍然遵守量子力學定律。低地球軌道的微重力條件使這些物質波變得比在地球上更大。
「在最冷的溫度下，物質的行為與我們經歷過的任何事情都非常不同，」建造該設施的美國宇航局噴氣推進實驗室冷原子實驗室的項目科學家傑森·威廉姆斯說。 「物質的波動性占主導地位，超冷物質的行為方式不僅可以實現意想不到的，而且可以非常精確地測量時間、重力和運動。實驗室有很多工具——尤其是這個最新版本——讓我們能夠研究宇宙的本質。”
該設施目前支持五個研究基礎物理學的國際研究小組。它也可以作為量子儀器的測試平台，有一天可以支援地球科學研究和未來的探索任務。
更新後的冷原子實驗室如何運作
該設施的中心是一系列複雜的儀器，稱為科學模組。該模組的升級版於 4 月 11 日抵達太空站執行商業補給服務任務，擴大了科學家可以執行的實驗範圍。
在一項實驗中，銣或鉀金屬條被加熱到高達 750°F (400°C) 的溫度，在真空室內產生氣體。然後研究人員使用精心調諧的雷射來去除原子中的能量。當原子失去能量時，它們的速度會減慢並急劇冷卻。
在雷射冷卻階段之後，磁場捕獲原子並使它們保持附著。額外的冷卻技術進一步降低了它們的能量，使原子雲更接近完全靜止，並使科學家能夠最大限度地延長在微重力下研究它的時間。
為什麼量子實驗受益於太空
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時間並被冷卻到更低的溫度。
低重力環境允許更大的量子波形成並與重力相互作用更長時間。為了使這些實驗能夠在太空站上進行，工程師將一個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，安裝在太空站的實驗架內。
噴射推進實驗室冷原子實驗室副項目科學家伊森·埃利奧特 (Ethan Elliott) 表示：「作為第一個在軌道上製造玻色-愛因斯坦凝聚體的項目，我們正在證明量子技術可以在太空中可靠地工作。」「上個世紀，發生了一場量子革命，催生了雷射、手機和用於醫學成像的核磁成像。 2.0——直接操縱大量子態——我們希望透過將這門科學推進軌道，在量子技術方面取得類似的進展。
一項新的創新擴展了量子研究的能力
此次升級是自2018年國際太空站安裝冷原子實驗室以來的第四次重大升級。
最重要的改進之一是重新設計的磁阱，它可以改變量子氣體雲的形狀。這為研究人員研究超冷原子的性質和行為提供了新的機會。工程師也重新設計了金屬原子源，以產生實驗中使用的氣體雲。
噴射推進實驗室冷原子實驗室專案經理卡邁勒·奧德希里 (Kamal Oudrhiri) 在談到低溫時表示：“這是我們最接近控制量子世界邊界的事情。” “這個新版本進一步推動了這一界限。”
奧德里裡補充說，新硬體“證明了美國宇航局有能力保持美國在天基量子技術方面的領先地位，同時成熟未來的量子儀器，例如用於地球、月球及其他地方的基礎物理任務、定位、導航、時間和重力感測的物質波干涉儀。”
推進太空量子技術
冷原子實驗室由位於帕薩迪納的加州理工學院運營，美國太空總署噴氣推進實驗室設計、建造和運營該設施。此計畫由華盛頓美國太空總署科學任務理事會生物和物理科學部贊助。
該部門支持科學發現，利用太空的獨特條件進行地球上無法進行的實驗。透過研究極端環境中的生物和物理過程，研究人員獲得了一些見解，可以幫助人類走得更遠，在太空停留更長時間，同時也有利於地球上的生命。
