拨开量子计算的云雾


系统上线一天的感言: 清华大学的量子云服务测试开放一天多了,目前有一百六十多个用户,提交了近一百个任务。用户使用我们的服务时,偶尔会出现保真度特别低的结果,我们知道这是系统软件的bug,正在努力的解决中。bug的存在某种程度上也向用户暗示,他们提交的任务确实是运行在真实的量子计算机上的,而不是在模拟器上。我们开发这个服务的目的之一,就是希望有更多人来帮助我们测试系统,报告bug给我们,帮助我们提升系统,大家共同促进中国的量子计算研究。

作为清华大学交叉信息研究院的老师,我带过好几位本院姚班本科生做科研训练。不过尴尬的是,我是纯粹的物理学背景,而学生们大都是信息学背景。他们之所以找我,是想研究量子信息与量子计算。为他们设计合适的研究课题对我来说并不容易。实用的量子计算机还未出现,学生们研究量子计算,只能从比较抽象的数学理论出发,而这并非我所长。我习惯于针对具体的实验系统来做理论,需要长时间的积累和比较好的物理基础,这又非计算机专业本科生所长。

正在跟我做研究的姚班大四学生黄施霖,是一年半以前加入的。他选择研究量子信息的起因是他不想走寻常路,要挑战量子信息与量子计算。可是黄同学的高中物理基础一般般,必须要把物理补一下才能做量子信息。他在我组里参加了半年多组会,学习了院里的量子信息课程,做了点初步的研究之后,今年春季我推荐他去加拿大滑铁卢大学的Institute for Quantum Computing(IQC),跟着曾蓓老师做了一个学期的科研。在加拿大,黄同学表现出深厚的数学基础和敏锐的触觉,做了好几个漂亮的工作。尤其是学会了与实验合作,对基于核磁共振的量子计算系统有了初步的了解。

今年暑假,曾蓓教授来清华大学高研院访问。八月的一天,她召集组里的学生博后,并找到了我同事孙麓岩教授,来访问的电子科大王晓霆教授,以及我来交流讨论IBM新上线的量子计算云服务。曾蓓的学生陆思锐(基科班大三)用投影仪展示了这个服务的细节,我们觉得很不错。对我来说,这个服务解决了我指导本科生做科研的一个大问题。所以我马上叫我组里的姚班学生去学习这个服务的用法,并通过曾蓓的推荐,拿到了邀请码,获得了登录权限。

我们同时也有非常强的紧迫感:美国的量子计算都已经走到了实用化的边缘了,这个云服务平台就是证明,如果我们自己不行动起来,差距会越来越大。我们注意到,量子计算的研究其实是分层级的。最底层的是物理层,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。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。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的量子逻辑门序列等。在量子电路层之上才是量子算法层面。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。

IBM的量子云服务,开放的是量子计算中的量子电路层和量子算法层。用户可以根据所要运行的算法,设计好电路,并转换为程序语言发送给云端,由计算机转换为相应的量子控制脉冲信号,操控量子计算机运作,最终得到计算结果,然后返回给用户。对于用户来说,利用这个云服务,可以学习量子计算的基本理论与方法,对未来的量子计算机有一个直观的感受。这个服务的界面对信息学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,可以自己编程,控制云端服务器完成相应的计算任务。但是对于想要自己造量子计算机的研究人员来说,这个服务就远远不够了。我们还关心量子控制层,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。

有人说,那我们就做一个自己的量子云服务吧!这个提议获得了大家一致的认可。我们在量子计算的理论与实验上积累很长时间,大家的背景各不相同:有的擅长量子计算的纠错与容错理论分析,有的擅长量子计算的物理实现理论,有的擅长量子计算的控制脉冲优化与计算,还有的擅长计算机编程。有这么多经验丰富的教授、博士后、博士生以及基科班与姚班本科生,就缺一台量子计算机了!

参加讨论的物理系博士生辛涛和李可仁提出,他们的导师龙桂鲁教授早就想做量子云,恰好龙老师是曾蓓的本科科研训练指导老师,于是正好合作。龙桂鲁教授2000年开始指导曾蓓做本科科研,早在那时,他们就开始了基于核磁共振量子计算的实验研究。目前已经有成熟和稳定的量子计算研究平台,基于此平台完成了不少漂亮的实验工作。然后曾蓓又找来她的博士后李俊、前博士后鲁大为(现为南方科大助理教授)和IQC以及北京计算科学研究中心的罗志煌博士,均为核磁共振量子计算专家。李俊和鲁大为实际组织和指导了本项目的许多技术细节。

说干就干,大家分工协作,花了两个月时间,就把龙桂鲁教授组里的核磁共振量子计算机放到了云端。大家可以通过下面这个网址了解此项服务的细节:NMRCloudQ,相关的论文也已经贴到预印本网站了: A Quantum Cloud Experience on a Nuclear Magnetic Resonance Quantum Computer 。目前上线的量子云服务只是初步测试版的,只包含四个量子比特,但是逻辑门保真度超过98%,可以完成很多步复杂的逻辑门。之所以把这个服务免费提供给国内外的对量子计算感兴趣的研究者们,是期待能通过大家的反馈来进一步提升系统的能力,大家在量子计算的研究上共同进步,一起拨开量子计算的云雾。通过这个项目,我们自己也都学到很多东西,期待同行们批评指正,共同进步。

Advertisements

多体自旋中的时间准晶


论文已经贴到预印本网站了:[1709.07657] Symmetry-breaking dynamics of the finite-size Lipkin-Meshkov-Glick model near ground state

做研究,系统性是很重要的,很忌讳追求热点,东一榔头、西一棒子的做东西。但实际上,我们选择研究题目的时候,不可避免的会受到热点的影响。2012年,时间晶体这个概念刚刚提出的时候,还不是热点题目,我有幸参与了一下,发表了一篇有影响力的论文。后来我一直都想继续在这个题目下做研究,可很快就发现,学界对时间晶体一片质疑之声。找到这些质疑的论文,越读越觉得底气不足,于是我就去做薛定谔的细菌量子纠缠历史等其他有趣的题目了。不过我一直都对时间晶体保持关注。

2016年,突然出现了两篇实验论文宣称做出了时间晶体。两篇论文的共同理论合作者是Norman Yao,加州大学伯克利分校的助理教授。还记得六年前,我来清华找工作,面试通过后顺便访问了一个月。Norman Yao 还是哈佛大学的博士生,也来清华大学访问了几天,我陪他吃饭聊天。他当时已经在量子多体物理理论方面做了很多好工作。现在靠着在离散量子时间晶体方面的工作,又一举成名了。我仔细读后发现,他们从新定义了所谓的离散时间晶体,放弃了基态平衡态的要求,在受到周期性驱动的开放多体系统中,看到了时间平移对称性的自发破缺。我知道,机会来了,现在是我再次进入时间晶体研究的好时候。在那时候,我的学生黄逸洲要定大四毕业设计的题目,我跟他商量之后,就决定把离散时间晶体作为他的研究题目。我们刚刚研究了用金刚石色心自旋来模拟多体物理中的Lipkin-Meshkov-Glick 模型,对它比较熟悉,就决定探讨一下基于Lipkin-Meshkov-Glick 模型的周期性驱动下的时间晶体是否存在。黄逸洲做了几个星期,就确认了LMG模型中,是存在周期驱动下的离散时间晶体的。可与此同时,预印本网站上也出现了一篇论文,研究的就是LMG模型中的离散时间晶体。基本上把我们想要做的都做完了。于是这个题目只能存在黄逸洲的毕业论文里面,无法写论文发表了。

之后不久,我接收了西安交大本科生黄奕来做暑期科研。黄奕刚从美国加州大学伯克利分校访问了一个学期回来,在凝聚态物理方面做过一些科研训练。看到时间晶体这么火,我建议他也做做。这一次不能再跟风了,我们得回到原始定义的论文,弄清楚争议与难点所在再说。黄奕花了一个多月,阅读了相关文献,搞清楚了经典时间晶体量子时间晶体的核心思想。要在基态附近实现时间晶体,就要构造一个系统,哈密顿量具有奇异性。最终他确认,在具有离散能级的有限尺寸量子系统中,寻找量子时间晶体是最可行的途径。可这方面的模型已经有了,那就是我们的基于离子阱的量子时空晶体方案。

当初因为我们的论文被批评得太厉害,才没有继续做下去。这次如果继续照着这个思路做,会不会又被人批?我们又回到了原点。还好,经历了五年的磨练,我更加自信,经验也更多了。既然不得不照着这条路走,那么就得尝试点新东西。我们的量子时空晶体模型,是基于真实的离子阱系统的,其角动量由于环形势阱尺度很小,所以就变得离散了。这一次,我们为什么不直接在离散的自旋模型中做呢?用角动量 S_z 对应于离子的角动量, S_x (S_y) 对应于离子的角度坐标,代到量子时间晶体论文中的哈密顿量,然后化简之后,神奇的事情发生了,我们得到的哈密顿量,从形式上就等价于LMG模型。这暗示说,LMG模型的量子基态,考虑到自发对称性破缺后,很可能会出现时间晶体。

我和黄奕都很激动,他赶紧去阅读相关的文献,对有限系统的LMG模型基态行为进行分析。幸好,我们的上一个工作在这上面已经打好了基础。他只需要在此基础上进一步做下去就行。虽然课题的出发点是想重续前缘,补上在时间晶体研究上的缺憾。可走到后来,却发现它实际上促使我们去研究大量但有限个自旋的LMG模型基态附近自发运动的动力学,是我前一个研究工作的延续。科研的乐趣就在这里,始终会有意想不到的东西等着你。

很快黄奕就解析地证明了,LMG模型处于铁磁相区域内,在量子基态附近一旦局域化,是有振动的。这是一个纯粹的量子效应,频率与自旋数N成反比,这个机制与量子时空晶体自发转动的机制是类似的。不仅如此,我们查到以往人们估算过这个局域化之后的状态与真正基态之间的能量差,发现它以N指数的倒数来逼近于零。或者说这个态的寿命随着N增加,以指数增加。正好李统藏教授来清华开会访问,我们找他讨论后,确认这个想法很靠谱。我们决定马上开始合作写论文。但是好像还差一点东西,那就是还没有数值解的侧面验证。

好不容易把代码写好,代入了几个例子,发现自旋数为100,1000时都与理论很符合,于是放心写文章。后来有次我们讨论时,突然想试试看旋转频率与自旋数的依赖关系是否完全符合理论,却发现振动的波形很奇怪:有的时候是标准的正玄曲线,有的时候却又是杂乱无章的振动。做了傅里叶分析后发现,其中至少有两个频率。于是我们又回过头去检查解析的推导。经过一段时间的努力,我们完善了解析分析,证明了这个系统的基态振动具有两个特征频率。其中一部分由于系统能级的离散性,另外一部分来自自旋算符之间的对易关系不为零。这种由于自旋对易关系不为零而导致的自发振动,以前的量子时间晶体理论中没有发现过。

既然这个模型有效的基态天然存在两种频率的振动,如果两个频率之比是无理数,那不就形成了时间上的准晶体吗!我们研究离子阱量子时空晶体时曾经预言过这个现象的存在。最近,有人在开放的非线性系统中,也讨论了时间准晶体的存在可能性。但是在多体自旋相互作用的LMG模型的基态附近,天然出现时间准晶体,实在出人意料。

黄奕用更精确的解析解与数值解比较后,发现二者几乎完全重合的,这表明了我们的理论确实靠谱。不过,这个模型是无法做到热力学极限的。因为当自旋无穷多时,内部的能级就趋近于连续,量子效应导致的基态附近的自旋震荡频率就趋近于零了。实际上,当自旋有几百个时,系统的对称性就很容易被微小的扰动破缺掉了,其大小跟自旋数目 N^2 成反比。自旋波函数局域化之后的状态能量比基态也只高大概 1/N^2 。所以当N很大时,这个状态会长时间保持(正比于 N^3 ),非常稳定。此时,与热力学极限下的多体自旋模型的自发对称性破缺机制就很类似了。在写论文的时候,犹豫再三,我们还是不敢把时间晶体这个关键词放到论文的标题上。做不到热力学极限,称它为时间晶体,很难得到同行的认可。但我们心里清楚,论文研究的就是量子时间晶体现象,我们发现基态附近的时间准晶体有望存在。

时间晶体


经典时间晶体模型

时间晶体这个概念提出时,就分成了两种,一个叫量子时间晶体,一个被称为经典时间晶体。对量子时间晶体的争议与讨论很多,但是对经典时间晶体,人们的关注度似乎不大。为什么呢?

我们知道,通常经典的封闭物理系统,其基态是看不到任何运动的。从经典的哈密顿量力学,可以很容易的证明这一点。比如说,一个系统的坐标为 \phi ,其机械速度为 \dot{\phi}=\partial H/\partial p ,这里H是哈密顿量,p是广义动量。如果系统哈密顿量是p的连续可导函数,那么当H取最小值基态时,系统的机械速度必然就是零。

那么,基态具有非零的机械速度的经典时间晶体又是如果构造出来的呢?我们必须从数学上设计出一个对动量不连续的哈密顿量。在经典理论力学中,拉氏量比哈密顿量更基本。于是可以从数学上写出一个连续的拉氏量,但是从拉氏量转换到哈密顿量时,会出现不连续。比如说,Wilczek论文中所构造的那个模型,其哈密顿量就是一个不连续的多值分段函数。特别是系统的基态处是不连续的奇异点,因此具有非零的机械动量。

这种数学上有奇异点的模型,在实际中很难找到,只能算是一个玩具模型。为了寻找经典时间晶体,也许要求助于广义相对论。在极端的相对论情况下,系统拉氏量转换为哈密顿量可能会出现奇异性,从而出现时间晶体效应。但那时候,时空一体,不可区分,是空间晶体还是时间晶体,似乎都差不多。

总之,时间晶体的经典模型,数学上没有问题,但是物理实现上存在很大的困难。

量子时间晶体模型

前面提到了,从经典力学出发,我们必须构造一个具有奇异性的多值哈密顿,才能在经典的力学系统中看到时间晶体现象。但我们知道,从经典力学过渡到量子力学,一个很大的区别就在于,量子力学中,考虑一个有限系统,能级是分立的,系统中所能取到的动量也可能是离散的。经典力学中的公式 \dot{\phi}= \partial H/\partial p 无法适用了。因为此时哈密顿相对动量p就不再是一个连续函数。因此,系统即使处于量子基态,其机械动量的平均值也可能不是零。

一个典型的例子,就是带有非零非半整数磁通的纳米尺度的环形电路,即使是基态,也会有非零的电流。但是,只有非零的动量,也不能算是时间晶体,还必须有时间上周期性的振动。所以,必须让系统出现波函数的局域化。对于环形电路来说,就得考虑电子之间有相互作用,出现孤立子。这也是Wilczek的原始物理想法。但是很可惜,由于孤立子是很容易形变和压缩的,因此其基态其实并不转动。Wilczek的想法并不成立。

我们想到的是,用带电的粒子,相互排斥,在环形势阱中形成Wigner晶体,然后再加上磁通,就有非零的动量。此时系统会同时在时间与空间上结晶。Wigner晶体不会形变,所以其基态是有非零角动量的。但是很快被人质疑,说这个系统是无法做到热力学极限的。确实,如果把环的尺度做到无穷大,那么系统的量子效应就消失了,自然不可能有自发的转动。

实际上,真实的物理系统,都是有限尺寸的,在有限尺寸系统中,如果考虑量子效应,应该可能看到量子时间晶体效应。随着系统尺度的增大,要看到时间晶体效应的条件将会越来越苛刻。但如果尺度太小,时间晶体态又太脆弱,不容易观测。对这个问题,人们还有争议。有限尺寸的系统基态附近能否定义量子时间晶体,并未达成一致。

离散时间晶体

2012年,Frank Wilczek提出时间晶体这个概念之后,引来来很多质疑与批评。首先就是有人发现,Wilczek有关量子时间晶体的模型是有问题的。紧接着,又有人指出,对非常广泛的一类物理系统的基态平衡态,时间晶体都是行不通的:[1306.6275] Impossibility of Spontaneously Rotating Time-Crystals: A No-Go Theorem[1410.2143] Absence of Quantum Time Crystals。我们所提出的量子时空晶体模型,也被人质疑了。

对时间晶体的争议虽然很大,但是其核心概念“时间平移对称性的自发破缺”确实很吸引人,能否找到一个物理系统演示出这个效应?为了避开前面的那些“行不通定律”,人们开始考虑非平衡态的动力学行为?2015年,Krzysztof Sacha 发现在周期性驱动的冷原子系统中,系统的响应周期可以是外加驱动的周期的两倍。他认为,这正好体现出了时间平移对称性的破缺。进一步的,2016年,人们提出了周期性驱动时间晶体,或者离散时间晶体的概念。

离散时间晶体是很奇怪的一个系统,对它进行周期性驱动,由于所谓多体局域化效应(Manybody localization),它不会热化,将会长期的处于一个非平衡态。此状态也是周期性的,但是其周期比驱动场的周期T要长,是nT,这里的n是大于1的整数。由于系统的时间平移不变性单位是nT,比驱动场的周期T要长,所以系统出现了时间平移不变性的破缺。做一个形象的类比,我们敲一个鼓N下,结果它只发出N/n次声音。由于离散时间晶体不要求系统处于量子基态附近,相对而言实验验证较为容易,因此很快就在离子阱系统金刚石色心系统中得到了验证。需要指出的是,离散时间晶体不会热化,所以也跟通常非线性导致的频率变化效应有区别。

离散时间晶体做出来后,给了人们很大的信心。一部分科学家在进一步探索不同的物理模型中,周期性驱动下能否出现离散时间晶体现象,甚至连时间准晶体都有人进行了探索(实际上在我们量子时间晶体论文中,已经预言了时间准晶体)。另外一部分人回到原始的定义,寻找量子基态附近的时间晶体。最近Wilczek教授就提出了一个新的理论模型,无需周期性驱动。这个想法能否走通,还有待人们进一步探索。

量子纠缠历史自发退化为经典历史


论文已经更新了:[1610.04296] Greenberger-Horne-Zeilinger test for multi-dimension and arbitrary time nodes entangled histories

去年10月我与董焌锴、陈一鸣、徐达等合作写完了任意个时间点的量子纠缠历史之后,投稿却被编辑以不符合期刊的范围为由直接拒稿。我们只能从新审视论文,期待能够找到新的亮点说服编辑。几经周折,我们决定,把这个工作更进一步,不仅研究量子比特,而且要推广到任意维度的物理系统的量子纠缠历史。之所以希望往更高维度上扩展,我们是希望能够看看量子与经典的边界,随着系统的维度如何变化。尤其是当系统的维度趋近于无穷大的时候,经典与量子是否如同直觉那样,无法区分了。直到最近,我们终于证明了,量子纠缠历史确实能够自发的退化为经典历史。

在进一步的工作中,我们不仅把纠缠历史的系统维度推广到无穷维,同时也证明了此时量子与经典的边界也是存在的。很有趣的是,如果我们固定时间点的数目m,把系统维度推广到无穷维,那么量子纠缠历史与经典的历史之间仍旧有很大的不同:经典与量子的边界为 -\cos(\pi/n)^n。这里的n是测量时用到的观测量数目,通常n等于时间点数目m加上1。我们学量子力学的时候,提到量子与经典的对应,时常举的一个例子是说,考虑一个大自旋,其内部自由度趋近于无穷的时候,系统就会趋近于经典系统。而对量子纠缠历史来说,仅仅把物理系统的内部自由度扩展到无穷大,不足以让系统退化为经典。只有当纠缠历史的时间点数目也趋近于无穷大的时候,量子与经典的边界才会趋近于-1。或者说,量子纠缠历史与经典的历史将会不可区分。也就是说,纠缠历史中时间点的选取趋近于连续化,且所研究的系统也是一个无穷自由度的系统时,量子纠缠历史将会与经典的历史无法区分,量子系统自发的退化为经典系统。很有趣的一点在于,我们这里并没有考虑任何退相干或者耗散,量子到经典的转变是自发的。

还未解决的问题是,如果系统的维度不是无穷大,而是有限维的,如何计算量子纠缠历史与经典历史的边界?从直觉上来说,此时对应的GHZ态泛函G应该比无穷维的公式大,比量子比特的公式小。但是具体的形式,我们没有找到,只能留待未来解决了。

超低阈值的声子激光


我们知道,自从有了激光,人类在精密测量空间与时间上面就步入了新的时代。激光在真空或者透明介质的精密测量中,有广泛的应用。而对不透明的固体系统,如果我们要对其内部结构进行无损的精密测量,使用超声波是一种很好的方式。所以,如果我们能够做出声子激光来,未来就有可能用于固体内部缺陷或者微结构的精密测量。

近些年来,随着光力学的发展,声子激光也在光力学实验平台上获得了展示。我们知道光力学研究的立足点一直都是精密测量,所以声学激光被看成是光力学系统的一个很有潜力的应用。之前的工作使用了两块芯片上的微盘腔,相互靠近后耦合起来,构建一个可调节的耦合光力学系统。但是此时系统的光学与力学特性收到加工工艺的限制,并未达到最优,所做出的声子激光需要比较高的泵浦光功率阈值。

最近,南京大学工学院的姜校顺副教授与肖敏教授领导的研究组在实验上实现了低阈值的声子激光,此系统同时具有很高的光学和力学品质因子。力学模式的频率为59.2 MHz,品质因子18000,泵浦光阈值为1.2微瓦。我作为理论合作者也参与了这个工作。这个工作发表后,被杂志选为封面论文,且被媒体报道

我与姜校顺教授认识很多年了,早在他刚刚开始搭建自己的实验室的时候,我们就商量着以后要做声子激光的实验。姜校顺是对自己要求非常高的研究者,经过这些年不断的优化实验系统,他的实验室已经能够做出综合品质世界一流的固态光学微腔。基于这个系统,最近几年他在微纳光子学上面完成了一系列一流的研究工作,其中包括两篇Nature子刊。正是在这一系列实验技术突破的基础上,他们才能完成这个漂亮的实验。

我相信,这个只是一系列研究工作的开始,未来基于此系统有望完成许多更有趣的研究。比如说,目前的声学激光都是用激光进行泵浦的,而未来我们希望能够设计并作出一个直接利用热能泵浦的声学激光,更进一步的提升此系统的实用性。这个系统也可以用来实现对力学振子的高效冷却,甚至用来实现“加热导致冷却”的新奇现象。

为什么绝热量子计算与D-Wave量子计算机吸引人


最近量子计算机引起了人们很大的关注,在发表在Science Bulletin上的评述论文中,我与魏朝辉博士对绝热量子计算和D-Wave计算机进行了简要的概述。

在研究量子计算的时候,经典计算的研究经验给人们带来很大的启发。比如可以参考经典计算机所用的电路和逻辑门,用量子电路模型来研究量子计算机,此时逻辑门被量子逻辑门所代替。经典计算包含很多等价的模型,比如图灵机与电路模型的计算能力就是等价的。在量子计算中,绝热量子计算就是与量子电路等价的模型。考虑一个物理系统,其哈密顿量是可以调控的。初始哈密顿量的基态是所有量子比特都为零的直积态。绝热地改变此哈密顿量,只要哈密顿量的基态与激发态之间具有有限的能隙,量子绝热定理就可以保证系统的末态也是最终哈密顿量的基态。通过调整最终的哈密顿量,可让最终基态输出量子计算的结果。

由于系统始终处于基态,只要保证环境温度所对应的能量小于绝热量子计算时最小的能隙,绝热量子计算就对控制误差及环境的热噪声都不敏感。正是利用了这一特性,D-Wave公司在2011年推出了第一台基于量子绝热量子计算的D-Wave One,这台计算机包含有128个相互耦合的超导量子比特,可以运行量子退火算法。利用量子隧穿效应,量子退火算法将比经典的模拟退火算法更加高效。但这台计算机没有包含量子纠错模块,且无法保证其计算时的能隙小于环境温度对应的能量,人们对其是否算是量子计算机产生了广泛的争议。

最近几年, D-Wave公司不断升级其计算机,使得量子比特的数目增加到2048个,谷歌公司等机构对D-Wave计算机进行了广泛的测试,发现对某些问题量子退火算法比模拟退火算法快一亿倍。越来越多的人倾向于相信D-Wave计算机是一台具有量子加速效应的专用量子计算机。最近人们把D-Wave计算机用到了更加实际的问题中,比如说北京出租车路径的优化问题,以及图像识别问题等,均取得不错的效果。我们认为,从长远来看,要进一步发展绝热量子计算机,必须把引入容错的技术,确保计算结果不受噪声的干扰。

从光力学到量子声学


光力学的实验研究大概是十年前兴起的。很快的,实验学家们就利用光把宏观力学振子冷却到了量子基态附近,并制备出了振子的非经典态。我进入这个领域是2008年。当我做完几个理论工作,开始与李统藏博士合作时,我们就意识到,光力学实验的进步,必将导致量子声学的兴起。我们知道,量子光学的发展,让我们对光的操控和探测能力达到了前所未有的地步,利用光作为探测器,也可以对时间、距离、频率等进行超高精度的检测。但是对于不透明的固态物质来说,光就很难发挥作用了。我们相信,对于固态物质内部的精密测量,随着量子声学技术的发展,也会有一个质的飞跃。

参照量子光学的发展,可以预计量子声学的兴起,有赖于如下几个核心的声学器件:高质量的单声子源,高效率和保真度(最好是非破坏性)的单声子探测器,声子与二能级系统的强耦合(声学的QED)等等。虽然我们认识到了这个方向极具潜力,但是当时却找不到合适的物理系统和办法来设计量子声学的核心器件。所以这个思路就一直在脑海中萦绕,却一直没有落地。

过去的几年,围绕着微纳米力学阵子系统,我们做了一系列的工作,研究了金刚石色心与力学振子之间通过磁场诱导出的强耦合,及其在宏观量子力学、量子信息等方面的应用。如果站在量子声学的角度看,这些研究某种程度上,算是声学的QED。只不过还没有达到声波这个层次。与此同时,也有人研究用声波作为量子数据总线来耦合不同的固态量子比特,比如说量子点,超导量子比特和金刚石色心等。与光波相比,声波的速度小五个量级,所以声波长也要小几个量级。对于GHZ频段的微波来说,其波长在厘米到米的量级,所以无法对微波波段的超导量子比特进行单独的操控。但如果换用声波来操控,其波长在微米量级,就可以实现单个比特的各自独立的操控。

通过这一系列的研究,我们进一步认识到,量子声学在量子信息处理中有广泛的应用潜力,值得花力气研究。而金刚石色心则是一个非常好的系统,它与声子的耦合,可以有多种办法进行调制。作为试水,与量子光学中的电磁诱导透明类似,我们在量子声学中做的第一个工作是,研究如何利用金刚石色心系综诱导出金刚石介质对声波的透明现象。利用此效应,我们可以方便的调控声音在金刚石中的传输速度。这个工作去年底才发表,很快就得到了国外同行的关注和引用

基于金刚石色心与金刚石的表面声波耦合,我们正在系统地分析如何实现一个高效率且非破坏性的声子探测器。这个声子探测器,有望实现对声子粒子数态的非破坏测量。我们还在研究如何用金刚石色心系综与表面声波模耦合的系统来诱导出较高的声学非线性,从而用来实现一个高品质的单声子源。这个非线性的声子系统,我们也可以用它来模拟多体强关联物理。这两个工作已经完成,正在撰写论文。我们希望通过这一系列的理论工作,让更多人对量子声学,特别是与量子信息处理有关系的量子声学产生兴趣,真正的推动量子声学实验、理论与应用的发展。