离子阱量子计算公司IonQ上市


最近几年,量子计算技术获得了越来越多产业届的关注。谷歌、IBM等美国大公司都公布了自己的量子计算技术发展路线图,宣称2025年前实现超过1000个量子比特的量子计算芯片。昨天美国IBM公司发布了他们2021年新一款量子计算机,按照路线图要求,量子比特数目达到127个。但IBM公司没有公布量子逻辑门保真度,以及芯片中量子比特的相干特性,估计这两个关键参数都不理想。如果只是堆砌量子比特数目,而不同步提升量子比特的相干特性与量子逻辑门的保真度,那量子计算机是不可能实用化的。接下来关注的焦点就得是谷歌的下一代量子计算机的性能参数,看看能否按照技术线路图推进了。

除了大公司支持的超导量子计算途径之外,作为一家创业企业,基于离子阱技术的IonQ公司,一个月前在美股上市了。11月15日, IonQ 公司2021年第三季度财务公报出来了,今年前三季度的收入只有四十五万美元,预计全年收入一百五十万美元。公报中也提到了,他们今年获得了价值一千五百万美元的合同。我记得IonQ上市前预估2021年收入500万美元,到2026年收入达到5.5亿美元。从这份季度报表来看,远远落后了。但在公报出来前一周,IonQ公司股价大幅度上升了五成!这一个月来,公司的股票翻了一倍,目前市值40亿美元左右,接近国盾量子市值的两倍。

IonQ公司的收入从哪里来呢?他们与微软,亚马逊公司合作,向广大用户提供量子云服务,从而获得了收入。他们的量子云服务收费可不便宜啊!我学生试用过,据说一不小心,稍微跑了几个量子计算的算法,就花了不少钱。以百万美元的年收入,支撑IongQ公司40亿美元的市值,美国展现出了极为优秀的为新技术研发进行融资的能力!

建设量子技术实践课程,培育量子科技人才


过去几年是量子信息技术大发展的时期:中国发射了量子科学实验卫星,在几千公里的范围内实现了量子密钥的安全分发;谷歌公司完成了量子霸权实验,标志着量子计算在特定问题上超越了经典计算机,……。与此同时,媒体上各种有关量子概念的炒作,也是让人眼花缭乱。在这样一个量子技术大发展的节点上,作为从事量子技术研究的大学老师,我们有责任把过去几十年量子信息领域所积累的成熟的实验技术引入课堂,帮助更多的学生了解量子技术。随着量子技术的蓬勃发展,欧美多个发达国纷纷设立基金资助鼓励大学开设量子信息技术课程,国内中国科技大学和复旦大学等名牌大学也开设了量子技术实验课,促使量子技术教学实验技术迅速成熟。

2019年7月,我调入北京理工大学物理学院量子技术研究中心担任教授,当年秋开始给本科生上课。同时我也看到了谷歌量子霸权实验成功的新闻,这让我觉得给本科生开设量子技术课程刻不容缓。向量子技术研究中心葛墨林院士和赵清教授提出开设“量子技术实践课程”建议之后,这个想法得到了他们的肯定和大力支持。葛院士特别建议我们设计课程时要面向全校理工科专业的本科生,争取让更多学生都能了解新世纪以来量子技术的研究成果

与赵清教授以及量子中心的同事们交流后发现,我们能掌握的量子技术教学实验资源不少。赵清老师曾带着学生开发了单光子计数成像实验仪器,可以用于此课程。深圳有一家量旋公司,做核磁共振量子计算教学仪器开发。我跟他们沟通之后,他们愿意支持我们一台样机。量子技术中心张博老师原在中科大杜江峰院士组工作,杜院士组创办了国仪量子公司,开发了金刚石量子计算教学机。经张博与国仪量子公司的沟通,他们也愿意提供一台样机。

我们决定以这三个实验为基础开设量子技术实践课程。为与中心研究方向切合,课程被命名为《量子精密测量技术》。这是一门创新型的实践课程,由赵清,张博和我联合上课,面向全校理工科本科生。我们把教学与科研结合,精心设计一系列系列实验,将量子科技前沿呈现给学生,让本科生掌握量子信息与量子精密测量技术的理论与实验的基础知识的同时,了解最新的学术发展动态和技术前沿,并能结合本专业,产生交叉前沿新思维。

由于这是是全国大学中最早面向本科生开设的量子技术实践课程之一,我们面临建设经费匮乏,实验教学空间不足等诸多困难。通过挖掘现有的实验室空间,自筹经费,以及联系公司提供样机等手段,我们初步克服了上述困难。不过,受到实验条件的限制,我们只能把课程容量定为50人。

第一次授课时,正好赶上2020年春新冠疫情爆发,学生们无法返校做实验,但他们学习热情空前高涨,选课人数达50人(满额)。依托网络,在助教的协助下,学生们远程操作实验平台完成了绝大部分实验。到第二次授课的2021年春季学期,疫情缓解,我们终于可以让学生们到实验室现场做实验了。在六周的理论课程结束后,学生们花了六个星期,每周末来到中关村校区的量子技术研究中心,在单光子计数成像、金刚石色心、核磁共振等三个平台上完成了近十个量子精密测量相关的实验。

两年来,已有来自物理、机车、信电、光电、计算机、宇航等多个学院90余位学生选修了此课程。同学们普遍认为虽然量子理论部分内容有些难,但是通过动手做实验,能对量子技术很切身直观的体会。学生的鼓励与肯定让我们对上好这门创新课程的动力更足了。从本学期开设,我们打算每个学期都开设此实践课程,本周六第一次授课。为提升教学效果,每次课程容量降为25人。这样学生们可以有更充足的时间来做实验。

为把课程建设得更好,我们积极学习党和政府的相关政策。2020年,中共中央政治局带头学习“量子科技”,习总书记发表重要讲话,认为“量子科技发展具有重大科学意义和战略价值”,并特别提到“要加快量子科技领域人才培养力度,加快培养一批量子科技领域的高精尖人才,建立适应量子科技发展的专门培养计划”。2020年教育部发布《未来技术学院建设指南(试行)》,其中特别提到要 “强化现代信息技术与教育教学深度融合,探索混合现实、量子计算等新技术、新工具、新标准在教学中的深度应用“。

通过对政策的学习,我们深切体会到《量子精密测量技术》课程完全切合国家在量子技术方面的战略需求。遵照习总书记重要讲话要求,根据授课体验与学生反馈,我们打算将课程拆分为《量子精密测量技术理论》和《量子精密测量实践》两门课,逐步完善量子技术课程体系,为我国量子科技领域人才培养贡献自己的力量。我们将不断完善课程内容,积极争取经费扩充实验设备,让更多学生有机会在量子技术实践课程中有更多收获。

什么是名校


在科举制消亡后,面对三千年未有之大变革,为救亡图存,继承千年书院教育传统,参照欧美列强的近代大学,中国人建立了自己的现代大学制度。西安交通大学的前身南洋公学就是这样成立的。民国北洋政府时期,交通部势力达到顶峰,整合了多所工科院校,成立了交通大学,今日的交通大学由此得名。民国期间,交通大学培养了钱学森等著名校友,奠定了名校传统的根基。

在中国,大学是什么,如何才能称为名校?名校只是因为大学排名靠前么?并非如此。在中国近现代救亡图存,谋求国家民族生存与发展富强的大背景下,中国的大学从诞生之日起,就必须要为国家民族承担重任。只有不负众望,并做出非凡贡献的大学,才能称得上名校。

西安交通大学,就是这样一所名校。西迁之后,交通大学一分为二:积极响应国家号召,承担平衡东西部工业发展民族重任的那部分交通大学更名为西安交通大学。西安交通大学的历史中,最重要的一页就是交大西迁。哲学上最重要的三个问题:你是谁,你从哪里来,你要到哪里去?交大西迁的这个历史就回答了这三个问题:西安交通大学源自成立于1896年的南洋公学,从上海黄埔江畔西迁而来,肩负国家与民族的重任,为祖国西部发展培养了无数人才,未来将在一带一路等国家战略中发挥先锋的作用。西安交大的宣传中,西迁是绕不过的,这是西安交大作为名校的根基所在。但是不能只限于西迁,还得说清楚它与西安交通大学现状与未来的联系。

从千年的气候周期来看,过去几千年,中国平均气温最高的时期,都对应国力强盛的时期,比如盛唐,秦汉等,那时也是西安(长安)影响力最大的时候。从宋到明清,进入小冰河期之后,西安就再也没有恢复元气了。中国目前很可能正处于又一轮升温周期,中西部平均温度逐步上升,降雨增加,沙漠变绿洲,可以承载的人口数量大幅度提升。这对于中国发展西部,以及一带一路战略是绝好的。西安作为古丝绸之路的起点,也将迎来千年难遇的历史性机遇。西安交通大学在新的历史机遇中,将会承担更大的责任,并做出更大的贡献。

如何实现量子计算实用化


为实现量子计算实用化,人们已经规划了一份粗略的路线图,里面既涉及技术进步也有产业应用。下面我先对此路线图做简要的分析介绍。

第一步是利用量子计算机完成经典计算机难以完成的任务,即实现量子优越性(quantum supremacy)。这个概念是加州理工学院约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)教授2012年首次提出的。他认为,当我们可以操控的量子比特数目达到50到100个时所做出的专用量子计算机,其计算能力有望超越目前最好的经典计算机。通过设计合适的算法,就可以用这台量子计算机来完成某些特定的计算任务,解决经典计算机难以计算的问题。这一步在中美科学家的努力下已经完成了,人们在超导电路、光子等不同的量子计算系统中都实现了量子优越性。

第二步是随着量子优越性的达成,寻找实际场景中的计算任务,让量子计算机发挥出远超经典计算机的能力。 预计到2025年,量子计算机中包含的量子比特将达1000个,量子逻辑门的错误率将会控制在千分之一以下。在此阶段,人们还无法通过测量和反馈控制量子计算中错误带来的影响,我们把它称为中尺度含噪声量子计算机。虽然对于某些特殊的问题,它已经超越了经典计算机能力的极限,但让中尺度含噪声量子计算机真正发挥产业应用,仍是一个极具挑战性的问题。目前人们正在尝试用此系统完成实现材料的模拟计算,分子光谱的预测,乃至出租车路线图规划等。

第三步是实现可容错、可编程的通用量子计算机。据理论估算,当量子计算逻辑门错误率在百分之一以下,且量子比特数超过1000个时,我们就可以通过量子纠错来控制错误,确保量子计算的可靠性。而要实现可容错的通用量子计算机,运行量子算法破解RSA公共密钥协议,我们操控的量子比特数目将在10万乃至100万量级。从操控1000个量子比特跨越到操控百万个量子比特,将是巨大的技术挑战,需要我们超越目前人类的技术极限。

由上可见,量子计算的实用化面临巨大的挑战,它不仅是科学技术问题,也与产业应用息息相关,需要多学科背景的人通力合作才能完成。量子计算本身是分层级的,最底层是物理层,比如量子计算的芯片电路、量子比特所承载的材料等,物理专业背景的人才大都在此层级开展研究。在这之上是量子控制层,涉及对量子计算芯片的最优化控制与读出等,需要大量应用物理和电子工程专业的人才。量子控制层之上是量子电路层,这一层包含量子逻辑门序列等,因而电子工程和计算机背景的人才都可以大显身手。在量子电路层之上是量子算法层面,再往上会涉及量子程序等,在此层级开展研究,最好有理论计算机和程序设计的研究背景。在量子计算实用化过程中,必然会吸纳大量经典计算机学者和程序员加入进来,并充分借鉴经典计算机的发展经验。

量子计算与量子云计算


约稿,在 CCCF 2021年第6期发表

前言

到目前为止,量子力学是描述自然运行规律最为成功的理论之一。1920年代量子力学创立后,成功解释了原子光谱、放射性等微观物理现象。第二次世界大战期间,在量子力学理论指导下,人们发明了原子弹、氢弹等战略核武器。二战后,人们发明了电子计算机、激光等颠覆性技术,并逐步发展成当今的半导体工业和信息技术,其背后的理论基础都离不开量子力学。

可以说,过去100年量子力学取得了极大的成功,但对其理论基础的争论一直延绵至今。其中最有名的是 1935年爱因斯坦(Einstein)、波多尔斯基(Podolsky)和罗森(Rosen)提出的EPR佯谬(Einstein-Podolsky-Rosen paradox),这一佯谬凸显出了量子力学的非定域性。1964年贝尔(Bell)提出了有名的Bell不等式,让EPR佯谬从纯粹思辨变为可以实验验证的问题。从1980年代开始,对Bell不等式的实验验证一直持续到了2015年,直到毫无漏洞为止。随着对量子力学基础研究的逐步深入,人们开始研究基于量子物理规律运行的量子信息科学:利用量子物理特有的量子相干,量子纠缠等特性,以崭新的方式实现信息的处理、存储和传输。

量子信息包括量子通信、量子计算和量子精密测量等研究方向,研究表明量子信息技术有望超越经典信息技术的理论极限。1984年,量子保密通讯方案出现,它能在相距较远的两个节点之间实现抵抗攻击的安全通讯,揭示了量子力学对于保密通讯的重大应用前景。1994年彼得·秀尔(Peter Shor)提出了一个量子算法用于解决质因数分解问题,其速度与任何已知的经典算法的速度相比都有指数级的提高,揭示了量子计算巨大的潜力。在量子信息诸多方向中,量子计算吸引了许多学科的研究人员参与研究,并取得了长足的进步。本文将简要介绍量子计算的基本原理、潜在实现途径以及把量子计算芯片放到网络云平台上之后所激发出的新应用与研究方向。

量子计算技术的发展

量子计算的基本思想是1980年代初由保罗·贝尼奥夫(Paul Benioff)、理查德·费曼(Richard P. Feynman)和尤里·玛宁(Yuri Manin)各自独立提出来的:保罗·贝尼奥夫提出了量子力学版本的图灵机,费曼和尤里·玛宁则认为量子计算机有望模拟经典计算机做不了的问题。由于量子系统具有天然的并行处理能力,用它所实现的计算机很可能会远远超越经典计算机。1994年,彼得·秀尔提出分解大质因数的高效量子算法后,在国际上引发了广泛关注,促使量子计算开始迅速发展。

经过二十多年的研究,对于如何建造量子计算机,人们已经有比较清晰的图像。David DiVincenzo 在 2000年提出了建造实用量子计算机的5项基本要求:

1. 一个能表征量子比特并可扩展的物理系统;
2. 能够把量子比特初始化为一个标准态,这相当于要求量子计算的输入态是已知的;
3. 退相干相对于量子门操作时间要足够长,这保证在系统退相干之前能够完成整个量子计算;
4. 构造一系列普适的量子门完成量子计算;
5. 具备对量子计算的末态进行测量的能力。

让我们来简要解释一下这五个要求。首先,我们需要找到合适的系统来承载量子比特,作为量子计算的载体。所谓量子比特就是把经典信息的基本单元比特扩展到量子世界的产物。不同于经典比特只需要0和1,量子比特实际上是定义为0态与1态的任意量子叠加态。然后,类似于经典计算机,我们需要把量子计算机初始化,也就是把所有的量子比特都重置为0态。在进行计算的过程中,错误和耗散是很难避免的。为此,我们需要保证量子逻辑门操作的时间远小于量子比特的退相干时间,从而获得高保真度的量子逻辑门。1998年,人们证明,当量子计算过程中的误差或错误小于一定阈值时,就能通过纠错技术实现容错量子计算。阈值大小与具体物理系统以及量子计算机的体系架构关系很大。2000年前后,此阈值被认为在万分之一量级。近年来,利用新发展的表面码理论,容错量子计算的阈值已达到1%量级,但实现单个逻辑量子比特所需物理比特的数目达上千个。我们也需要让有限量子门操作组合起来能够实现任意的量子计算,在完成计算之后,还需要把计算结果高精度、高效率地读出来。

可见,实现量子计算机的第一步是找到合适的材料或者物理系统来承载量子比特。经过二十多年的研究,目前看来技术成熟度最高的是离子阱和超导电路系统。离子阱技术是相对发展最成熟的:早在1995年,戴维·维因兰德(Dave Wineland)组就实现了基于离子阱的通用量子逻辑门,2012年获得诺贝尔物理学奖。经过二十多年的发展,离子阱量子计算中不论是量子比特初始化、通用量子逻辑门还是量子比特读出,这几个关键步骤的保真度都超过99%,基本满足了5条判据的要求。此外,离子阱的量子存储时间也非常长,最近清华大学金奇奂教授组实验证明离子阱量子相干时间可超过一个小时。

超导电路量子计算是最近十年发展最为迅速的技术,它基于超导约瑟夫森节非线性效应实现人工二能级量子比特,且与现有半导体技术兼容,因而得到人们广泛的关注。超导量子计算刚出现时,其量子比特相干时间只有10纳秒,基于超导量子电路完成的量子逻辑门保真度只有80%上下。2006年,耶鲁大学研究组发明了新型的Transmon量子比特,极大地提升了量子相干时间。到如今,超导量子比特相干时间已经延长了3个量级,从几十纳秒提升到100微秒,超导电路量子逻辑门保真度也已达到99.5%,突破了容错量子计算的阈值。

随着量子计算技术的迅速发展,2012年加州理工学院约翰·普瑞斯基尔(John Preskill)教授提出了所谓量子优越性(quantum supremacy)的概念。他认为,当我们可以操控的量子比特数目达到50到100个时所做出的专用量子计算机(量子模拟器),其计算能力有望超越目前最好的经典计算机。通过设计合适的算法,就可以用这台量子计算机来完成某些特定的计算任务,解决经典计算机难以计算的问题。基于此构想,人们规划了实现通用可容错量子计算的路线图:第一步是利用量子计算机完成经典计算机无法完成的任务,即实现量子优越性;第二步是针对某些特定的实际问题,让量子计算机真正用起来;第三步是实现可容错、可编程的通用量子计算机。

量子计算路线图的第一步已基本实现。2019年,基于含有53个超导量子比特的芯片,谷歌公司完成了随机电路取样的实验,首次验证了量子优越性。2020年,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队基于线性光学系统完成了超过50个光子的高斯玻色取样实验,用不同的路径实现了量子优越性。目前,人们正基于中等尺度(50~100个量子比特)含噪声量子计算机,探索量子计算机的实际应用。比如利用随机电路取样实验,产生可验证的随机数,对于加密数字货币和加密协议有重要的应用;基于玻色取样实验,人们正在研究其在分子光谱模拟计算上的应用;基于量子退火算法,人们研究其在路径优化等问题上的应用;还有人把量子计算与机器学习结合起来,探索量子机器学习的应用。

量子云计算的缘起与应用

正是看到了量子计算的巨大潜力,最近几年,此技术得到产业界的重点关注。美国谷歌、IBM、微软等大公司都在量子计算上投入巨资,设立研发团队。中国华为、腾讯、阿里巴巴、百度等公司也建立了量子计算研究中心。随着产业界的介入,量子计算技术发展速度大幅度提升,量子计算技术的发展开始逐步由产业界引领,比如谷歌公司首次实现了量子优越性实验。量子计算创业公司也纷纷涌现:基于离子阱的美国的IonQ公司和奥地利的AQT公司都已实现超过20个量子比特的量子计算机;基于超导电路的Riggeti公司实现了超过32个量子比特的量子计算机。中国也出现了本源量子、量旋等公司,专注量子计算技术研发。

产业界开展量子计算研发的这几年,正是云计算产业蓬勃发展的时期。IBM公司看到了产业趋势,把量子计算技术与云计算技术结合起来,2016年5月发布了首个完全免费的量子云计算服务,吸引了全世界的目光。一年后,IBM的量子云平台升级,16量子比特的芯片上线。后来IBM又陆续上线了25量子比特,乃至超过50量子比特的量子云服务,但只开放给IBM的合作伙伴。近年来,提供量子云服务的公司越来越多。微软公司与IonQ和Honeywell等公司合作,发布了Azure量子云服务平台,给付费用户提供11个量子比特的离子阱量子云服务。亚马逊公司发布了Braket,与IonQ和Riggeti等公司合作,提供基于离子阱和超导的量子云服务。

我们知道,量子计算的研究是分层级的,不同专长的人通常会研究其中不同的层级。最底层是物理层,研究如何设计量子计算的芯片电路,量子比特所承载的材料等等,物理专业背景的人才大都在此层级开展研究。在这之上是量子控制层,涉及到对量子计算芯片的最优化控制与读出等,需要大量应用物理和电子工程专业的人才。量子控制层之上是量子电路层,这一层包含我们做量子计算理论模型分析经常要用的量子逻辑门序列等,因而电子工程和计算机背景的人才都可以大显身手。在量子电路层之上是量子算法层面,再往上,才涉及到量子纠错的逻辑量子比特、量子容错计算以及量子程序等等。在此层级开展研究,最好有理论计算机和程序设计的研究背景。

IBM量子云服务给用户开放了量子计算中的量子电路层和量子算法层,为广大程序员参与量子计算研究打开了大门。IBM量子云团队参照Python程序语言规范,设计了相应的量子计算程序语言。用户可以根据所要运行的算法设计量子电路,撰写相应的量子计算程序。用户把程序发送到云端,由IBM量子云的经典计算机服务器转换为量子控制脉冲信号,操控量子计算机运作,得到计算结果之后再返回给用户。对于用户来说,利用量子云服务,可以学习量子计算的基本理论与方法,对量子计算机有直观的感受。这个服务的界面对具有程序设计背景的人是非常友好的,他们学会了量子计算的算法规则后,就可自己编程,控制云端服务器完成相应的计算任务。

量子云服务开放后,最先造福的是量子信息理论研究者。他们的理论想法在量子云平台上申请(购买)机时就可以直接得到验证(即使找不到实验合作者也没关系)。有些学者用量子云来研究测试量子物理的基础;另外一些人测试量子云计算系统的稳定性,把量子纠错等算法应用到了这个系统中,并研究其计算能力。量子云服务的影响已经渗透到其他领域,从事机器学习、金融风险分析、路线优化等不同领域的学者都在利用量子云平台开展研究,迄今为止基于IBM量子云所完成的论文已经有几百篇了。可以预见,以后基于量子云计算系统的各种应用研究将会大量涌现。这真是量子信息的大时代!

回望IBM免费开放量子云计算的这个举措,真是一举数得。不但大幅度提升了IBM量子计算研究组的公众形象,而且吸引了大量的研究者去免费帮助他们测试系统,免去了他们自己做测试的人力,这些做测试的人,会产生出很多相关的论文,等于是在学术界为IBM量子计算组进一步正名。让人意想不到的是,随着微软和亚马逊等公司在其云平台上线量子云服务,它已经为量子计算公司带来收入,支撑量子计算产业的良性发展。

小结与展望

2016年IBM量子云刚发布时,对我国量子计算研究者产生了巨大的心里冲击:美国的量子计算研究本就遥遥领先,在量子云技术刚刚出现的关键时刻,如果我们自己不赶紧行动起来,未来差距将难以追赶!。2017年10月,清华大学、中科大-阿里巴巴联合团队以及本源量子公司各自发布了自己的量子云平台,中国的量子云研究与实践由此起步。

笔者有幸参加了清华大学量子云平台的研发。虽然当时IBM量子云开放了量子电路和量子算法层服务,但是对于想要自己研发量子计算机的研究人员来说,这个服务远远不够。我们更关心量子控制层,针对物理层如何优化控制脉冲,提升量子逻辑门的保真度等等。在研发清华大学量子云平台时,我们同时开放了量子控制层,使用户能更灵活地使用量子云服务。后来IBM量子云平台也开放了部分量子控制层,发布了名为openpulse的服务。

量子云服务已经出现5年了,笔者用此服务完成了不少科研和教学工作:指导本科生基于量子云开展研究,已在量子信息领域顶级刊物上发表多篇论文。在我看来,它首先是一个极好的教学平台,特别适合大学老师在量子信息或者量子计算课程上使用,也适合对量子计算有兴趣的程序员自学。随着量子云计算能力的迅速提升,量子云服务正在成为量子计算领域研究者必不可少的工具,为量子计算的实际应用提供原理性测试平台。从更大的信息技术发展的视角来看,量子云还是连接量子计算与经典计算研究的接口,人们正在基于量子云开始严肃地研究量子计算机体系结构。未来实用量子计算机的工业标准,很可能会基于量子云平台发展起来。

颠覆性技术从何而来,何时落地?


过去几年,美国为了遏制中国发展,在信息产业,特别是5G,芯片等相关行业对中国企业发起了严密的技术封锁。华为公司首当其冲。作为普通消费者我们发现,当台积电不再给华为代工后,华为手机变得一机难求,市场占有率开始大幅度下降。5G,芯片制造等显然属于颠覆性技术,它们能深刻影响每个人的生活。不可避免的,颠覆性技术成为了媒体上的热门词汇。

通常人们认为,颠覆性技术是能够重塑世界格局,改变历史进程的技术。对原有的技术格局是一种破坏性的创新。识别已有的颠覆性技术并不难,我们每个人都能列出一大串:计算机、激光、互联网、全球卫星定位系统、飞机、汽车、火车、电动机、内燃机、蒸汽机……这其中每一种技术出现后,都深刻的改变了人类的历史进程。真正困难的是如何预测未来的颠覆性技术。当然,我们能从媒体上看到各种未来颠覆性技术的名字:量子计算机、基因编辑、人工智能、核聚变。这些技术毋庸置疑都具有颠覆性的潜力,但是何时才能真正落地改变我们的生活,具有极大的不确定性。要想预测未来,让我们回顾一下历史。

最典型的颠覆性技术还属电子计算机。通常认为,第一台电子计算机是1946年发明的恩尼亚克(ENIAC),这是一台基于电子管元件的通用电子计算机,二战期间由美国军方资助,在宾夕法尼亚大学设计并建造。实际上在此之前,已经出现了多种不同的专用型电子计算机,比如说1941年公布的阿塔纳索夫-贝瑞计算机,用于求解线性方程组;英国的Colossus计算机,用于破解密码等。二战期间,为了应对军事需求,各种专用型电子管计算机应运而生,它们极大的提升了人们计算的能力。但是专用机过于笨重不够灵活,必须通过改变硬件,才能用于处理不同的问题。从专用到通用电子计算机,显然是电子计算机技术的一个质的跨越,让它完全区别于以往的机械差分机。

从电子管到晶体管计算机,是电子计算机发展历程中又一个巨大的技术变革:尺寸与能耗大幅度缩小,可靠性大幅度提升。虽然当半导体晶体管技术出现后,大家都认为它是电子计算机技术的未来,但到底是用硅基还是锗基材料来发展晶体管计算机,还是经过了一段时间的争论。回顾历史,在电子计算机发展的每一个阶段,都有类似硅基和锗基之争的存在。我们可以看到,颠覆性技术不是死物,而是鲜活的,在不断的生长,融合,逐步展现出主干,同时也就出现了技术分叉。分叉并不意味着技术的消亡,同时也是新生。还记得几十年前,超导电子计算机技术曾经红火一时,一度人们认为这就是下一代电子计算机的关键技术所在。但超导电子计算机时代始终未曾到来,超导计算机成为了主流电子计算机技术的分叉。但随着量子计算机的兴起,超导计算机重获新生,成为了量子计算机技术的主干之一。

可以看到,颠覆性技术从提出到落地通常要经历漫长的过程,随着人们认识的深化,其内涵与外延都会发生天翻地覆的变化。随着电子计算机的出现,1950年代人们就提出了人工智能技术的概念。历经六十余年,发展有高峰也有低谷,经历过两次“人工智能寒冬”。人工智能技术的终极目标,是做出智力能比拟人,乃至全面超越人的“强人工智能”,现在看来似乎还遥遥无期。实际上六十多年前人们最初设想的人工智能,如图像识别、语音识别、自动检索图书等,很多已经融入了我们的生活,习以为常之后,我们就不再把它当作人工智能了。由此可见,人工智能不仅是颠覆性技术,也是遥远而美好的梦想,指引着技术发展的方向。

技术的发展必须要有方向,有了方向,才能确定技术的主干与分叉。在我看来,类似人工智能,量子计算与基因编辑都不仅是颠覆性技术,也是美好的梦想,其内涵会不断变化,从而指引着颠覆性技术发展的方向。面向未来,不同人的梦想不同,所以未来的颠覆性技术真正落地之前总会有多个候选,相互竞争,互相PK。胜利者自然就是技术的主干,失败者也会成为技术的分叉。只有技术的追随者才只会发展技术主干,对于颠覆性技术的引领者而言,主干与分叉都是极为重要。小孩子才做选择,而我们全都要!

五年一千个,老铁没毛病!


量子计算机,自从1994年在实验室里出现首个原型,到现在二十多年了。量子计算机发展的最初20年,技术一直缓慢地在积累。人们尝试了离子阱,腔量子电动力学、超导电路、量子点,单光子,金刚石色心等很多个实验系统,但好像始终在研究如何实现两个量子比特的量子逻辑门,如何制备两个、三个量子比特的纠缠态什么的。光量子纠缠态从4个到6个,再到8个和10个光子,前后好像花了十五年吧。离子阱量子计算机的可控离子数目从两个增加到10个以上,也花了小二十年。目前最热门的超导量子计算机,在2005年前后量子比特的寿命不到100纳秒,两个量子比特逻辑门的保真度只有80%上下。

虽然从表面数字上量子计算机只是在缓慢的变化,但实际上技术还是在持续积累,人们对量子计算机的认识和信心也越累越强。2010年前后,超导量子计算机的技术开始迅猛发展,量子比特的寿命短短十年就从100纳秒提升到100微秒,同时逻辑门的保真度也迅速提升到99%以上,达到了容错量子计算的阈值以上。而离子阱系统中,在2011年也做出了14个离子的多体量子纠缠态

2015年前后,谷歌加入了量子计算机的硬件研发,从美国加州大学圣巴巴拉分校挖来了Martinis教授负责量子计算的硬件投入,同时IBM也在这个方向加大了投入,2016年发布了5个量子比特的量子计算云平台。创业公司也开始出现了,比如说最早做离子阱量子计算的Monroe教授创办了IonQ公司,发展离子阱量子计算,从IBM出来的Regetti 公司发展超导量子计算。中国的阿里巴巴、华为、腾讯和百度等公司也在两三年前开始了量子计算机的研发。他们从软件着手,目前也开始啃量子计算硬件的硬骨头。

工业界的投入让这个方向的发展步入了快车道,20多年的技术积累不是白费的,量子计算机无论是量子比特的数目,还是量子逻辑门的保真度都在快速提升。我记得IBM刚刚发布其量子云平台时,只包含5个量子比特,两个量子比特逻辑门的保真度只有95%左右。而2019年其最新发布的量子云平台,两量子比特逻辑门的保真度已经超过99%了。现在不论IBM还是谷歌都已经做出了60个量子比特以上的量子计算机,去年谷歌更是在其机器上演示了“量子霸权”的实验,验证了量子计算机可以超越经典计算机。

另一方面,在离子阱与超导量子计算机以外,基于硅基量子点与光子系统的量子计算也在蓬勃发展。比如说,低温下硅基量子点的相干时间被证明可以长达几个小时,而其工作温度也从10mK的超低温提升到了3K。开发硅基量子点量子计算机的公司,聘请了Martinis教授兼职,预计两年内可以做出超过10个量子比特的原型机。由于英特尔公司在硅基系统中有长久的积累,所以他们对此系统很有兴趣,这几年也投入了很多资源。

最近这一两个月IBM与谷歌都贴出了自己的量子计算机路线图。谷歌预计5年做出超过一千个量子比特的量子计算机,到2030年,做出超过一百万量子比特的,通用可容错的量子计算机。

IBM量子计算机研发路线图

上图展示的IBM的路线图,他们更加激进,预计3年做出超过1000个量子比特的量子计算机,

作为量子计算的创业公司,IonQ选择了离子阱作为技术路线,他们最近发布的量子计算机包含32个量子比特,逻辑门保真度很高,量子体积超过百万。而一年前,他们发布的量子计算机还只包含11个量子比特。一年提升3倍,这个发展速度还是很惊人的!根据IonQ公司CEO的说法,他们会每年让量子比特的数目翻一倍。这样到了2025年,离子阱量子计算机也可以达到1000个量子比特了。虽然这个新闻中没有包含技术细节,但是在9月24日,arXiv上预印本的论文中,Monroe组用13个离子阱的量子计算机演示了量子纠错算法。这个实验平台与IonQ公司用到的技术应该是大体相似的。离子阱量子计算机与超导量子计算机不同的地方在于,允许实现非紧邻的量子逻辑门,这可以极大的降低算法的复杂性。

综合各方消息,大概可以确认的是,到了2025年前后,我们可以做出一个量子比特数在1000个量级,两量子比特的量子逻辑门保真度99.7%的量子计算机。量子纠错和量子容错操作应该可以在此平台上得到演示与证明。而基于量子计算的一些初步的应用,也许就可以在此系统中得到演示或者验证。在通往容错量子计算的漫漫征途中,超导量子计算机、离子阱量子计算机、硅基量子点量子计算机等各种系统会相互竞争,共同促进量子计算机的快速发展。乐观点估计,在2030年后,人们也许真能做出100万个物理量子比特的量子计算机。

我儿子正在念小学,等他大学毕业开始工作,也许量子计算机程序员会成为他们那个时代最紧俏和吃香的职业。意识到这一点,我今天早饭时特意问了问他:以后想做量子计算程序员么?他表示完全听不懂,他以后的理想是做一名外科医生。好吧,外科医生也很不错,老铁没毛病!

下一代网络 量子互联网


首发《北京科技报

自从1969年互联网发明以来,它已经彻底地改变了人类的生活和社会形态。今后几年随着5G网络技术的逐步普及,我们将会进入万物互联的新时代。很多人都很好奇,5G之后新一代的互联网技术会是什么样呢?是6G、7G网络,还是什么别的么?

今年2月,美国白宫国家量子协调办公室发布了美国政府的量子网络战略展望,7月底,美国能源部发布了美国量子互联网的蓝图。今年5月,欧盟也发布了自身的量子互联网战略愿景。“量子互联网”成为了科技媒体上热门的词汇。这么多国家的政府都不约而同的对量子互联网产生了浓厚的兴趣,量子网络很可能会是下一代网络技术的关键。那什么是量子互联网?请让我从头说起。

量子互联网包含两个关键词:“量子”与“互联网”。量子在这里指的是量子物理特有的规律。量子物理学是从20世纪初发展起来的一门学问。量子物理理论一经创立,就成功地解释了原子发光光谱等问题,进而帮助人们深刻地理解了微观世界物质运动的规律。只有掌握了这些规律,人们才能发明晶体管、半导体芯片以及大规模集成电路技术,用于制造功能越来越强大的电子计算机;基于量子物理,人们发明了激光并用于光纤通信,从而实现全球互联网。总之,量子物理学不仅是信息时代的基础,也是全球互联网的基础。

互联网出现四十多年,其容量、速度和广度一直在迅猛发展。最开始互联网的速度太慢,只适合传输文字信息,后来图片,语音,视频等都能通过网络便捷地分享。今天通过移动互联网,我们可以随时随地的拍摄一段视频,并发布在网上。互联网技术极大地提升人们的生活品质和社会的运行效率,但不可避免地也带来了很多新的问题,比如网络时代的信息安全问题,身份认证问题等。解决这些问题的通行办法是密码学家发明的公共密钥协议。1994年,能够高效破解RSA公共密钥协议的Shor量子算法发明后,公共密钥协议的安全性开始被动摇。幸好,1984年人们就发明了基于量子物理的BB84密码协议,它的安全性完全由量子物理的基本特性所保证,不会被量子计算所攻破:量子的矛正好被量子的盾抵挡。

由BB84协议发展而来的量子保密通信技术,在过去的三十多年中得到了迅猛发展。最近十年,中国人在这项技术的发展中发挥了重要作用,比如墨子号量子卫星发射成功,京沪量子通信干线的建设等,都极大地直接推动了量子保密通信的应用落地,与现有的互联网结合起来,保障用户的信息安全。

既然量子物理与密码学融合而来的量子保密通信技术,可极大地提升互联网的信息安全。很自然的,我们会想,如果用量子技术对互联网进行整体的升级,实现全量子的互联网,也许就能做更多传统互联网做不了的事情。

那量子互联网到底能做什么事情呢?首先,它可以用来传递量子信息。量子信息的基本单元是量子比特,如同经典量子比特那样,它也有0和1两个状态,但同时遵循量子的规律,可以处于0和1的量子叠加态。最神奇的是,相聚遥远的量子比特之间,还可以处于量子纠缠态。量子互联网的基础是量子隐形传态(Quantum Teleportation)技术:它基于量子物理基本原理,利用量子纠缠作为资源和经典通信的辅助,不用移动承载量子信息的物质实体(比如说光子),就能实现相聚遥远的两点之间的量子信息的传递。由此可以预计,未来的量子互联网运行时,也离不开经典信息网络的辅助,量子互联网与经典互联网是并行不悖的。

其次,利用量子网络还有望实现全新的传感技术,在军事国防上有重大的应用潜力。在量子互联网上,利用相互纠缠的量子网络节点,能够带来传感灵敏度的极大提升,超越经典测量理论的极限。基于量子网络可以实现更加精准的全球时钟标准,使得网络中不同节点间时钟同步更加稳定,各个节点时钟的误差可以被实时测定并修正。利用量子纠缠作为资源,所实现的全球量子时钟基准将会出现颠覆性的提升。不仅如此,基于量子网络的时钟基准,具有很高的安全性,能探测敌人对网络节点的攻击。利用量子网络所实现的时间基准一旦用于北斗全球定位系统,将会极大的提升其授时、定位精度与安全性。我相信利用量子网络实现全新的传感方式将会是未来量子互联网的重要应用。

建造量子互联网的终极目标是实现分布式量子计算网络。尽管量子计算机已经展现出超越经典计算机的能力,但是每个节点量子计算机能力始终是有限的,如果能用量子互联网连接不同的量子计算节点,可以形成庞大的分布式量子计算机,极大地增加量子计算的能力。为了实现可靠的分布式量子计算,关键是在量子网络上实现量子纠错。总的来说,量子网络在量子计算上的应用,目前还是着眼于基础研究。

要实现大规模的量子网络,进而实现全球量子互联网和分布式量子计算,要解决的关键技术瓶颈是量子纠缠的长距离分发问题。我们都知道,量子纠缠一般是很脆弱的,如果把处于量子纠缠态的一对光子通过光纤朝两个方向传输,量子纠缠很快就会随着光子的泄露而完全丢失。为此,人们正在发展可以蒸馏和放大量子纠缠的技术,我们把它称为量子中继器。量子网络终极的应用是实现分布式量子计算网络。通常量子计算机中量子信息存储在微波波段,而要连接相聚遥远的量子计算机,需要我们实现量子信息在微波与光学波段之间的高效转化,以及量子信息在网络节点上的长时间存储。总的来说,要实现全量子网络,所需要突破的技术包括量子连接器、量子中继器、量子存储器等。

l 量子连接器:可以实现量子信息在微波与光学波段光子之间的高效转化

l 量子中继器:可以实现网络节点之间量子纠缠的放大

l 量子存储器:可以长时间的存储量子信息

人们已经实现微波光子与光学光子的转化,但仅限于经典信号,单量子水平的高效转化还在研发中。要实现真正的量子连接器,目前主要问题在于转化效率不够高,以及转化时噪声太大。据我估计,5年内此技术应该可突破到单量子水准。实现量子中继器的关键是量子纠缠分发。目前已实现相距几十公里,通过光纤连接的两个节点之间的量子纠缠分发(由中科大潘建伟团队完成),纠缠放大的技术指标只差临门一脚,就能迈向实用的量子中继器。人们已经实现小时量级的量子存储器,但需要超低温环境,且无法对错误进行纠正。人们正在研发室温下的长寿命量子存储器,并利用量子纠错技术纠正存储中出现的错误。

虽然通向量子互联网的道路上还存在很多障碍,但目前揭示出的量子互联网的功能,已经让人们神往不已。我相信,随着技术的发展,量子互联网的雏形将很快会出现,它将帮助人们深入地挖掘量子互联网的能力与功能,量子互联网更多颠覆性的应用,也许会不断涌现。

验证时间离散性的实验方案


最近读了一篇很有趣的论文,探讨了在实验上验证时间离散的可能性。我们知道,根据量子力学,可以定义所谓的普朗克尺度和普朗克时间,普朗克尺度大概在 [公式] 米,而普朗克时间为 [公式] 秒。人们普遍相信,无法实现小于普朗克尺度与普朗克时间的测量。很自然的一个问题是,趋近于普朗克时间时,时间的流逝仍旧时连续的么?是否从连续的变化,过渡到离散的时间行为?如果普朗克时间真的是最小的时间单位,那么我们能否用实验来验证普朗克时间尺度的离散性?这篇论文讨论的就是这个问题。

时间离散性的验证实验示意图

他们分析了最近的制备金刚石宏观量子叠加和物质波干涉的实验方案,如上图所示:包含有金刚石NV中心的金刚石颗粒,被光阱囚禁起来,施加梯度磁场,实现内部电子自旋与外部质心运动的耦合,从而实现物质波的叠加态制备。我们再用制备叠加态的逆过程,让物质波叠加态恢复原状,在金刚石NV中心电子自旋的内态之间的相对相位,就包含了这个物质波干涩的信息。物质波干涉时,如果考虑重力的影响,可以影响物质波干涉的干涉相位,从而实现对重力的测量。其精度有望超过10^-10 g,在探矿等领域有重要应用。

如果忽略重力的影响,考虑在纳米金刚石附近有一个相对大质量的物体,质量M,纳米金刚石处于叠加态时,由于万有引力,会导致这二者之间的量子纠缠。处于叠加态的两支金刚石波函数之间固有时之间的差别,也会导致最终电子自旋之间的相对相位差,这个相位差为 [公式] ,这里 d是物质波叠加态的距离,l是纳米金刚石与大质量物体之间的距离。他们经过推导发现相位差与普朗克质量也有联系如下

[公式]

这里 [公式] kg 是普朗克质量。如果我们假设 [公式] ,是普朗克时间的整数倍,那么相位差也就会出现如下的台阶状的变化行为,并可以反映到NV中心的自旋布局数上。

这里的 [公式] 。

根据他们的估算,要实现这个实验,悬浮金刚石的尺寸要尽量的大,在10微米量级。要实现对相位的精准测量,需要长时间的累计数据,以年作为单位。考虑到噪声和实验不完备性之后,也仍旧有可能在实验中看到台阶的数据。

这种用精密测量技术探索物理学边界的思路,值得进一步发扬。量子精密测量技术的进一步发展,有一天也许会给我们打开新物理的大门!

悬浮时间晶体


我从2010年开始悬浮光力学的研究。2011年初,发表了第一篇这个方向的理论工作。2011年底,合作者李统藏建议研究带电粒子在环形光势阱中量子基态附近的稳恒运动。不久,我们发现诺贝尔物理奖获得者Frank Wilczek 教授在预印本网站上贴出了量子时间晶体的论文,与我们正在研究的问题很相似。仔细研究后我们发现,环形势阱中纳米粒子的量子基态对应的温度太低,实验无法实现。于是我们调整了模型,基于离子阱的提出了离子晶体基态附近的量子时空晶体理论,同时预言了时间准晶体的存在。我非常喜欢这个工作,专门写了科普文章介绍。

量子时间晶体的概念出现后,很快引发了巨大的争议。有人发表论文认为,在热力学极限下,基态附近的量子时间晶体是无法出现的。为了避开这些争议,人们又提出了离散时间晶体,此效应2017年已在实验中实现。不过很可惜,它不是系统的基态,只是周期性驱动下非平衡态的时间平移对称性自发破缺。即便如此,这仍旧让人们对实现原始定义的时间晶体有了更多信心,而且开始利用时间晶体提升计时精度。

加州大学伯克利分校的一个离子阱实验组对我们的量子时空晶体理论产生了兴趣,并申请经费开始做实验。过去几年,他们一直在参照理论搭建新的环形离子阱实验平台做实验。直到2017年他们才发表了此实验平台上的第一篇PRL,在2019年他们又做出另一个有趣的实验结果。这才是真正沉下心来做研究的例子。我们的理论工作发表后半年就被人质疑,我们答复质疑的文章都无法顺利发表,这让我们很受打击。而伯克利的这位教授不在乎外界质疑,只遵循内心,相信它有意思,值得研究,就一直坚持下来。

这对我触动也很大。面对质疑,我们一度也有些不知所措,只得回去专注研究光悬浮纳米粒子系统的宏观量子物理现象。直到2017年有实验实现离散时间晶体,以及伯克利这位教授组的实验,让我们重新回到这个领域。我们继续沿着最初的思路做下去,而不是随大流去做周期性驱动下的时间平移对称性自发破缺。我与西安交大的本科生黄奕和普渡大学的李统藏教授合作,很快发现某个精确可解的多体自旋模型的基态存在时间准晶体现象。这两年有实验与理论研究验证了时间准晶体,我们的两个理论工作均被引用。只要沉下心来,扎扎实实的做工作,就能获得收获。

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有效时间晶体的西西弗斯运动

在2012年,除了量子时间晶体,Wilczek与Shapere教授也提出了经典时间晶体模型。但很可惜,此模型中处于时间晶体相的基态是能谱的奇异点。只是一个玩具模型,物理上很难实现。后继在此方向的研究并不多,大都瞄准宇宙学或者广义相对论,其中动力学拉氏量的基态有可能存在奇异点。但人们最关心的还是如何在实验室中验证理论。

Wilczek 教授顺着自己的思路继续做下去,一直在尝试改进此模型。他与Shapere研究了在平面上运动的带电粒子,在特定的磁场分布下,随着粒子质量很小,其某个方向的运动可以被绝热消去,从而得到另外一个方向上运动的有效拉氏量,它具有与经典时间晶体拉氏量完全一样的形式。他们发现,这个带电粒子在基态附近,任意小扰动,就可以进入所谓的西西弗斯运动,如上图所示。但仔细分析他们的结果可以看出来,这个西西弗斯运动的振幅与周期都依赖于初始扰动,如果扰动趋近于无穷小,振幅也是无穷小。由于这个模型运动周期对初始条件的依赖性,是无法用来作为时钟计时的。即使初始运动条件确定,西西弗斯运动的周期也没有完全定下来,存在随机的涨落,与具有确定周期的时间晶体不同。总之,虽然得到了有效时间晶体的拉氏量,这个系统的运动行为仍旧与真正意义上的时间晶体有很大差别。不仅如此,Wilczek 与 Shapere的理论假定粒子沿着空间某维度运动时的质量参数为零,而另一个维度的质量不为零,这也很难在实验中实现。

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时间晶体的准稳态双势阱与真正基态势能曲线

黄奕跟我合作完成了有关时间准晶体的理论研究后,2018年春天继续跟我做与时间晶体相关的本科毕业设计。我们一直在关注时间晶体的研究进展,所以仔细分析了Wilczek等人的论文,希望能够找到物理实现方法。经过多种尝试后,我们又回到了熟悉的悬浮纳米粒子系统,考虑一个带电的非球形纳米晶体,用激光或者离子阱悬浮在真空中,纳米粒子的三维质心运动与两维转动都被束缚住,只留下一个转动自由度未被囚禁。在低温下,我们忽略平动自由度的影响,只考虑转动。如果再加上均匀磁场,系统的两个被囚禁的转动自由度(也就是摆动模)与一个转动自由度相互耦合。我们从理论上证明了,在强磁场或高荷质比极限下,可以消去两个摆动自由度,此时系统原来静止不动的转动基态将会退化为非稳态,持续转动的时间晶体态与基态之间的能隙会趋近于零。只需要无穷小的扰动,就可以让它进入绕着囚禁指向持续转动的稳态。换句话说,此时系统的基态将会自发的破缺时间平移对称性,呈现出时间晶体的特性。处于时间晶体态时,如上图所示,系统的有效势能曲线类似于一个墨西哥帽子,与我们讨论规范对称性自发破缺时的情形很类似。

此有效模型自发破缺基态的时间平移对称性之后的运动速度是确定的,并具备与初始条件无关的运动周期。而Wilczek的有效模型破缺基态的时间平移对称性后,其西西弗斯运动速度存在突变(数学上的奇异性),运动周期依赖于初始条件。相比而言,我们的模型,不仅避免了原始经典时间晶体模型基态能谱的奇异性,也避开了Wilczek等人所提出的有效模型中运动速度的奇异性和运动周期对初始条件的敏感依赖性,具有非常好的数学性质。

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带耗散阻尼的系统运动

在实际实验中,我们只能让磁场或者电子密度尽可能的大,真正的无穷大是不可能达到的。此时时间晶体态是一个准稳态,与真正的基态之间还存在很小的能隙。为了确定理论的可靠性,我们用实验可行的参数进行了数值计算,发现理论结果与数值分析是一致的。在经典基态附近,只需要微小的扰动就可以让它进入时间晶体态,此时间晶体态运动与钟表的秒针特别像,可以用于计时。我们还发现,即使系统能量存在耗散,处于经典时间晶体态的转动角速度也不会下降,只有当能量耗尽时转动会突然停止,如上图所示。

我们也计算了有限温下的运动行为,发现经典时间晶体的相图为:零温下,系统被冻结,不存在时间晶体;有限温度下,出现时间晶体行为;温度继续上升,时间晶体熔化。我们用实验中的参数进行估算,时间晶体需要的温度在10mK量级,这可以通过激光反馈冷却而实现。在有限温度下,系统虽然没有破缺时间反演对称性,但是时间平移对称性能被破缺。此时转动的角速率基本确定,即角速率的方差小于角速率。而转动方向可以随机的在顺时针与逆时针之间变化。这个只破缺时间平移对称性的经典系统,可以被称为经典时间晶体,或者说是具有两种转动方向,但是时间上周期一定的 “时间多晶”。

在此基础上,我们把系统的哈密顿量量子化,求解其本征值和本征态。我们发现,系统的能谱有两个量子数 n 和 l ,其中 n 对应于时间晶体转动自由度的能级, l 对应于被绝热消去的摆动模的量子数。当l 很大时,n 的基态具有非零的机械角动量,与经典的预言一致。 l 趋近于0时,时间晶体角动量的平均值也会趋近于零,时间晶体现象消失。但是我们发现在非零的磁通下,量子涨落也可能破缺时间平移对称性,使得量子基态存在有非零的转动,或者说量子时间晶体。此时磁通先破缺系统的时间反演对称性,然后时间平移对称性也随之破缺。由此可见,我们的模型可以同时支持经典时间晶体与量子时间晶体

回顾这些年我们在时间晶体领域做的研究,离不开悬浮带电荷的系统。从最早的环形光势阱中纳米粒子的基态稳恒转动,到提出离子阱中悬浮的量子时空晶体、时间准晶体,再到如今回到悬浮带电纳米粒子,发现其自传呈现经典时间晶体与量子时间晶体,乃至时间多晶的行为。就像时间晶体那样,我们的研究也是一个循环。

黄奕2018年本科毕业后来去了美国明尼苏达大学(UMN)念博士。我们继续合作,终于完成了这个工作。在英国伯明翰大学念研究生的熊安达,以及西安交大的本科生郭启淏参与了模型非线性动力学和量子基态的分析与数值工作。此研究也是我与美国普度大学的李统藏教授长期合作的悬浮光力学和时间晶体的延续。在论文撰写过程中,他深度参与了实验的可行性分析。

后记:还记得2012年上半年,我们开始研究量子时空晶体时,妻子正怀孕。所以我把那篇《时间晶体,把爱保存到宇宙尽头之后》的科普文章献给了她。这篇科普文章我要献给8岁的儿子,2012年,他与量子时空晶体论文一同诞生,一直都对“转转转”的东西特别关注,看来他对”时间晶体“有天生的兴趣。愿他永远保持好奇心,追求自己的梦想。最后,在论文快要完成时,碰到了肆虐全国的新型冠状病毒肺炎,我们不得不关在家中,以写论文的方式,度过了这个春节,同时也让我们能从疫情带来的焦灼感中解脱出来。

论文链接:Yi Huang, Qihao Guo, Anda Xiong, Tongcang Li, Zhang-qi Yin*, “Time crystal based on a levitated charged nanoparticle”, arXiv:2001.10187.