量子衛星下一個熱點，量子計算快到讓你飛起來

導語：隨著量子通信衛星的成功發射，年底京滬幹線的開通，「量子通信」這個名詞變的不再陌生。但量子的發展絕不僅限於此，由於人類對計算能力的需求不斷提升，未來的量子計算機將會是人們矚目的新領域，也將是我們踏入新世紀的一把鑰匙。量子計算如何實現？它跟冷原子有什麼關係？這是一個關於冷、酷的故事！聽量子物理大牛陳宇翱娓娓道來。

陳宇翱

專家介紹

陳宇翱：中國科學技術大學教授；資深量子物理學家；致力於量子通信、量子計算、量子模擬和精密測量等多個量子信息研究，研究成果一次入選《自然》雜誌年度十大科技亮點，兩次入選歐洲物理學會「年度物理學亮點」，兩次入選美國物理學會「年度物理學重大事件」，五次入選兩院院士評選的「中國十大科技進展新聞」。

冷原子和玻色·愛因斯坦凝聚

要介紹冷原子，我們要先聊一聊「熱」。談到最熱，大家很容易聯想到太陽，它表面溫度大概是6000K（開爾文）左右，這個溫度能夠汽化地球上所有的物質，這比我們日常所接觸到的溫度高了近兩個數量級。而自然界最冷的物質又是什麼呢？是液氦，溫度大概4K，與太陽表面溫度差了三個數量級。但還有一種物質，它叫冷原子，它比液氦還要冷一萬倍。再冷下去，就不能把它看成一個簡單的粒子了——它開始展現波動性質，如果繼續冷下去，它就會達到原子界中的里程碑——玻色·愛因斯坦凝聚。

玻色·愛因斯坦凝聚是什麼？打個比方來說，在一個空間中的某兩個原子，一個是A，一個是B，它們很小很小，所以它們之間間距很大。現在開始降溫，它們之間的運動速度減慢，它們會越來越冷，開始慢慢展現出它們波動的性質（原子變得越來越胖）；溫度繼續下降，AB越來越「胖」，胖到互相碰到彼此；溫度再降，AB膨脹充滿了整個空間，就形成了你中有我，我中有你的狀態，整個空間中的原子就變成了同一個量子態，以至於在外界看來，分不清哪個是A，哪個是B，這就是玻色愛因斯坦凝聚。（貼心的小編覺得你可能看不懂了，說點實在的吧，玻色·愛因斯坦凝聚最實際的應用是高溫超導，陳教授表示希望利用冷原子來理解高溫超導機制，未來能夠實現室溫超導，那從北京到上海或許只需要半小時的行程）。

控制電子的運動 超級計算

但是在凝聚態系統里，科學家還在煩惱一件事兒——如何理解電子的運動。

Hubbard模型是關於電子運動最經典的解釋，這個美妙的方程式描述出了電子簡單的運動。但遺憾的是，這個方程式沒有解析解，要想解數值解，所需要的計算資源是呈指數增長的。就連當今我們的超算王者——神威太湖之光，也只能處理45個電子的運動。如果想要模擬300個電子的運動，它所需的儲存空間就是2 300（這個數字很大，大到已經超越了目前我們所知的宇宙原子數總和）。所以想要真正研究電子運動，相當困難。

有了玻色愛因斯坦凝聚，科學家就可以對原子進行單獨的操控。因為原子比電子大了100倍，所以可以把原子放到跟電子一樣的環境下，看它到底怎麼運動。

費曼曾經提出把計算機量子化，也是他首次提出量子計算和量子模擬的概念。其實就是利用一個可控的量子體系，用原子體系來模擬電子的體系。因為自然界不是經典的，模擬相當困難，而模擬就需要用到冷原子給電子製造一個風洞。當原子進入到玻色·愛因斯坦凝聚之後，在每個原子都一樣的狀態下使得原子它在格點上的行為和電子一模一樣，這樣就實現了一個最簡單的可控模型，使得計算能力得到重大突破。這將是玻色愛因斯坦凝聚一個實際有效的應用。

原子冷卻怎麼實現

這是一個里程碑式的構想，但冷卻原子卻並不容易。科學家想到利用激光來冷卻原子——通過發射光，來阻擋原子前進的路線，比如原子要向右走，左側發出一束光像如來神掌一樣把原子打回去。因為光最大的加速度是重力加速度的負一萬倍，可以在相當短的時間內使原子溫度降到10μK。通過在各個方向上打光調節原子運動的方向，從而使得原子被冷卻。但這個溫度離玻色·愛因斯坦凝聚還差了幾個數量級，想要進一步冷卻，如何操作？

在1989年，實驗上發現了蒸發冷卻的方法。原理和我們吹冷一杯熱水相似，在一個杯子里，熱原子處在邊緣處，比較容易逃逸，冷原子則位於底層，當熱原子跑出去之後，剩下的冷原子的溫度重新分布，從而降溫。在1995年先後有三位科學家實現了銣原子、鈉原子的玻色·愛因斯坦凝聚，這是我們了解電子運動的一個新起點。

十年內實現操控100個粒子的量子計算機

陳宇翱教授展示了實驗室里進行冷原子操作的實驗步驟，首先把原子放在真空的環境里，用激光冷卻的方法使原子溫度降到10μK左右，進一步通過磁場把原子轉移，進行蒸發冷卻，冷卻到玻色·愛因斯坦凝聚。這種方法一旦實現，能耗將比天河二號小得多，而運算能力則強得多。當能操縱25個粒子，就相當於一部智能手機和商用CPU的能力；當操縱45個粒子就相當於操縱了太湖之光這樣的量子計算機；當操縱100個粒子的時候，能力堪比全世界計算能力之和的100萬倍！

陳宇翱教授感嘆，科技不是為了創新而創新，眼下的有用與否不是判斷的絕對尺度。在各行各業里，每時每刻都在創新突破，所以他希望大家能多多關注到基礎物理，給科研工作者多一些支持，讓這些冷、酷的物理名詞走進大眾的視野。陳教授展望在五年內我國將實現50個粒子的量子計算，在10年內實現操縱100個粒子的量子計算機，到那時，計算能力會是當下全世界計算能力總和的100萬倍！

出品：科普中國

製作：SELF格致論道講壇 墨子沙龍

監製：中國科學院計算機網路信息中心

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

TAG:中國科普博覽 |

※中國量子衛星「一步千里」，量子糾纏到底是怎麼回事
※量子通訊衛星會掉下來砸到我們嗎？
※從量子糾纏到量子計算機，未來的某一時刻人類或許解開宇宙的起源
※和我一起來喵喵，貓耳就是量子力學
※壁紙 | 和我一起來喵喵，貓耳就是量子力學~
※量子糾纏」到底是個啥？
※篤信量子力學大半輩子的他，最近忽然開始懷疑：量子力學到底怎麼了？
※量子十問之八：量子模擬到底是啥？
※下周一準備上車！量子通信板塊或將迎來新一輪上漲
※量子之路：從量子隱形傳態到光量子計算機
※量子電路製冷器：讓量子計算更加可靠！
※對每個人來說都是盲目的量子計算
※量子衛星來啦，瞬間移動還有多遠？
※三星量子點電視怎麼樣？三星量子點電視值不值得買？
※快訊！就在剛剛！量子通信第一龍頭跌破冰點底部放巨量，下周有望暴漲！
※他們，為量子衛星「搭天梯」
※從量子先驅到量子反對者
※當熱力學遇上量子世界，會擦出怎樣的火花？
※發射高速量子密鑰，「墨子」號衛星做到啦！