量子科学关注物质和能量在极小尺度下的行为，包括原子、电子和光粒子。虽然原子常被描绘成相互碰撞的微小球体，但量子世界却要奇异得多。原子可以表现出波的特性，同时出现在多个位置，甚至在特定条件下相互穿过。
NASA冷原子实验室研究接近绝对零度的物质
冷原子实验室大约只有迷你冰箱大小，由地球远程控制，它将原子冷却到华氏零下459度（摄氏零下237度）以下。在仅比绝对零度高的温度下，原子可以结合成一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC）的奇特量子态。
BEC由物质波组成，被认为是除固态、液态、气态和等离子态之外的第五种物质形态。尽管它比单个亚原子粒子大得多，但仍然遵循量子力学定律。近地轨道的微重力环境使得这些物质波能够变得比在地球上更大。
“在最冷的温度下，物质的行为与我们经历过的任何事物都截然不同，”建造该设施的NASA南加州喷气推进实验室冷原子实验室项目科学家杰森·威廉姆斯（Jason Williams）说，“物质的波动性占据主导地位，超冷物质的行为方式不仅出人意料，还能实现对时间、重力和运动的极高精度测量。该实验室拥有许多工具——尤其是经过最新升级后——让我们能够探索宇宙的本质。”
该设施目前支持五个研究基础物理学的国际研究团队。它还作为量子仪器的试验场，有朝一日这些仪器可能支持地球科学研究及未来的探索任务。
升级后的冷原子实验室如何工作
该设施的核心是一套被称为科学模块的精密仪器组合。该模块的新升级版本于4月11日搭乘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，铷或钾金属条被加热到高达750华氏度（400摄氏度），在真空腔内产生气体。研究人员随后使用精心调谐的激光从原子中移除能量。随着原子失去能量，它们会减速并急剧冷却。
在激光冷却阶段之后，磁场捕获并囚禁原子。额外的冷却技术进一步降低其能量，使原子云近乎完全静止，让科学家能够最大化在微重力下研究它们的时间。
为何量子实验受益于太空环境
科学家可以在地球上的实验室研究超冷气体，但太空提供了重要的优势。在微重力环境下，量子气体可以被观察更长时间，并冷却到更低的温度。
低重力环境还允许形成更大的量子波，并使其与重力相互作用更长的时间。为了使这些实验能在空间站上进行，工程师将通常需要充满激光和光学设备的房间大小的原子物理实验室，压缩成了一个可以放入空间站实验机柜内的紧凑系统。
“作为首个在轨道上制造玻色-爱因斯坦凝聚体的项目，我们正在证明我们可以让量子技术在太空中可靠地工作，”JPL冷原子实验室副项目科学家伊森·艾略特（Ethan Elliott）说，“在上一个世纪，发生了一场量子革命，催生了激光、手机和用于医学成像的磁共振成像仪（MRI）。我们正在进行‘量子2.0’——对大量子态的直接操控——我们希望通过在轨道上推进这一科学，在量子技术方面获得类似的收益。”
新升级扩展量子研究能力
这次最新的增强是自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，它可以改变量子气云的形状。这为研究人员研究超冷原子的特性和行为提供了新机会。工程师还引入了重新设计的金属原子源，用于产生实验中使用的气云。
“这是我们拥有的最接近于控制量子世界边界的事物，”JPL冷原子实验室项目经理卡迈勒·奥德希里（Kamal Oudrhiri）在谈到那些低温时说，“这次新升级进一步推进了这一边界。”
奥德希里补充说，新硬件“展示了NASA在保持美国在天基量子技术领域领导地位的同时，不断成熟未来量子仪器的能力，例如用于基础物理任务以及对地球、月球及更远区域进行定位、导航、授时和重力传感的物质波干涉仪。”
推进太空量子技术
冷原子实验室由位于帕萨迪纳的加州理工学院管理，而NASA喷气推进实验室设计、建造并运营该设施。该项目由位于华盛顿的NASA科学任务理事会下属的生物与物理科学部赞助。
该部门通过利用太空的独特条件进行无法在地球上进行的实验，从而支持科学发现。通过研究极端环境下的生物和物理过程，研究人员获得的知识可以帮助人类在太空中行进得更远、停留更久，同时也为地球上的生活带来益处。