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冷原子一把打开量子宝库的钥匙

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来源: 作者: 2018-10-26 13:30:45

冷原子:一把打开量子宝库的钥匙?

导读:

随着IBM的量子计算机提供面向大众的线上量子计算,D-wave推出1000比特的量子退火计算机并被NASA和Google重金买入用来研究人工智能,量子计算正逐步从学术研究步入实际应用,有望成为下一代技术浪潮的引擎。

随着IBM的量子计算机提供面向大众的线上量子计算,D-wave推出1000比特的量子退火计算机并被NASA和Google重金买入用来研究人工智能,量子计算正逐步从学术研究步入实际应用,有望成为下一代技术浪潮的引擎。今年6月,Science杂志发表了一篇由美国宾州州立大学物理系教授David S. Weiss团队的工作,他们使用冷原子实现了量子计算,首次同时展示了体系的高拓展性和保真度。特邀该论文的第一作者撰文介绍冷原子这种可实现量子计算的手段,并同时为你展现用冷原子研究丰富多彩的量子世界的可行性。  量子计算的基础:量子比特(qubit)  量子力学,虽然屡屡违反直觉并难以理解(比如薛定谔的猫),但我们每天的日常生活都有它的影子。从简单的激光笔到到电脑,这些受量子力学支配的微观粒子,比如光子或者电子,可以在宏观上产生有用的效果(比如激光、原子的多样性,和能带结构所导致的半导体性质)。然而量子力学的威力不仅限于此,当它与计算这种操作相结合之后,就产生了一种新的计算方式:量子计算。量子计算的应用很广,在科研(量子模拟)、民生(人工智能、大数据、机器学习、制药),军事(量子加密、通讯)都有用武之地,前途不可限量。  正如经典计算机的单元是比特(bit)一样,量子计算的基础是量子比特(quantum-bit,即qubit)。与普通的比特只能处在状态0或者1相比,一个量子比特可以处在量子力学意义上的0和1的任意叠加态上。它与普通比特的区别可以直观地在所谓的布洛赫球表征上体现出来(图1)。正是这种特性赋予了量子计算超出经典计算的力量。目前认为一台有50个量子比特的量子计算机可以完成世界上最快的计算机在多项式时间内完成不了的任务。但同时这也正是量子计算的难处所在,因为自由度的提升,量子比特极易受到外界干扰,以致于使其携带的信息受到破坏(退相干)。就像海边一幅精美的沙画,一个浪打过就没了。事实上,这也是任何对量子体系操纵面临的两难性:量子体系应该尽量和环境隔绝以延长相干时间,但要操纵它又必须通过环境和它发生作用,这就不可避免地引致退相干。如何做到完美地操纵和隔离是对实验者技术的考验。  图1 布洛赫球。普通的比特状态要么是0要么是1,由南北两极表示,而量子比特可以处在这两种态的任意叠加态上,由整个球面表示。  目前在学术界,有以下几个方向可以实现量子比特:超导电路(市场化的以IBM[1]和D-wave[2]为代表)、核磁共振、光子(科大潘建伟组)、离子(NIST的Wineland,2012年物理诺奖)、冷原子(本文探讨的方向)、固体量子点,以及最近很受工业界重视的 Si(UNSW的Simmons[3])。  不管体系如何,一台真正有用的量子计算机应该满足以下几个条件(Di Vincenzo Criteria):  1. 可扩展性(scalability),意思是说一台量子计算机应该有足够多的量子比特,并且能够增加量子比特的数量而不需要过度耗费资源;  2. 通用性,也就是说可以执行任何运算,D-wave尽管拥有1000位的量子比特但只能实现量子退火算法,因而没有被业界承认为有通用性;  3. 一些技术细节,比如对量子态初始化、操作和读取的保真度(fidelity),以及量子的相干时间。  冷原子、光晶格以及量子计算  现在让我们把话题转向冷原子。  自上个世纪晚期开始(1990-),原子分子光学(atomic,molecular and optical physics,简称AMO)这个领域开始蓬勃发展,并屡屡斩获诺奖(97,01, 05,12)。AMO是凭借电磁学手段在原子分子的尺度上研究物质相互作用,以及光与物质相互作用的学科统称。作为研究最多的平台之一,中性原子扮演了很重要的角色。在现有的技术手段下,人们可以把处在室温的原子气体用激光冷却的方法一步步冷却(用磁光阱从室温捕捉原子,再用光学凝胶降温到K 尺度,最后蒸发冷却到nK 尺度)。在降温过程中,原子的德布罗意波长逐渐变长,量子效应开始变得显着。对于玻色子,当一团原子的德布罗意波长与原子团的尺度相当的时候(也就是每个原子的物质波都和其他原子相互交叠的时候),占据不同态的原子会转变到占据同一个态上(也是能量最低的态),称为玻色-爱因斯坦凝聚。这就像地铁站里步履匆匆的人们突然变得像阅兵方阵里的士兵一样,所有人都按同一个步调行进。在物理意义上,这对应一种相变,但和经典的相变相比(比如水沸腾从液态转为气态),这种相变纯粹由量子统计引起。虽然理论上早就已经预言过,但在实验中第一次观测到(图2)的意义重大。这代表了人类对量子世界的操纵能力。  图2 玻色-爱因斯坦凝聚。随着温度进一步冷却,原子由热状态(左)转变到占据最低能级的态(右)。此时所有原子的状态可以用同一个波函数描述。  除了可以冷却中性原子,人们还可以加工原子之间的相互作用。当原子碰撞时,它们有可能结合在一起形成分子,形成的分子与自由态的原子相比可能有着不同的能量。通过外加磁场,人们可以调节这两种能量,在能量匹配的时候就得到了所谓的Feshbach resonance,在共振的一侧两个原子会相互吸引,在另一侧会相互排斥。这开启了研究超冷化学的可行性,并为研究复杂多体问题铺平了道路。

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