再聊聊2012年诺贝尔物理学奖


今年的诺贝尔物理奖可以算作是量子计算机领域第一个诺贝尔奖,委员会选取腔量子电动力学和离子阱系统是有其原因的,因为在我看来,这是目前两个最有希望实现量子计算机的系统。

腔量子电动力学与离子阱系统都是很干净的量子系统,但是腔量子电动力学系统对单个原子的精确操控比较麻烦,需要用光场束缚冷却原子,并精确的操控其位置。所以Haroche选择用原子作为测量器来探测腔中光子的状态。与腔量子电动力学系统不同,离子阱系统对单个原子的操控是比较容易的,改进技术之后,也很容易实现两个原子的操控。因此不难理解离子阱系统能最早在实验上实现量子逻辑门,Wineland也因此获得了诺贝尔物理学奖。经过十几年的发展,人们已经实现了十几个离子阱量子比特的操控。但是进一步扩展遇到了很大的困难,这是离子阱技术本身带来的难以逾越的问题:我们无法无止境的增大离子阱来容纳更多的离子。

在2005年附近,耶鲁有一个研究组提出,在超导电路中,制造一个LC的震荡回路器件,设计好电容和电感的大小,可以操控这个震荡电路的本征频率到微波波段。同时超导电路的损耗也可以降低到几乎可以忽略。这个震荡电路就可以看成是电路上的微博腔。而我们已经可以在电路中利用超导体的量子效应制备出宏观的人工二能级原子,或者说量子比特。把超导量子比特与超导震荡电路集成在一起,我们就得到了超导电路量子电动力学系统。这个系统很类似于Haroche所研究的利用两面高反射镜与理德堡原子耦合得到的腔量子电动力学系统,可以算是Haroche实验装置的改进升级版。在这个改进升级了的超导微波腔量子电动力学系统中,我们获得的额外在于:可以任意操控人工原子的频率、位置以及与腔中微波光子的耦合强度。而最吸引人的地方是:这是一个电路系统,我们可以很容易的扩大系统的规模,我们在超大规模集成电路中积累的技术也可以应用在这里。

离子阱自然也不会坐以待毙。既然单个离子阱无法容纳太多的离子,那么我们也改进设计。目前人们正在研究在固体表面形成的表面离子阱,可以做得非常小,一个芯片上可以做出离子阱的阵列来,而且可以引入离子阱之间的耦合。但是,要真正的扩大离子阱量子计算的规模,还是得引入量子网络技术。利用光作为媒介形成相互远离的离子阱之间的全量子网络,整个量子网络可以看成一台大的量子计算机。即使每个离子阱内的量子比特数很少,但是整个网络的计算能力可以很强悍。

离子阱与腔量子电动力学的竞争才刚刚开始,目前还远远没有到分输赢的阶段,技术的发展是不可预测的。比如说,今年在实验上看到的半导体纳米线中的Majorana费米子,就有可能作为新的量子比特载体。这种量子比特的特点在于利用量子系统的拓扑保护机制,其本身就是容错的,不需要人为的操控来纠错。当然,基于Majorana费米子的量子计算机还只是图纸上的设计,还没有人证明其可行性。

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有关2012年诺贝尔物理奖


昨晚看新闻,第一时间发现2012年诺贝尔物理奖发给了美国的Wineland和法国的Haroche,他们都是量子光学实验的专家,是我们这个行当的祖师级人物。我同事金奇焕教授跟我说,Haroche是他博士生导师的导师,而Wineland是他博士后导师的博后导师。换句话说,今年两位诺贝尔物理奖获得者都是他的师祖。金教授目前在从事离子阱量子计算机的研制工作。新闻上说Wineland和Haroche的工作是实现量子计算机的第一步,而金教授所做的就是迈出第二步第三步,乃至做出一个实用的量子计算机。

闲话少说,九维空间昨天就诺贝尔物理奖做了简单介绍,我现在来补充一下。Haroche从事的是腔量子电动力学的实验研究。所谓腔,最形象的理解就是两个平行放置的反射镜,光在里面来回反射,有时候会形成稳定的驻波。如果要满足驻波条件,那么光的频率只能取一些等间距的离散的值,频率间距与镜子的距离成反比。于是我们就可以控制镜子的间距来使得其本征频率与原子相等,当原子频率与腔频率接近共振时,腔中光子与原子会有很强的相互作用,从而用原子控制光子。

九维空间大概混淆了光学腔实验与微波腔实验。Haroche并没用光学腔来束缚原子,他用的是厘米级别的微波腔。他利用高激发的理德堡原子与微波腔耦合。原子以一定的速度穿过腔,于是可以调节原子的速度来控制原子与腔模的相互作用时间,从而操控腔中单个微波光子。腔中光子寿命极长,他已经实现了光子寿命0.13秒的微波腔。在腔中光子泄漏之前,他可以实现多次对光子状态的操控与测量。实现腔束缚并操控原子的,应该是加州理工的Kimble。

利用原子测量光子时,原子与腔中光子并不共振,但是光子的数目会影响原子的相位。通过对原子相位的测量,Haroche可以测量腔中光子数值,乃至直接观察到光子的产生和消失。通过把原子的激发传递给光子,可以随意调控的光子状态。如果两个原子同时穿过腔,可以让光子作为媒介,在两原子间制备纠缠态。

我还记得2006年,哈佛大学的Glauber教授获得诺贝尔物理奖之后,访问西安交大,做了一个有关量子光学的报告,当时我就在台下。在报告的最后,他很兴奋的分享了Haroche前不久所做的对单个光子产生也消失做的精彩的实验结果。如今Haoroche本人已经因为他在腔QED领域的杰出贡献获得了诺贝尔物理学奖。中国人在腔QED领域也做出了很多重要的工作,不过以理论为主。比如福州大学郑仕标教授和中科大郭光灿院士就做过一个腔QED实现量子逻辑门的理论工作,是这个方向的经典文献,很快被Haroche组实现,这个实验也就是我前面提的利用光学腔做媒介实现原子之间的纠缠。在这个方向的实验上作出好工作的中国人不多,山西大学的张天才教授算一个,他是Kimble的博士后。

Wineland教授从事的是离子阱的实验工作。他最重要的贡献在于1978首次演示了了光冷却离子的技术,随后在实验上首次把离子阱中的离子冷却到了振动的量子基态。在此基础上,他们做了一系列重要的实验。比如1986年,他们首次观察到了单个原子的量子跃迁现象,在1995年他们首次演示了离子阱量子控制非门,这是实现量子计算机的第一步。他也是用离子阱做离子钟的领导者,2005年他首次把量子逻辑门的技术用于离子钟,得到了世界上最精确的时钟。

在中国用从事离子阱实验的组也非常少,据我所知,只有武汉物理数学所和清华大学等有限的两三家单位。2011年开始,在姚期智院士的领导下,清华大学交叉信息院量子信息中心开始了离子阱量子计算机的实验研究,领导离子阱实验的是金奇焕教授和段路明教授。起步虽然比较晚,但是发展非常快,目前已经完成了对超过20个离子的束缚,正在探索实现多个离子间的量子逻辑门技术。与腔量子电动力学不同,在中国从事离子阱理论工作的人不多,实际上全世界也很少。段路明教授恰恰是这方面的一流专家,他在离子阱量子计算和量子网络上一系列的理论工作,为基于离子阱的量子计算以及量子网络指出了一条可行的途径。

在诺贝尔奖委员会的新闻稿中,Wineland和Haroche的工作被描述为实现量子计算机的第一步,并预计本世纪我们有可能看到量子计算机的出现,并改变我们的生活。而要真的达成这一点,必须要我们共同努力。不仅仅是物理学家,还包括数学家,计算机专家以及电子工程师等等。我们中国的物理学家在这个领域已经有了很好的积累,要发奋努力,在未来做出更好的工作,为量子计算机乃至量子信息技术的实用化做出不可替代的贡献。