量子计算机的扩展也许指日可待,宇宙中最冷的

2019-09-11 作者:奥门金沙手机娱乐网址   |   浏览(161)

原标题:做到了这一步,量子计算机的扩展也许指日可待

你能想到的最冷的地方在哪里?

我写过不少关于量子计算的文章,实际上主要是两类:一类是基于量子门的计算,另一类是绝热量子计算。其实还有第三种,叫做“量子行走”。所谓量子行走,用自然界的例子来说,就是光合作用过程中电子转移的工作原理。当前,研究者已经能够催动整块的原子云“齐步走”,实现量子行走。

在冬季,南极洲的温度低至零下85℃;在月球的阴暗面,温度可达到零下173℃;自然界中已知最冷的物质是液氦,它的温度是零下269℃。

光可以实现量子行走,但需要配备一台新式计算机来算出每一步。不过,在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质的关系都反过来了。研究人员就是通过这个原理实现了玻色凝聚态下的量子行走。

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不过宇宙中有这样一个地方,它的温度比液氮还要冷得多,只比绝对零度(理论预言的物质能够达到的温度极低限)高十亿分之一度,这个地方就是位于国际空间站的冷原子实验室。顾名思义,冷原子实验室就是制造“超冷”原子云的地方。

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型,类似波的特点清晰可见。

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三类量子计算机

不过,科学家们为什么要在太空中造出比绝对零度高出几十亿分之一度、甚至几百亿分之一度的原子云呢?这还要从最有名的物理学家爱因斯坦说起。

进入正题之前,我想先对不同类型的量子计算机做一番简要的比较。量子门是大家最熟悉的,就是通过一个量子门的集合来完成严谨的逻辑运算,末端读出结果。

最冷条件下的新状态

绝热量子计算则不涉及严谨运算,而是将问题转化为实现某一能量景观的最低能耗,打个比方,解决方案就在丘壑地区的深谷之中。思路是这样的:先从一片平滑的碗状地带入手,逐渐制造出“山陵”,直至量子位落入最深的“谷底”,计算结束。读出量子位的值,问题就解决了。

1925年,爱因斯坦单独发表了一篇名为《理想气体的量子统计》的论文。在这篇论文中,爱因斯坦首次预言了玻色-爱因斯坦凝聚态,这是一种原子在极低温度下所达到的物质状态,在固态、液态、气态和等离子态之后,它被称为物质的第五种状态。为什么叫玻色-爱因斯坦凝聚态呢?这里有一个小故事。

而量子行走跟量子门、绝热计算都不一样。对于量子行走来说,问题转化为一系列的线路。一个量子态将同时出现在所有可能的线路中,但各条线路会相互干涉,而包含了答案的那条线路出现量子态的概率更高,其他线路的概率则较低。换而言之,先放进一个微观物体——比方说一个光子,然后测量光子出现的位置,就能找到答案。

通常,在我们的概念中,组成物质的粒子都是一个个单独的个体,它们都做着各自的不规则热运动,运动的大小和方向各不相同,这些粒子都处于不同的状态,也就是说,各个粒子是可以区分的。

此时的思路是这样的:制造一套相互关联的线路,将有待解决的问题编入其中。如果说一个光子是一个量子位,那么光纤就是实现上述方案的材料。先使光纤相互耦合,确保量子位沿多条线路游走并自我干涉。耦合的强度决定了每一根光纤中光子的“数量”,而光纤的长度决定了干涉的性质是有益还是有害。

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光的量子行走固然好,但每一根光纤须得维持不变:光纤的长度以及不同光纤之间的耦合强度无法及时调整。说到底,这种基于光学量子行走的计算机,缺少可编程的因素。

然而,早在1924年,一位印度的数学物理学家玻色在研究光子统计的时候,就提出了一个想法,微观粒子存在彼此不可区分的情况,在得出这个想法之后,玻色马上写了一篇相关的论文。不过,由于当时的玻色是一个连博士学位都没有的无名科学家,没有期刊愿意登出他的论文。于是,玻色一气之下,直接把论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦看到玻色的论文非常激动,亲自将玻色的论文翻译成德语,并发表在德国的杂志上。后来,爱因斯坦在玻色理论的基础上提出了玻色-爱因斯坦凝聚态的现象。人们为了纪念两人对这种新状态的预言,便称它为玻色-爱因斯坦凝聚态。

像光一样流动的物质

讲了半天这个玻色-爱因斯坦凝聚态,它到底是怎么回事呢?

在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质扮演的角色可以互换。所谓玻色凝聚,指处在同一量子态的冷原子的集合。简而言之,该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。这时候如果用脉冲光对其加以轰击,这颗“粒子”将以一定频率震颤,导致漂移。至于漂移的方向,取决于玻色凝聚的内部状态。

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微观世界的粒子具有波粒二象性,也就是说,微观粒子不仅可以用粒子的术语来描述,还可以用波的术语来描述。以原子为例,原子既可以看成一个粒子,也可以看成是一个波。粒子运动的特性可以用动量(粒子质量和速度的乘积)来描述,粒子波动的特性可以用波长来描述,而动量和波长呈反比,即粒子的运动速度越慢,波长越长。同时,物质的温度来自于本身的热运动,如果粒子运动速度降低,温度自然就变低了。

玻色凝聚的内部状态是由微波脉冲设定的。比方说,适当的微波脉冲会令玻色凝聚态处在两种量子态的叠加态。此时如果再用激光脉冲加以轰击,玻色凝聚就必然因叠加态而同时向两个方向移动。

一般情况下,原子和原子之间的距离都特别大,它们的动量也比较大。但随着原子运动速度越来越慢,即原子的温度越来越冷,原子就开始慢慢展现出自己波动的性质。我们可以把原子波长变长形象地比喻成原子变得越来越胖。当原子本身波长接近或者超过原子之间的距离之时,原子之间就开始“碰到”了,继续冷下去就变成了你中有我、我中有你,所有的原子就变成了一个整体,拥有一样的状态,即玻色-爱因斯坦凝聚态。处于这个状态的原子会有一些奇特的性质,而这些性质可以为我们研究原子或其他的物理现象提供一个新视角。

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