出品：科普中國(guó)

作者：欒春陽(yáng)（清華大學(xué)物理系）

(資料圖片僅供參考)

在2023年年初上映的科幻電影《流浪地球2》中，“MOSS”被描繪為擁有極高智能和超強(qiáng)計(jì)算能力的最強(qiáng)量子計(jì)算機(jī)，為人類在面對(duì)宇宙中各種危機(jī)時(shí)提供了強(qiáng)大的支持。而這種驚人的計(jì)算能力的靈感，來源于現(xiàn)實(shí)世界中的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)展。如此奇妙的想象，不僅為電影增添了科幻元素，也讓人們對(duì)未來科技的發(fā)展充滿了無限遐想。

《流浪地球2》中的“MOSS”

（圖片來源：電影《流浪地球2》劇照）

然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，量子計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算單元——量子比特，極易受到環(huán)境噪聲的干擾，這就極大限制了量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。因此，如何尋找合適的物理載體來構(gòu)造出穩(wěn)定的量子比特，成了科學(xué)家們一直在研究的課題。

傳說中的量子比特到底是什么？

我們?cè)谏钪薪佑|到的大多數(shù)電子設(shè)備都屬于傳統(tǒng)的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，而經(jīng)典計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算單元是比特（bit），它只能確定性地表示0態(tài)或者1態(tài)，從而完成數(shù)據(jù)的二進(jìn)制運(yùn)算。

量子計(jì)算機(jī)則采用全新的計(jì)算方式，其基本的運(yùn)算單元是量子比特（qubit），它可以同時(shí)表示0態(tài)和1態(tài)的疊加，也就是說，量子比特能夠以一定的概率表示0態(tài)，同時(shí)以一定的概率表示1態(tài)。正是憑借著量子比特的這種奇妙特性，量子計(jì)算機(jī)能夠?qū)δ承┨囟ǖ膯栴}進(jìn)行0/1疊加態(tài)的并行運(yùn)算，從而獲得遠(yuǎn)超經(jīng)典計(jì)算機(jī)的指數(shù)級(jí)的超強(qiáng)計(jì)算能力。

作為量子計(jì)算機(jī)的基本運(yùn)算單元，量子比特的內(nèi)部需要穩(wěn)定存在兩個(gè)能夠區(qū)別的能量狀態(tài)（能級(jí)），從而分別編碼成為0態(tài)和1態(tài)，并且在外部驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)0態(tài)和1態(tài)之間的概率性躍遷。但就像上文提到的一樣，量子比特極易受到環(huán)境噪聲的影響。

量子計(jì)算機(jī)是如何工作的

（圖片來源：volkswagenag）

幸運(yùn)的是，大自然中某些天然的粒子本身就具有十分穩(wěn)定的物理特性，因此不容易受到外界噪聲的干擾。同時(shí)，它們內(nèi)部通常存在兩個(gè)穩(wěn)定的能量狀態(tài)（能級(jí)），這就啟發(fā)科學(xué)家可以將某些天然的粒子進(jìn)行人為地操縱，從而構(gòu)造出可以穩(wěn)定地編碼0/1疊加態(tài)的量子比特。

這些天然的粒子通常包括：帶電的離子、不帶電的原子以及單個(gè)光子等。它們的共同特點(diǎn)是滿足以上對(duì)量子比特的需求。而根據(jù)選擇的粒子不同，量子計(jì)算機(jī)可以具體分為三種類型，即離子阱量子計(jì)算（帶電的離子），冷原子量子計(jì)算（不帶電的原子）以及光量子計(jì)算（單個(gè)光子）。

這種利用天然的粒子來構(gòu)造量子比特的方案也被稱為“天然的二能級(jí)系統(tǒng)”，它具有簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和容易操縱的特點(diǎn)，因此也是最早被廣泛研究的物理系統(tǒng)。時(shí)至今日，天然的二能級(jí)系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成為量子計(jì)算賽道上的“第一方面軍”。接下來。我們將會(huì)簡(jiǎn)單地介紹這支隊(duì)伍中的不同成員。

離子阱量子計(jì)算——把帶電的離子“關(guān)起來”！

在自然界的眾多粒子候選者中，科學(xué)家們首先想到的粒子就是帶電離子，這是基于兩個(gè)方面的考慮：

首先，離子內(nèi)部本身就存在可以清晰區(qū)別的能級(jí)，并且能級(jí)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，可以較為容易地構(gòu)造出量子比特，來編碼0/1的疊加態(tài)；其次，離子本身帶有電荷，這樣的話，單個(gè)離子就可以在外界的電場(chǎng)-磁場(chǎng)作用下被穩(wěn)定地囚禁，從而將帶電離子的運(yùn)動(dòng)約束在極小的空間范圍內(nèi)，從而形成一個(gè)離子阱。

正是由于帶電離子具有上述的兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，早在1995年就有科學(xué)家提出用帶電離子構(gòu)造量子比特，來實(shí)現(xiàn)真實(shí)化的量子計(jì)算機(jī)。

Innsbruck的物理學(xué)家將四個(gè)糾纏的離子暴露在嘈雜環(huán)境中

（圖片來源：phys.org）

然而，想要能夠人為操縱單個(gè)帶電離子并不是一件十分容易的事情，這主要面臨兩個(gè)技術(shù)上的問題：

其一是，大氣環(huán)境中存在大量帶有不同電荷的微粒，暴露在大氣環(huán)境中的帶電離子很容易就與帶有相反電荷的微粒發(fā)生反應(yīng)，那么如何能夠穩(wěn)定地捕獲單個(gè)帶電離子，并且使其長(zhǎng)時(shí)間地穩(wěn)定囚禁？

其二是，面對(duì)平均尺寸只有不到0.02微米，質(zhì)量只有大約2~3×10的負(fù)22次方-22克的單個(gè)離子，如何來精細(xì)地操縱其內(nèi)部能級(jí)，從而構(gòu)造出能夠編碼0/1疊加態(tài)的離子量子比特。

對(duì)于第一個(gè)問題，需要將帶電離子隔離在一個(gè)具有超高真空度的腔體中，來保護(hù)離子不被電中和。一般而言，超高真空度的腔體內(nèi)部可以達(dá)到10的負(fù)9次方-9Pa，這大約相當(dāng)于月球表面的真空度。

為了將帶電離子進(jìn)一步囚禁在足夠小的空間中，還需要“電場(chǎng)-磁場(chǎng)”的復(fù)合作用來完成離子的捕獲。除此之外，實(shí)驗(yàn)上還采用激光冷卻的方式來降低離子的運(yùn)動(dòng)速度，從而在超高真空腔得到近乎靜止的帶電離子。

可以達(dá)到10的負(fù)9次方Pa超高真空度的離子阱系統(tǒng)

（圖片來源：作者提供）

對(duì)于第二個(gè)問題，為了能夠人為地操縱單個(gè)囚禁的離子，科學(xué)家們通常將激光光斑的直徑聚焦到大約幾個(gè)微米，從而驅(qū)動(dòng)帶電離子的內(nèi)部能級(jí)之間的躍遷。除此之外，實(shí)驗(yàn)上還可以采用微波等方式實(shí)現(xiàn)類似的操作。

在1989年，物理學(xué)家Paul和Dehmelt正是憑借著“發(fā)展了離子囚禁技術(shù)”，共同獲得了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

三位1989年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者

（圖片來源：sciencedirect）

截至目前，基于囚禁離子的量子計(jì)算發(fā)展迅速，精度超過了99.9%。除此之外，已經(jīng)有越來越多的離子阱初創(chuàng)公司投入到擴(kuò)展囚禁離子數(shù)目的研究中，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)上百個(gè)離子的穩(wěn)定囚禁，以及相關(guān)量子計(jì)算的演示。

當(dāng)然，隨著離子數(shù)目的不斷增加和更精細(xì)的操控需求，離子阱量子計(jì)算仍然面臨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝方面的難題，這也是科學(xué)家們接下來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。

冷原子量子計(jì)算——原子：涼了！被“光鑷”抓住了

離子阱量子計(jì)算雖然具有能級(jí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定的特點(diǎn)，然而自身離子數(shù)目的可擴(kuò)展性不足，一直是制約其進(jìn)一步發(fā)展的主要限制因素。于是，科學(xué)家們開始將目光投向另外一種天然的粒子身上，希望能夠構(gòu)造出粒子數(shù)目達(dá)到上千個(gè)并且可不斷擴(kuò)展的物理系統(tǒng)，而這種天然的粒子就是我們中學(xué)學(xué)過的原子。

相信大家或多或少都見過原子結(jié)構(gòu)的模型，它可能坐落在中學(xué)校門口旁的花壇中，也有可能出現(xiàn)在科學(xué)博物館的角落中。這種經(jīng)典的原子結(jié)構(gòu)模型通常由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是位于中心并且?guī)в姓姷脑雍耍硗庖粋€(gè)部分是核外進(jìn)行環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的若干個(gè)帶負(fù)電的電子。因此，原子本身正負(fù)電荷平衡，整體并不表現(xiàn)出帶電的特性。

（圖片來源：Veer圖庫(kù)）

也正是因?yàn)樵颖旧聿粠щ?，科學(xué)家們無法采用與囚禁離子類似的方式，來用“電場(chǎng)-磁場(chǎng)”捕獲原子，這就需要發(fā)展另外一種技術(shù)來穩(wěn)定地抓住原子，從而構(gòu)造出相應(yīng)的量子比特。

幸運(yùn)的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)如果將一束激光匯聚到原子表面時(shí)，原子在三維方向上都會(huì)感受到指向光強(qiáng)度最大點(diǎn)的力，如此一來，原子就會(huì)同時(shí)被三個(gè)方向的力擠壓到激光最強(qiáng)的地方附近。

這種類似于“陷阱”的作用機(jī)制就可以將原子束縛在特定的空間中，并且可以隨著匯聚光束的移動(dòng)而移動(dòng)，匯聚光束就像鑷子一樣把原子束縛住，因此這種機(jī)制也被稱為“光鑷”。

雙量子比特門的概念圖。在該系統(tǒng)中，由光鑷（粉紅色光）捕獲的兩個(gè)原子（間隔1μm）被一個(gè)僅照射10 ps的超快激光脈沖（藍(lán)光）操縱

（圖片來源：Takafumi Tomita/IMS）

通常而言，光鑷中捕獲的原子處于幾乎靜止的狀態(tài)，相應(yīng)的穩(wěn)定溫度大約只有幾個(gè)毫開爾文（mK），因此，利用光鑷技術(shù)束縛的中心原子也被稱為“冷原子”。

光鑷

（圖片來源：wikipedia）

值得一提的是，科學(xué)家們不僅僅可以利用光鑷技術(shù)對(duì)中性原子的量子態(tài)進(jìn)行精確地操縱，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)不同原子之間的相互作用，從而構(gòu)造出一系列高精度的量子門操作。

得益于光鑷技術(shù)的靈活性，基于中性原子的冷原子量子計(jì)算方案具有十分獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：高度的擴(kuò)展性和靈活的操作性。也正是憑借光鑷技術(shù)的發(fā)明，Arthur Ashkin等人獲得了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者

（圖片來源：2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)官網(wǎng)）

截至目前，光鑷技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)任意的光學(xué)陣列形狀，從而將不同的中性原子穩(wěn)定地束縛在任意的區(qū)域內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超過1000個(gè)中性原子的穩(wěn)定囚禁。除此之外，科學(xué)家們也在積極嘗試將原本簡(jiǎn)單的二維平面拓展到三維的空間結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

然而，光鑷技術(shù)也存在一定的局限性，這是由于光鑷產(chǎn)生的束縛力雖然可以穩(wěn)定地囚禁中性原子，然而這種力仍然十分微弱。在冷原子量子計(jì)算的運(yùn)算最后，需要施加額外的激光來探測(cè)中性原子的量子態(tài)，這會(huì)導(dǎo)致原本光鑷中的中性原子丟失。

這也就意味著，冷原子量子計(jì)算在每次運(yùn)算操作結(jié)束后，都需要重新利用光鑷來捕獲新的中性原子，從而增加了技術(shù)難度并降低了運(yùn)算速度。當(dāng)然，科學(xué)家們也在積極探索更加有效的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于中性原子的穩(wěn)定束縛，相信在不久的將來，基于中性原子的量子計(jì)算方案將在實(shí)際應(yīng)用中大放異彩。

光量子計(jì)算——光子也來湊熱鬧

最后一個(gè)登場(chǎng)的天然粒子是光子，這也是大家既熟悉又陌生的一個(gè)物理學(xué)概念。光子是組成光的基本粒子，它以光束的形式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)并且可以穿透一些介質(zhì)，比如空氣、水和玻璃等。此外，光子本身不帶有任何電荷，因此很難與外界發(fā)生相互作用。

也就是說，光子并非我們傳統(tǒng)印象中的物質(zhì)粒子，而是同時(shí)具有粒子性和波動(dòng)性的一種基本粒子。

光子

（圖片來源：Astronomy）

當(dāng)光子在空間中傳播時(shí)，會(huì)以某一固有的振動(dòng)頻率向前方以光速運(yùn)動(dòng)，如果將光子的振動(dòng)軌跡描繪在一個(gè)二維的平面上，就會(huì)像我們中學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)到過的正弦函數(shù)一樣，這個(gè)二維平面表現(xiàn)的就是光子的某一個(gè)偏振狀態(tài)。

然而，考慮到光子在三維空間中傳播振動(dòng)的方向是可以不斷變化的，這就說明光子可以具有不同的偏振狀態(tài)。如果我們站在光子運(yùn)動(dòng)的正前方觀察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)光子振動(dòng)的軌跡可能是一條水平的直線（水平偏振），或者一條豎直的直線（豎直偏振），以及一個(gè)近乎完美的圓形（圓偏振）等等。

偏振狀態(tài)圖

（圖片來源：Wikipedia）

在光量子計(jì)算方案中，科學(xué)家正是利用光子的偏振狀態(tài)”這一奇妙的特性來構(gòu)造出光量子比特。具體而言，可以將水平方向的偏振狀態(tài)編碼為0，而將豎直方向的偏振狀態(tài)編碼為1，從而完成單個(gè)光量子比特的構(gòu)造。

而為了實(shí)現(xiàn)對(duì)光子的偏振狀態(tài)進(jìn)行精確地操縱和測(cè)量，實(shí)驗(yàn)上可以使用偏振分束器和波片等光學(xué)器件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光量子比特的運(yùn)算操作。

中國(guó)科大成功研制113個(gè)光子的“九章二號(hào)”量子計(jì)算原型機(jī)

（圖片來源：ustc.edu.cn）

光量子計(jì)算方案具有三個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)：

其一，光子本身基本不與外界環(huán)境發(fā)生相互作用，因此具有天然的隔離特性，可以在高噪聲環(huán)境中不受到干擾；其二，光子能夠以光速進(jìn)行傳播，并且可以在室溫和大氣環(huán)境下工作，具有良好的實(shí)驗(yàn)操作性；其三，光子的傳播可以用光纖等光學(xué)器件進(jìn)一步集成，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，并且構(gòu)造出室溫狀態(tài)下小型化的光量子系統(tǒng)。

然而，也正因?yàn)楣庾幼陨淼奶厥庑?，光量子?jì)算系統(tǒng)無法有效地存儲(chǔ)傳輸速度極快的光子，并且微弱的光子也極易在光纖傳輸過程中發(fā)生損耗。此外，由于光子之間沒有相互作用，因此在實(shí)驗(yàn)上也較難實(shí)現(xiàn)不同光子之間的相互作用和相應(yīng)的量子門操作。

結(jié)語

綜上所述，天然的二能級(jí)系統(tǒng)因?yàn)槠涮烊坏目煽啃院头€(wěn)定性，可以被用以構(gòu)造量子比特，從而表示0/1的糾纏態(tài)。通過控制和讀取這些二能級(jí)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同量子比特之間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算中的算法和操作。

當(dāng)然，構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)仍然是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，但是天然的二能級(jí)系統(tǒng)的使用正在一步一個(gè)腳印地推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展。事實(shí)上，許多科學(xué)家認(rèn)為天然的二能級(jí)系統(tǒng)是構(gòu)建大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的最有前途的方法之一。因此，天然的二能級(jí)系統(tǒng)在量子計(jì)算中被廣泛使用，并且也成為量子計(jì)算賽道上的“第一方面軍”。

那么，量子計(jì)算賽道上的其他選手又會(huì)帶來怎樣的精彩表現(xiàn)呢？請(qǐng)?jiān)试S筆者在這賣個(gè)關(guān)子，讓我們?cè)谙禄貢幸姺謺园桑?/p>

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