極度深寒下的原子操縱： 中國科學家取得量子計算與模擬重大突破

極度深寒下的原子操縱： 中國科學家取得量子計算與模擬重大突破

出品 | 科普中國

制作 | 墨子沙龍

作者 | 王佳 林梅

最近，中國科學技術大學潘建偉、苑震生等通過對10000數(shù)量級原子的深度冷卻，獲得了光晶格每個格點上有且僅有一個原子的完美人工晶體，晶格缺陷降低至之前的百分之一，并利用新開發(fā)的高速糾纏門實現(xiàn)了高保真度糾纏對的大量制備——獲得了1250個保真度達99.3%的原子糾纏對。這為下一步實現(xiàn)大量量子比特的糾纏態(tài)的制備、測量和控制提供了堅實基礎，向可擴展量子計算和量子模擬邁出了重要一步。相關論文于當?shù)貢r間2020年6月18日以“First Release”形式在線發(fā)表于《科學》（Science）雜志。

可擴展糾纏態(tài)的制備：“三步走”方案

微觀世界的粒子遵守量子力學原理，具有與宏觀事物不同的行為方式，我們可以利用這些“獨特性”來實現(xiàn)一些原本看似不可能的事情。物理學家們很早就有了量子技術的暢想。量子物理大師理查德·費曼在1981 年的一場名為“Simulating physics with computers”的著名演講中，第一次表述了量子模擬的想法：“自然不是經典的，如果你想對自然進行模擬，那么你最好把計算機給量子化?！?/p>

計算模式的根本不同決定了經典計算機無法對復雜的量子體系進行有效的模擬。比如，即便對于最簡單的量子系統(tǒng)——二能級粒子，要模擬300個粒子體系的演化過程，對于經典計算機而言，也是無法完成的挑戰(zhàn)，其所需要的存儲空間為2300量級，這一數(shù)字超過了已知宇宙中原子數(shù)目的總和！以“量子”來模擬“量子”是自然的選擇，量子模擬即是由一個可控的人造量子系統(tǒng)來模擬另一個我們感興趣的現(xiàn)實的復雜量子體系——我們可以用300個粒子的人造系統(tǒng)來模擬300個粒子的現(xiàn)實物理系統(tǒng)。經過研究者多年的努力，量子模擬在量子多體問題、高溫超導、量子化學、原子物理以及基礎物理等領域已經發(fā)揮了重要作用。而量子計算和模擬的能力深深依賴于人們所能操控的糾纏態(tài)的量子比特數(shù)。量子計算能力隨可操控的糾纏粒子數(shù)呈指數(shù)增長，實現(xiàn)50個粒子的相干操縱，對特定問題的處理能力便超過了目前最強大的計算機，而100個粒子的相干操縱則達到目前全世界計算能力總和的100萬倍。

利用光晶格來囚禁超冷原子，使其被整齊有序地制備到每一個格點，為可擴展糾纏態(tài)的制備提供了一個絕佳的平臺。

“三步走”方案

2008年，Vaucher、Nunnenkamp、Jaksch提出了制備多原子糾纏態(tài)的一個基本思路——“三步走”方案。首先，通過激光等實驗方法，利用樣品的相變，獲得一個完美的人工晶體：二維光晶格的每個格點有且僅有一個原子，然后再產生排列規(guī)則的一個個原子糾纏對（左圖）；橫向連接相鄰的糾纏對，實現(xiàn)并行的原子糾纏鏈（中圖）；縱向連接相鄰的原子糾纏鏈，實現(xiàn)二維的大量原子的糾纏（右圖）。

浸入“至冷海水”：原子制冷的新方法

萬事開頭難，第一步的實現(xiàn)至關重要。我們必須先擁有一個完美的人造晶體。

2016年，研究團隊經過多年的努力，國際上首次實現(xiàn)了第一步：獲得了約600個保真度達79%的原子糾纏對。但還不夠“完美”。由于原子溫度仍然偏高，熱激發(fā)導致了晶格中有10%以上的填充缺陷：有的格點上沒有原子，有的格點上不止一個原子。

如何獲得“完美”晶格

如何獲得更低的溫度，使晶體缺陷大大降低呢？研究人員想到了一個絕妙的方法：充分浸入。想象一下，把一個滾燙的鐵球拋進冰冷的海水中，鐵球冷卻的更充分呢，還是先把鐵球切成一條條的鐵片，再浸入到海水中，鐵球更容易冷卻呢？答案顯而易見。在量子世界也是如此，我們想要樣品更冷，需要將其與冷卻庫充分的接觸、交流。

經典系統(tǒng)的冷卻

晶格中原子制冷的新方法

一開始大量原子排列在光晶格上，溫度已經低至10nK。我們通過精心選擇的兩種激光，創(chuàng)造出一種特定的“波形”，就像海底緩緩隆起的水下山脈，把海水容納到一個個山谷之中，這精心構造的波形，把原子安排到兩種“山谷”中，“山谷”的獨特“地形”限制了原子的狀態(tài)。在交替的兩種“山谷”之中，原子在其中一個“山谷”中的狀態(tài)叫作“莫特絕緣態(tài)”（Mott insulator），而在另一個“山谷”中則處于“超流態(tài)”（superfluid）。由于山脈是緩緩隆動著的，兩種“山谷”保持著粒子和能量的交流。

莫特絕緣態(tài)和超流態(tài)有什么區(qū)別呢？這里，最根本的區(qū)別在于“能隙”。莫特絕緣態(tài)具有能隙，能隙的存在使得“熱”無法把原子從最低能級激發(fā)到更高的能級，而超流態(tài)具有準連續(xù)的能帶，于是熱的作用會使得原子在各個能級上有一個分布。看，熱的原子全部被我們安排到超流態(tài)山谷之中了。我們只要想辦法把超流態(tài)山谷中的海水（原子）排空，溫度不就更低了。

怎么把黃豆綠豆分開？

說到怎么把兩種狀態(tài)的原子分開，我們可以回想這樣一個日常問題：黃豆和綠豆放在一起炒，充分混合后，如何把它們分開呢？

一個最常見的方法是，找出它們的不同，然后針對這種不同，選擇趁手合適的工具將它們篩選一下。比如說吧，黃豆比綠豆個頭大不少，那我們就可以根據個頭的差別，找一個篩孔大小恰當?shù)暮Y子：綠豆可以輕松通過，但是黃豆無法通過。

想把這兩種狀態(tài)的原子分開，科學家也是利用這樣的“篩子”。

驅逐超流態(tài)原子

被遺棄的“綠豆” 我們的“篩子”便是激光，激光可以實現(xiàn)冷卻，妙用激光，我們同樣可以實現(xiàn)粒子的加速，把我們“不喜歡”的粒子驅除出去。

說起激光冷卻，其實人們早就注意到光對物質有輻射壓力。激光誕生之后，利用光的作用改變原子速度的技術被發(fā)明出來，甚至成了后來實現(xiàn)玻色-愛因斯坦凝聚的關鍵技術。激光冷卻的原理很容易理解：當原子迎面去看一束光的時候，也會有所謂的多普勒效應。在原子看來，相向而來的激光，頻率會比激光實際頻率略微高一些，所以對于與自己運動方向相反的激光，原子選擇吸收的激光的頻率會略低于自己的躍遷能級差，然后再通過各向同性的自發(fā)輻射將動量均勻的釋放到各個方向。經過一段時間，平均效應就是，自發(fā)輻射的動量相互抵消，原子被迎面而來的激光阻礙了運動，冷卻了下來。

而現(xiàn)在，我們需要逆向操作激光冷卻，科學家針對需要驅逐的原子（好比“黃豆”）的性質，設計好激光的方向和頻率，利用光壓把某一方向的動量傳遞給原子，讓它們再次運動起來，經過一段時間，這種性質的原子就被“趕”走了。而由于激光針對的是“黃豆”，“綠豆”不會受到影響。于是，就完成了“用合適的篩孔篩豆子”的操作。

不過，且慢！“篩子”只有針對不同的豆子才能發(fā)揮出作用。我們的原子雖然交錯處于絕緣態(tài)和超流態(tài)，但對于我們的激光技術，這點不同還不夠，在我們篩子的眼中，它們都是“黃豆”。怎么辦？首先我們要把超流態(tài)的原子變?yōu)椤熬G豆”。

“黃豆”變“綠豆” 科學家首先把同樣交錯的磁場施加到狀態(tài)交錯分布的原子陣列中。交錯的磁場起到了“標定”的作用，使得當我們再施加微波時，微波只能通過某種相互作用讓偶數(shù)列（原來的超流態(tài)隊列）的原子發(fā)生狀態(tài)翻轉，完成華麗變身?！包S豆”成為了“綠豆”。但微波的動量不夠大，無法把“綠豆”趕跑，于是我們前面提到的激光就登場了。

“黃豆”排座次 “綠豆”不見了，空出一半的位置，接下來，“黃豆”要開始排座次了。光晶格再次登場，科學家再次利用光晶格“山谷”的走勢運動，將剩下的每一個絕緣態(tài)原子完美的安排到自己的專屬格點上，讓它們整齊排列。這樣，一張由絕緣態(tài)原子組成的完美填充晶格就做好了。

這個時候再用動能來描述冷熱就不合適了，科學家用熵即混亂度來衡量制冷效果?？茖W家觀測到，這樣一通制冷操作下來，系統(tǒng)熵降低了65倍，達到了創(chuàng)紀錄的低熵，直觀地說就是晶格缺陷由之前工作中的10%減小到了0.1%以下，原子填充率大于99.9%。

完美糾纏對的實現(xiàn)

有了這張完美填充的網格，科學家就開始著手把原子糾纏起來。通過超交換相互作用，相鄰的原子之間可以產生自旋糾纏。對于量子計算和量子模擬來說，要想真的達到一定的保真度，邏輯門操作的時間相對于相干時間的尺度，至關重要。門操作的時間必須要足夠快，比相干時間短得多，保真度才能達到要求?？墒菍嶋H上，光晶格中的光散射、各種噪聲、空間的不均勻性，這些都可能影響相干時間。

研究團隊另辟蹊徑，通過精密調控原子的隧穿和相互作用，使得門操作時間比之前降低了2個數(shù)量級，這樣在相干時間內，人們就可以作更多有意義的事情了，最終實現(xiàn)了保真度達到99.3% 的糾纏門，共產生了1250對高質量的糾纏原子。

1250對高質量的糾纏原子

進行到這一步，實際上就算是完美地完成了“三步走”方案的第一步——產生高保真度的糾纏對。接下來，科學家會進行第二步——產生橫向的糾纏鏈，為大規(guī)模原子糾纏的制備做好進一步準備。另外，從技術的層面說，這次的實驗，也是一個完美的制冷技術的突破，其中涉及的制冷技術也有助于費米子體系進行冷卻，帶領人類進入模擬高溫超導物理機制的苛刻溫區(qū)。

任何偉大的故事都有一個開始。這一突破是研究人員潛心深耕冷原子領域十年以來的結晶，更是一個波瀾壯闊故事的開端。通過10—15年的努力，研究團隊計劃實現(xiàn)80—100個量子比特的相干操縱，這將使得我們能夠實現(xiàn)量子計算機的基本功能。并且利用這一平臺，人們有望在其他領域取得突破，例如對高溫超導、拓撲絕緣體等復雜物理系統(tǒng)進行模擬以揭示其內在機制，通過模擬化學過程來解開化學反應的奧秘，模擬黑洞、宇宙大爆炸等極端環(huán)境來增加人們對基本物理原理的認知，甚至在多體量子糾纏系統(tǒng)中去尋找時空本源的證據。

始于夢想，而落于腳下。十年努力，研究人員跨出了漫漫征程的第一步，未來的路也逐漸展開，清晰可見。“冬天”（極度深寒超冷原子）已經來了，“春天”（規(guī)?；孔佑嬎闩c模擬的實現(xiàn)）還會遠嗎？

感謝苑震生教授、戴漢寧教授對本文的幫助。本文圖片由苑震生教授提供。

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