里德堡原子量子模拟与量子计算

量子计算与量子模拟概念提出到今天有40多年了，基于离子阱的量子计算出现到今天也有27年了。过去这二三十年，是量子计算与量子模拟技术大发展的时代，为了寻找最合适量子计算的量子比特，人们找遍了各种物理系统：离子阱、单光子、冷原子、量子点、超导电路、金刚石色心……最近几年，量子计算的实用化曙光初现，量子计算研发的投入已经越来越多的集中到超导电路和离子阱两个物理系统中，实用的量子计算机似乎就要在这两个系统中一决雌雄了。但其它物理系统也并没有止步不前：里德堡原子系统、硅基量子点系统和光子系统都取得了长足进步。我一直对新型量子计算候选系统保持着兴趣，并持续做了一些文献追踪。在这里，我简单介绍一下光悬浮里德堡原子阵列量子模拟与计算的发展进程。

里德堡原子通常是指被激发到轨道数n=50-100的高激发态原子，此时能级的寿命达10微秒量级，原子轨道半径在微米量级。里德堡原子具有很大的偶极矩，可以实现相聚遥远的里德堡原子之间的直接耦合，如图一所示。基于里德堡原子的量子信息处理，最早是2001年由M. Lukin等人所提出的：他们提出把一团里德堡原子囚禁在光阱中，由于里德堡原子之间的偶极阻塞效应，导致里德堡原子团的集体激发能级并不是等间距的。我们可以实现单激发状态，从而定义量子比特以及通用量子逻辑门。基于此技术路线，人们可以实现里德堡原子团与单光子之间的相干耦合，基于里德堡原子团的量子网络等。2010年，在 Rev. Mod. Phys. 上有一篇关于里德堡原子信息处理的综述。

图一：处于100s能级的里德堡Rb原子的偶极相互作用、范德华两体相互作用，摘自Rev. Mod. Phys. 82, 2313 (2010)

要让里德堡原子发挥全部潜力，需要实现大规模的原子阵列，在每个光阱中确定性地囚禁一个原子，通过激光激发原子到里德堡态，从而实现近邻里德堡原子间的量子逻辑门，以及基于里德堡原子阵列的量子模拟。2002年，德国马普所Bloch组的M. Greiner等人在光晶格中装载了温度在nK量级的超冷Rb原子，通过激光调控原子的相互作用，实现了从超流体到Mott绝缘态的相变。虽然原子冷却到nK温度后，可以被稳定高效囚禁在光晶格中，但是如何让每个晶格只囚禁一个原子，一直是实验上的巨大挑战。2005年，M. Greiner去美国哈佛大学建立自己的研究组。2009年，他发明了冷原子显微镜，可以探测到光晶格中的单个原子。他们用此技术实现了单原子精度超流体到Mott绝缘体转变过程的测量，量子多体系统的纠缠熵，以及多体局域系统的量子纠缠等。冷原子显微镜技术为里德堡原子阵列量子模拟器扫平了障碍。

2016年，Lukin教授与Greiner教授合作，完成了大规格里德堡原子阵列的实验。他们先实现100个光镊阵列，并把激光冷却的原子团加载在这个光镊阵列上。。然后给这个光镊阵列拍照，识别出每个光镊中到底有没有原子。通过对荧光计数进行统计分析，还可以确认每个光镊中最多只有一个原子。然后调控那些占据了原子的光镊位置，可在1秒内实现包含大于50个里德堡原子的无缺陷光镊阵列，如图二所示。法国国家科学研究中心的Antoine Browaeys教授组也独立实现了无缺陷的2维里德堡原子阵列。

图二：无缺陷里德堡原子阵列技术示意图，摘自Science 354, 1024 (2016)

此技术发明后，里德堡原子阵列量子计算与量子模拟步入了快车道。2017年Lukin组实现了51个里德堡原子阵列Ising型量子多体自旋模型，并研究其多体动力学。通过激光可操控原子的内态，从而打开和关闭原子之间的耦合，并对系统的相互左右哈密顿量进行编程调控。2021年，Lukin组和Browaeys组各自独立的实现了包含数百个里德堡原子阵列的量子模拟器：Lukin组实现了包含256个里德堡原子的多体自旋模型以及反铁磁相变，Browaeys组实现了196个里德堡原子的二维反铁磁相，实验数据与数值模拟之间匹配得很好。接下来，Lukin组又实现了里德堡原子的高速高保真度传输与可控的量子逻辑门，并制备了多体纠缠的图态、表面码量子纠缠态等。这昭示了此系统不仅能作为可编程的量子模拟器，还具备通用量子计算的潜力。

图三，里德堡原子阵列求解最大割问题的算法示意图，摘自摘自Science (2022), DOI: 10.1126/science.abo6587

随着技术的迅速进步，里德堡原子阵列已经在很多问题上找到了应用。2022年初，Lukin组发表论文，基于最多289个里德堡原子阵列实现的量子绝热算法，可以高效的解决最大独立集合问题，这是一个NP-hard的优化问题。他们通过理论分析认为此设备的计算速度可以产生平方加速。在实验中，通过与经典算法比较，对于那些最难的问题来说，他们认为已经产生了量子加速优势。基于此系统还可以有很多应用，可以参照这篇理论文章 arXiv:2205.08500 。

里德堡原子阵列技术的关键人物Lukin教授来自俄罗斯，Greiner教授来自德国，Browaeys教授来自法国。美国哈佛大学把Lukin和Greiner招到麾下，才让美国也在此新兴技术中占据了领导地位。虽然Browaeys组最早实现了无缺陷的二维里德堡原子阵列，但这两年其技术发展还是比Lukin&Greiner组稍落后一点。这可能因为哈佛大学对博士生与博士后的吸引力要大得多， 这些天才的年轻人努力工作，极大地促进了技术的进步。

2019年，Lukin&Greiner等人发起成立创业公司QuEra Computing，基于里德堡原子阵列技术开发量子模拟器和量子计算机。2021年QuEra拿到1700万美金的风险投资。在QuEra公司网站上，他们预计到今年底能开发出超过500个原子的可编程量子模拟器，以及64个量子比特的可编程量子计算机，到2024年，可以提供包含1024个量子比特的可编程量子计算机。Browaey教授也在2019年创办了Pasqal公司，推进里德堡原子阵列技术产业化。2022年1月，Nature杂志选出了7项2022年值得关注的新技术，基于里德堡原子阵列的量子模拟技术名列其中。中国科学家们也加入了这个研究领域的攻关。中科院精密测量科学与技术创新研究院詹明生研究团队去年创办了中科酷原科技（武汉）有限公司，并宣布即将发布“汉原1号”中性原子量子计算机。

我一位师弟曾在Lukin组做博后，听说他博后合同到期后就加入QuEra公司负责量子算法理论。前几年我带过的一位本科生，最近听说他从ETH硕士毕业后转去了德国马普所Bloch组，做的方向也是里德堡原子阵列量子模拟与量子计算。由于里德堡原子阵列技术过去几年的迅速发展，吸引了越来越多的人才加入，其未来是非常值得期待的。

宇宙是一台量子计算机

美国麻省理工学院塞斯.劳埃德教授写的科普《编程宇宙：量子计算机科学家解读宇宙》，最近由张文卓博士翻译为中文。我一口气读完，非常过瘾。

劳埃德教授是研究量子计算机的顶级理论专家，我曾读过他很多富有远见卓识的研究论文：1996年他就从理论上证明了通用量子模拟器；2009年，他与人合作发现，用量子计算机求解线性方程组问题相比经典计算机能有指数级效率的提升。我一直很好奇，为什么他能做出这么多重要的研究工作，这些奇思妙想的思路从何而来？

读完这本科普，我才知道，从念博士开始，他就一直研究信息学与统计物理、黑洞和复杂系统的交叉。博士毕业后，他前往IBM研究院与信息物理的创始人之一兰道尔共事，然后又去加州理工学院做诺贝尔物理奖获得者盖尔曼教授的博士后，研究复杂系统与量子力学的基本问题。与这么多物理学大家合作共事，让他形成了打破学科壁垒，将信息学、计算机科学等与物理学相互融合的研究风格。

这本《编程宇宙》，也处处体现了劳埃德教授独特的风格。他先介绍信息与计算科学最基本的概念，然后从计算的角度给出宇宙大的图像，讨论信息与物理的交叉融合，最后告诉我们从信息科学的角度，如何理解热力学第二定律、麦克斯韦妖、兰道尔原理等。特别是他认为，万事万物来源于量子比特，宇宙可以看作是一台量子计算机。宇宙的诞生、演化出现星系，然后出现生命和我们人类，这一切都是计算的产物。一句话概括：信息即物理！

从爱因斯坦开始，物理学家追寻大统一理论已经很久了，超弦理论就是由此而生。从量子比特出发，把宇宙看作一台量子计算机，是构建物理学大统一理论最新的尝试。在劳埃德写这本书的时候，这方面的研究只是刚刚开始。他估算，宇宙可以存储 10⁹² 个比特，每秒钟可以完成 10¹⁰⁵ 次操作，宇宙诞生至今已完成的运算次数超过 10¹²² 次。而地球上所有计算机一年能进行的操作不过是 10²⁸ 次。可见，宇宙的计算能力远超我们人类。要理解宇宙的本性，我们不仅要把它当作一个机器，而且要把它看作是处理信息的机器。在这个新的宇宙模型研究范式中有两个主角：信息与能量，它们共同决定了宇宙的过去与未来。

过去的十多年，在这个思想的引领下，已经产生了丰富的成果。比如，人们发现时空结构的稳定性与量子纠错码有深刻的联系，黑洞的特性与量子计算复杂性也有意想不到的联系等。我相信，劳埃德在本书中介绍的信息物理学的基本思想，以及把宇宙看作是一台量子计算机的独特视角，将会继续启发新一代科学家深入探索。