量子计算机到底长什么样？一同走进神奇的量子计算和量子模拟的世界——科学讲坛

2024年12月14日，墨子沙龙携手上海图书馆，在东馆推出了系列科普报告第三场——神奇的量子世界：量子计算与量子模拟。本次活动由中国科学技术大学汪野教授主持，同时邀请到了中国科学技术大学龚明教授、姚星灿教授和邓宇皓特任副研究员，一同为观众揭开了量子计算与量子模拟的神秘面纱。本文根据该直播内容整理而成。

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量子计算和量子模拟

汪野：首先要给大家介绍一下量子计算是什么。要了解量子计算是什么，我们首先得理解经典计算是什么。很多超级计算机的计算能力都非常强，而量子计算机拥有着远比他们强大的计算能力。这就是为什么现在量子计算和量子模拟，是全世界都在争相竞争的一个研究热点。大家已经听说了各种各样的量子计算机，也听说过他们的实验平台，比如祖冲之号、墨子号、九章和天元号，我们今天请到了做各种不同体系的老师们为我们介绍这些体系做量子计算的原理和科学道理。

龚明：我做的研究是超导量子计算，我面前的模型就是祖冲之号量子计算机的乐高模型。祖冲之号量子计算机最大的特征是使用了一个稀释制冷机作为主体，来提供极低温的环境，温度低达零下273.14摄氏度，也就是绝对零度上的0.01度。在这个温度下，我们的量子芯片才能够进入到量子化的状态。我们使用一些电子学的仪器仪表对量子计算机进行控制，稀释制冷部分主要是实现对量子计算机的低温控制。量子计算机的主体是类似于俄罗斯套娃的一个多层结构，中间是一个真空的部分，其中心安装了量子处理器的芯片，芯片部分非常小。外围的大规模设备都是为了最后对芯片上的量子比特进行操控而服务的。

姚星灿：我从事的方向是超冷原子量子模拟，我面前的模型就是今年发布的超冷原子量子模拟器——天元号核心部分的模型。这个像鸡蛋盒一样的模型就是我们利用激光干涉形成的、具有周期性结构的光晶格。光晶格可以用来模拟我们真实材料里的离子形成的晶格，而模型里的红色和蓝色的小球，就是超冷原子。超冷原子的温度比超导量子比特的温度还要低6个数量级，它只比绝对零度高10-9开尔文，是目前宇宙中最冷的物质。利用这些超冷原子可以去模拟真实材料中的电子的运动规律。比如通过实验的精确调控，让超冷原子也具有库仑排斥相互作用的能力。天元号能对我们真实的、比较复杂的量子材料展开量子模拟。

至于量子模拟和量子计算的区别，大家可以设想一下，我们都知道经典计算机可以去求解一些确定的科学或数学问题。在经典世界中，一种叫风洞的机器可以模拟飞机在天空飞行时感受到的空气动力学的过程。量子模拟器就类似于经典世界中的风洞，由于直接用计算机去求解一些材料的物理规律是非常困难的，所以我们索性就不去求解它，而是直接拿一个可精确操控的机器去模拟它，然后得到实验结果。这可能是量子模拟和量子计算的一个小小的区别吧。

汪野：我面前有一个旋转的马鞍形面模型，原型是1989年诺奖得主的发明，是关于如何去囚禁一个带电的粒子。只有把粒子囚禁住，才能去单独控制一个量子系统。囚禁带电粒子的原理是产生一个马鞍形的一个电场，让它旋转起来并加速，形成一个四周都能够兜住带电粒子的视场，就可以把它囚禁起来。利用这个技术，我们就拥有了操控单个原子的能力。可以把它们组合起来去做量子计算了。这就是离子阱量子计算的基本原理。

邓宇皓：今天我给大家介绍两个量子计算的物理体系的形貌和大概工作原理。首先讲一下光量子计算。九章光量子计算机是解决一个特定的问题，叫做光量子计算优越性。我们需要找到一个特殊的计算问题，在这个问题上，九章光量子计算机可以算得比目前最强大的超算还要快，这个问题我们称之为玻色采样。什么是玻色采样呢，比如高尔顿板模型里的小球掉下来之后会形成一个非常有规则的、类似于高斯分布的分布模式，在经典世界，这些小球走不同的路径，彼此间发生碰撞，最后形成这样一个概率分布。但是在量子世界，所有这些小球它都是一个一个的光量子，它就会有波粒二象性，还会发生量子纠缠，所以最终形成的概率分布是非常复杂的状态。这个状态我们可以用九章光量子计算机高速的进行采样，经典的超算就没有办法直接进行计算。

我的另一项研究是中性原子量子计算。如何把极小的原子先抓到再进行计算呢，这里就要用到光镊原子技术，光镊的意思就是拿激光聚焦成一个非常小的光束去抓住一个个原子。它本身挺复杂，我用两个砝码的振荡小实验来给大家演示一下它的基本原理。大砝码代表激光的光场，因为激光非常的强；小砝码代表原子，因为原子特别小。激光的光场本质上是一个电磁波的振荡，原子本质上也是一个电子绕着原子核进行一个高速的振荡。两个砝码构成了一个双摆振荡起来后，大家可以观察到，当激光的振动频率比原子的振动频率慢的时候，两个砝码会同一方向摆动，这时候原子就会跟着激光走，形成了一个激光抓原子的模式。

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量子科学家实验室日常

龚明：其实，在我们做学生的时候，大部分的时间都是在实验室里泡着。后来可能花更多的时间在写作上、制定项目上。在实验室里，最主要的时间是花在超导量子计算机上，第一个是对线路进行安装和测试。因为我们实验室的制冷机非常非常庞大，内部的线缆可能有几百路，总的数量可能有数千条，都需要逐一仔细调整检测。安装调试之后，大部分时间是进行量子处理器的设计和制备，以及最后的测试。通常情况下会有半年到一年的时间是需要在实验室里不断地进行量子处理器的测试。

简单来讲，因为我们制造的是人工的原子，所以每个原子会不一样。天然的原子具有全同性，每个原子都长得一模一样。但是超导是人工的原子，它在低温下每个的形状都会不一样，我们要很精确的去标定每一个原子的频率、寿命、以及它在什么样的状态下可以工作得更好。再往后呢，要调制量子线路，就是去进运行一些Python或者是MATLAB脚本，根据每个量子的特性进行一些量子门的标定，这基本上就是我们在实验室进行实验的流程。

其实现阶段，特别是在超导量子计算领域，很多任务是已经跟工程有非常大的耦合。因为现在的科学更多是需要借助一个非常庞大，非常先进的设备。大部分情况下工业厂商是不愿意去制造这种设备的，我们需要自己去做设备开发，从每一个零件的设计开始，到量子处理器的调试，到软件怎么编写等。每一项单独看，都是一个非常工程化的任务，我们最终要把这些工程化的碎片拼成一个非常大的科学装置，然后去研究科学问题。

姚星灿：我们通常会把时间分成两个部分，一个部分占2/3，我们叫做benchwork，就是我们在实验平台上对各种各样的激光，射频微波场、电流磁场等进行一些精密的调控和调试。另外1/3的时间我们就会回到计算机前，通过我们的程序来控制我们实验室上千种的设备、元器件，把它们协同起来，实现原子的冷却操纵，囚禁与探测的一个全过程。

我们还是以天元号为例，理论家预言，在这样的一些鸡蛋槽里面扔进去若干个原子，当这些原子的温度足够低的时候，它们就会形成非常规律的红蓝的交错排列，这就是反铁磁相，或者叫做反铁磁态。

但是这个状态由于实现条件苛刻，事实上在量子模拟体系里面是从来没有实现过的。第一要求每个槽均匀，对于原子来说要一模一样的，只有这一条件被满足之后，才能够展示出这些原子的全同性质。第二是温度要非常低，低到原子在不同格点之间跳来跳去的过程被抑制。我们做实验的时候非常困难，事实上，我们可能前前后后花了快10年的时间，直到去年我们才真正的达成均匀性和低温两个条件。第一次达成了这两个条件的时候，我们感觉到非常幸福，原子完全的按照理论所预言的交错排列这么排布起来了，我们真正的可以看到量子的效应。

邓宇皓：我来补充剩下的其他睡觉的时间，我们的科研是怎么进行的。即使我们科学家人去睡觉了，我们的实验也是没有停的。对我来说一般是有这样两种模式，一种模式是会让计算机去做数据处理，数据处理的量一般是非常大的。比如说我在做九章的时候，每次睡觉前都会和我们团队大概讨论一下，今天晚上我们要做什么样的数据处理，这些数据处理一般都要跑一整晚甚至好多天。所以我们人可以去睡觉，但是我们需要安排好机器在这段时间做什么事情。现在我在做中性原子量子计算，我们的计算机可以来直接操控实验系统，所以晚上的时候我们会用计算机去获得数据，所以总的来说，我们去睡觉的时候还是蛮心安理得的，因为你知道你的计算机仍然在帮你推进实验，然后明天一早起来就能看到很多有意思的结果。

另外我想讲一下，我们脑子里主要在思考一些什么问题。我觉得对于很多科研工作者，尤其是当你更有经验之后，脑子里的问题可能是：我研究的问题到底是不是重要的问题，我要做的这种技术手段是不是有一些无可替代的优势。我觉得是最大的考验是怎么样挑对正确的课题，也是最应该去思考的问题，这些思考更多的贯穿了我白天的时间。

汪野：我自己的经验就是，我们95%的时间都在拧螺丝，或者说测仪器设备、摆镜子，然后是做实验的时间。因为量子系统它很脆弱，所以我们对于噪声控制是要求非常极限的，我们其实无时无刻都在跟各种各样的技术和噪声去搏斗，我们在不停的推进相关仪器的极限，操控量子系统的极限，为了能够精确的控制每一个量子的单个的体系，再把它组装起来做一个量子计算。我们思考的时候很多都是在思考大问题，量子的问题，但我们真正在实验室里，大家天天干的就是拧螺丝、测电子、写代码。那当然我们是做这些工作都是为了朝着我们远大的量子计算或者量子模拟的目标在前进。这可能是我们真正的一个工作的状态。

本文转载自《墨子沙龙》微信公众号

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