容错量子计算的一线曙光


从我学习研究量子信息科学与量子计算的那天开始,我就无数次被问到,哪一天量子计算机才能变为现实。我也无数次的问自己,存在实现量子计算机的时间表么? 如果真有时间表,那么关键的时间节点是什么,我应该如何准备才能在其中做出自己的贡献。自我审问无数次,我都没有肯定的结论。随着学习的深入,以及量子信 息科学的发展的深入,我发现遇到的问题越来越多,实现实用的量子计算遥遥无期,是十年,二十年,还是三十年,或者五十年,我不知道。

最近,我逐渐意 识到,之所以没有信心,是因为我们还没有实验室证明容错量子计算的可行性。或者说,我们还没有做出一个存储时间任意长时间的量子比特。容错量子计算理论告 诉我们,要得到一个存储时间任意长的逻辑量子比特,需要至少五个物理量子比特。他们的相干时间比上量子逻辑门的运算特征时间要足够大(100以上),量子 逻辑门的错误率要足够小(最多不能超过1%)。在实验上做出可容错的量子信息处理芯片将会是量子计算从实验室走向实用的起点。所谓的实现量子计算机的时间 表,也只有在此之后才有意义。如果科学家无法证明容错量子计算的可行,那么政府或者其他大资本是不可能投入巨量的支持,让工程师是接过科学家的接力棒,把 量子计算机集成的量子比特数推向极限,从而实现实用的量子计算机的。

美国加州大学圣巴巴拉分校的马丁内斯组最近做了一个实验, 初步达到了基于surface code量子纠错方案所需要的实验条件。他们集成了5个超导量子比特,验证了完成单量子比特逻辑门的保真度超过99.9%,双量子比特逻辑门的保真度 99.4%。他们认为,验证容错量子计算理论应该不存在技术上的困难了。我们中国在量子信息科学领域有多年的积累,应该在这个方向上积累技术,争取早日做 出突破。在这样一个关键的时间节点,作为研究量子信息与量子计算的理论学者,我又可以做些什么呢?

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从悬浮的青蛙到石墨烯


上一篇文章中我提到了石墨烯。它的发现者是英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们的轶事是很值得写写的。

安德烈. 海姆应该是世界上第一个同时获得过诺贝尔物理学奖和搞笑诺贝尔物理学奖的学者。他获搞笑诺贝尔物理奖的工作是磁悬浮青蛙,1998年拿奖。我查过那篇获奖论文,发表后影响力也很大,引用超过200次了。这个磁悬浮青蛙的工作,当时实在找不到什么用处,但是极为有趣。现在,在我看来,这种技术也许可以帮我们实现生命体的薛定谔猫态,直接验证薛定谔猫的理想实验。

他 们的实验室周五通常用来做海阔天空的实验和闲聊,很多新的点子就是这么来的。石墨烯这个项目本来是教授安德烈·海姆交给他手下的一位中国留学生去做,可他 做了几个月,得到的石墨的厚度仍旧在微米量级,距离单层石墨太遥远了。中国学生要打退堂鼓了。这时他们组里的博士后康斯坦丁·诺沃肖洛夫在某个周五的闲聊 中知道了这个事情,突发奇想,要用胶带纸来撕开石墨片层,最终也许可以得到单层石墨烯。最终他们就是用这样一个很山寨的点子,制备出了世界上第一个二维的 晶体物质。

他们虽然做出了这么好的工作,但是之后几年经费仍旧不容易拿,新加坡国立大学一度要挖走康斯坦丁·诺沃肖洛夫去他们那里建研究石 墨烯的中心,给他副教授的头衔。但就在这时,他们拿到了诺贝尔物理奖,于是经费什么都不愁了,新加坡国立大学自然也就不可能仅仅靠一个副教授的职位招聘到 诺贝尔奖获得者。

为什么现在要研究宏观量子力学?


量子力学传统上都被认为是微观世界所遵循的规律,宏观世界用牛顿力学就足够了。当然,作为物理学家,我们认为世界是由一个统一的规律来指导的,所以量子力学应该也适用于宏观世界。这个信念在如今的时代,正在接受严格的实验检验。为什么现在我们要严肃的研究宏观量子力学?下面是我的一些思考。

首先,是因为有需求。过去的二十年,量子力学应用到信息学,发展出来了量子信息科学这个交叉领域。其中,我们最终的梦想是建造一台实用的量子计算机。我们知道,量子计算机中必须包含有海量的量子比特,它们还必须按照量子物理的规律来运转。所以,一个实用量子计算机的建造过程,也就是一个按照量子力学规律运转的宏观机器的建造过程。从实验上寻找宏观量子力学的适用范围,有助于我们确认量子计算机实际可行,有助于我们找到建造量子计算机的最大难点所在。

其次,是因为宏观量子物理现象的理论预言让研究它极为诱人。比如说,霍金提出的黑洞辐射理论,就是一个典型的宏观量子物理现象,也是广义相对论与量子力学的交界处所出现的新奇物理现象。与之相关的,还有Unruh效应,一个物体的加速度极大时,其感受到的真空温度将会随着加速度的增加而增大。Penrose也预言,广义相对论将会限制宏观系统量子叠加态的寿命。

最后,也是最重要的,是因为我们现在可以做这方面的实验了。随着人们对量子计算机的追求,对量子物理系统的操控越来越精确,物理尺度也越来越大。既然量子计算机一时间还无法做出来,还不如用已经掌握的实验技术来研究同样重要的宏观量子物理现象。宏观的量子物理技术的发展让很多原有的哲学争议变为了物理上可测量的实验。比如说,所谓的量子薛定谔猫态中,猫的生死是不是就是由测量来决定的呢?

总之,现在研究宏观量子物理学,将会经历把量子力学的应用范围推广到极限边界的历程,将会见证量子物理的哲学和世界观被实验检验,这不是很奇妙的体验么?