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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One Comment

  1. 氣功 in a way is like “optical cavity”, with which you have a well controlled/manged “Hamiltonian” moving around inside your mind/body, accomplishing various miracles. BBC reported one Indian case: a man does not eat or drink for several months, still alive and healthy, all recorded by videos in an Indian military camp, live; I personally know an 氣功 case of almost miracle, in terms of its effect on a person with chronicle disease. she came back from the edge of death. 氣功 saved her here in US, where all the known medicine stopped working for her.

    very few physicists understand and practice 氣功, which is some kind of quantum system working in macroscopic state, biologically.

    Max Tegmark’s piece is a great piece, thanks again.

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