小岳岳唱歌你只会跟着哼?科学家已用在量子计算中


这是Sheldon的第62篇漫画,也是墨子沙龙和Sheldon合作的第8篇量子科普漫画
,所有图片大约2.9MB。





一 量子计算有个难题

 


不论你把量子计算机放在多“安静”的地方,它周围的环境还是很容易干扰量子计算,导致运算出错。

 

想想看,物理学家常常让1个粒子携带1个量子比特,而我们周围的环境里动不动就是有10²³个粒子,随便让其中一个粒子撞一下,量子计算可能就出错了。就算将粒子周围的环境抽成真空,再降低到绝对零度附近,环境里还是会有大量的粒子,它们想要干扰1个粒子的运动还是太容易了。于是,量子比特只要稍微受到一点儿干扰,整个运算就会出错了。




二 拓扑学家有办法,“整体思维”***

 

 

拓扑学是一门数学分支,特别讲究“整体思维”。很多不了解科学的人喜欢说,现代科学只有分析思维,比不上传统智慧中的整体思维。其实,科学之中也有“整体思维”,拓扑学就是其中的一个代表。



比方说,这里有一个面包圈,还有一个咖啡杯。你说它们两个长得一样不一样?




拓扑学家证明(动图):咖啡杯=甜甜圈

拓扑学家根本不关心一个东西的形状到底是方的还是圆的,是软的还是硬的,是粗糙的还是光滑的。他们总是关心一件事,这个东西上面到底有几个洞



那么,拓扑学为什么能让量子计算不怕算错呢?我们打个比方就明白啦。

 

如果让拓扑学家用一堆字符编码信息,他就会把像“。o0OQqdD”这样的中间有一个洞的字符,全部表示比特0;把像“iltywscxnm”这样的一个洞也没有的字符,全部表示比特1



这个时候,就算找一个不认识字母的人来抄写字母,把所有的字母形状全部抄错了,只要整体上没有错,把有洞的抄成有洞的,没洞的抄成没洞的,整段拓扑学家编码的信息就不会真正出错



把拓扑学这样的整体思维应用到量子计算中,就是传说中不怕干扰,还能实现量子纠错功能的:



三 中国科学家用超冷铷原子部分地模拟拓扑量子计算



2017年,中国科学技术大学的潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等,在极低的温度下,首次通过量子调控的方法,让800个铷原子4个4个纠缠在了一起,让它们直接产生了四体相互作用,部分地模拟了Kitaev的甜甜圈模型。


直接的四体相互作用


所谓拓扑量子计算,就是要靠这铷原子的整体量子状态做计算

 

根据Kitaev的计算,铷原子间产生这种特殊的“四体相互作用”,如果不只存在邻近的一桌原子之间,而是数量非常庞大(这要期待将来的实验实现),遍布甜甜圈表面阵列中所有相邻的4个原子之间,它们的整体状态就会非常稳定,根本不怕一般的干扰。于是,用这种方法实现的拓扑量子计算,很难随随便便产生错误。

 

这将会解决了量子计算的难题:怕干扰。



直接的四体相互作用遍布甜甜圈表面阵列中

所有邻近的原子间

画面中的空隙处也应该填满麻将桌,

但该画面未能表现


在拓扑量子计算中,Kitaev还提出,当4个粒子产生四体相互作用时,它们的整体运动状态就可以描述成一种新型的虚拟粒子。这种虚拟粒子就像海浪一样,是多个粒子一起协同运动时的整体效果。它看起来像一个粒子,但又不是真实存在的粒子,所以,物理学家管它叫准粒子



每个粒子都在原地运动

其整体效果像是掀起了向前传播的海浪

所以,海浪可以比作一种“准粒子”


而且,这种准粒子可不是一般的准粒子,它们还有一种不正常的统计特性。为了搞清楚什么叫不正常,让我们先看一下什么叫正常:如果一个正常的粒子,绕着另一个正常的粒子转一圈,整个系统不会发生任何变化。



但同样的事情遇上这种不正常的准粒子,就变得麻烦N倍:一个不正常的粒子,必须绕着另外一个不正常的粒子转N圈,整个系统才会回到最初的模样。



这个道理很好理解,一个粒子转1圈,

就等于“半个粒子”转2圈,

也等于“N分之一个粒子”转N圈。


这就好比把一个正常的粒子的统计特性平均分成了N份,不正常的粒子转N圈,才相当于正常的粒子转一圈。



实际上,这个N既可以等于2,3,4,5等整数,也可以等于-1.42857,3.1415926,6.02×10²³等任意实数。所以,这样的粒子叫作任意子



在Kitaev模型提出20年后,中国物理学家终于在这次的超冷铷原子实验中,第一次观察到了他预言的任意子的统计现象(这次实验中的N=2),给出了这种准粒子统计特性的最直接的实验证明,为研究这种准粒子的拓扑性质提供了新的实验平台和手段。

 

这次实验的论文发表在了《自然•物理学》杂志上。



Kitaev理论还有很多有待实现的设想。比如,在他的甜甜圈模型里,任意子可以用来进行“量子纠错”。也就是说,就算拓扑量子计算机算到一半儿出错了,也没有关系,最后我们还能纠正过来。于是,物理学家还需要进一步完善实验方案,才能在将来完整地实现的全部设想(详情见结尾的注释),最终让拓扑量子计算变成现实。




注:

1. Kitaev拓扑量子计算模型叫作toric code模型,其中的toric就是甜甜圈的意思。它的一个典型特征是,由于四体相互作用,粒子构成的二维阵列形成了4个能量最低的整体状态(基态)。要想从这4个状态出发,将粒子阵列整体激发到别的状态(激发态),就需要较高的能量。

 

2. 这就好比修了一幢大楼,一楼有4个房间(用于量子计算),二楼的高度相当于其他大楼的100楼(二楼相当于量子计算出错的状态)。如果你让粒子构成的整体状态待在一楼做量子计算,就算有人带着能量来打扰,它们也不容易随随便便就跑到二楼(相当于其他大楼的100楼的高度)去。

 

3. 这种在一般的干扰下保持不变的特性,有点儿像在拓扑学中,一个物体外形的连续变化不会影响它本身有几个洞。所以,这种量子计算就叫做拓扑量子计算。拓扑二字在这里是一种比喻。

 

4. Kitaev模型的相互作用包含两部分,一是四个原子自旋角动量在x方向的四体相互作用,二是它们在z方向的四体相互作用。本文介绍的实验实现的是x方向的四体相互作用。这是由实验设计的数学细节决定的。要想同时实现两种四体相互作用,可能还要重新设计新的实验。

 

5. 为啥漫画里打麻将的4个原子被绑在椅子上,周围还有墙呢?这是为了阻止它们随便“互换座位”,也就是不得发生“两体相互作用”。Kitaev模型中原子的实际的情况也是这样的,如下图:



6. 任意子不可能存在于三维空间中,它只可能存在于二维平面,或者原子排列成的甜甜圈的二维表面上。这就好比动物只能活在三维空间中,不可能活在二维空间中,如下图。

 


7. 任意子的不正常性质,可以帮助拓扑量子计算拥有“量子纠错”的神奇能力。不过,量子纠错涉及太多的工程细节和数学公式,我们这次就不展开讲啦。




美指:牛猫

  绘制:赏鉴

  排版:胡豆

致谢:戴汉宁,苑震生

陈宇翱,蒋一凡

 

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