“作为量子物理学家，我们的最终目标是创造和测量尽可能接近绝对零度的系统。这是最低的温度极限，大约在-273°C左右，或者在开尔文温标上是零，这是粒子停止运动的时候。这些超冷系统对于成功利用量子技术或在量子实验中减少噪音非常重要，”OIST量子系统部门负责人、该研究的合著者托马斯·布施教授说物理评论快报。“因此，能够探测到温度的微小变化是至关重要的，哪怕温度只高于零开尔文几百亿分之一度。”

通常在室温下，有超过一千亿亿个原子以每秒300 - 400米的速度旋转。“当我们测量房间里的温度时，我们不会尝试测量所有这些原子的运动，我们只是从温度计上进行测量，”量子系统部门的科学家Thomás Fogarty博士说。“虽然原则上可以尝试测量量子系统中所有原子的速度，但我们希望设计一种更简单、更好的方法，即使用量子温度计。”

但是用温度计测量量子系统并不简单。这些星系比宇宙中任何自然存在的地方都要冷。它们也非常小，气体中只有大约10万个原子。如果温度计太大或太热，它会加热被测量的气体，破坏系统的量子特性。因此，这次合作采用的方法是使用一个非常小、非常冷的温度计——一个单一的、超冷的原子。

当第一次加入系统时，这个温度计原子同时存在于两种不同的能量状态——量子系统的一个独特的、反直觉的特性。但是，当温度计原子与超冷气体相互作用时，这种组合能态的量子特征就会衰减。这种衰变发生的速度与被探测的超冷气体的温度直接相关，因此当科学家测量温度计原子的状态时，他们可以准确地推断温度。

福格蒂博士解释说:“这个过程基本上通过与气体的相互作用破坏了温度计原子的‘量子化’，使其成为真正的量子温度计。”

研究人员还报告了进行测量的最佳时机，以及单原子与气体之间相互作用的理想强度，以获得最佳灵敏度和最少的噪音。气体温度越低，衰变过程发生得越慢，因为单个原子与气体相互作用的速度越慢，次数也越少。“因此，为了测量最低极端温度，我们需要在测量前等待很长时间，我们需要更弱的相互作用来最大化信号和最小化噪音，”福格蒂博士补充说。

该团队现在正在探索许多途径来提高方法的灵敏度，例如通过使用机器学习来优化温度计原子和气体之间的相互作用，或者通过将更多的温度计原子引入系统，以便发生更复杂的量子相互作用。

Busch教授总结说:“这种新方法推动了测温的界限，这对量子技术有重要的应用。”“我希望我们很快就能看到它被用于实验。”