宇宙中最冷的实验,量子计算机的扩展也许指日可待

本文作者Chris Lee系荷兰方堤斯应用科学大学教师。

另外,冷原子实验还可以用来提高原子钟的精度。目前,我们对时间的定义是由铯原子所释放的光子频率决定的,如何确定这个频率就决定了时间的精确度。科学家们会让铯原子通过微波腔(微波腔可以发出特定频率的电磁波,并且研究人员可以调节电磁波的频率),当微波腔发出的频率和铯原子的光子频率相同时,就会产生共振,科学家们就可以确定铯原子的光子频率。然而,铯原子在常温下的平均速度约几百米每秒,通过微波腔的时间非常短,极大地限制了确定频率的稳定度。而太空中的冷原子运动速度被极大地降低了,通过微波腔的时间长了,精度自然也就提高了。原子钟的精度原先误差为1秒/300万年,冷原子钟的精度可以提高到1秒/3亿年,提高了2个数量级。

翻译:李芜

不过宇宙中有这样一个地方,它的温度比液氮还要冷得多,只比绝对零度(理论预言的物质能够达到的温度极低限)高十亿分之一度,这个地方就是位于国际空间站的冷原子实验室。顾名思义,冷原子实验室就是制造“超冷”原子云的地方。

据我所知,在量子行走中对问题进行编码,难度不小。必须设定好各个微波脉冲、分别对应不同行走线路,才能造出计算机。再以光纤为例。在光学量子行走中,如果光子同时进入左右两条线路,那么左边那条线路就会受制于右边那条线路的长度和耦合度。但是,在玻色凝聚中,不同线路之间相距无几,根本不能使微波脉冲对准具体任何一条。换句话说,微波源将不可避免地修改整个玻色凝聚的内部状态。

实际上,利用这两种技术,地球上的实验室也可以产生超冷原子。但是在地面上,重力会作用于冷却的原子云,使它们迅速下落,原子云马上又热起来了。在这期间,科学家们能够观察玻色-爱因斯坦凝聚态原子云的时间只有几分之一秒。虽然磁场可以用来“捕获”原子云并使其保持静止,但是这样就观测不到凝聚态原子的自然运动行为了。因此,科学家们想在太空中生产冷原子,因为在太空的微重力下,冷原子云漂浮的时间要长得多,科学家们可以对凝聚态原子的行为有更深入的了解。

话说回来,现在毕竟有了好的开端。玻色凝聚态下的量子行走,有利于将量子门和绝热计算的优势结合起来。其一,玻色凝聚是在真空洁净环境下,靠的是中性原子,有可能形成高度可靠、长期存在的量子位。在这个意义上,玻色凝聚更像是离子阱量子计算机。其二,它既有望解决更复杂的难题,又不必专门处理大量的量子位,倒更像是绝热量子计算的方法,发展前景可期。

不过,一个能够送到太空中的冷原子实验室并不容易制作。通常,地球上的冷原子设备非常庞大,能占据一整间实验室,同时一些开关都暴露在外面,以便科学家们随时调整设备。首先,送往太空的最冷实验室体积要小;其次,科学家们只能在地球对它进行远程操作。实际上,科学家和工程师们在2012年就开始制作这个太空冷原子实验室了,但直到2018年,它才成功地被送到太空中。

像光一样流动的物质

接下来,我们分别了解一下这两种技术。

原标题:做到了这一步,量子计算机的扩展也许指日可待

任何一个物理现象的背后都有着深远的现实意义,关键在于我们能否及时发现并应用。太空冷原子实验以及玻色-爱因斯坦凝聚态的研究必定会对物理学产生深远的影响,促进科学技术的进步。

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微观世界的粒子具有波粒二象性,也就是说,微观粒子不仅可以用粒子的术语来描述,还可以用波的术语来描述。以原子为例,原子既可以看成一个粒子,也可以看成是一个波。粒子运动的特性可以用动量(粒子质量和速度的乘积)来描述,粒子波动的特性可以用波长来描述,而动量和波长呈反比,即粒子的运动速度越慢,波长越长。同时,物质的温度来自于本身的热运动,如果粒子运动速度降低,温度自然就变低了。

只不过,这样的计算机还没造出来。科学家虽已证明了对单个玻色凝聚实现量子行走的可能,但还没有证明他们能够在量子行走中对某个问题进行编码。

不过,科学家们为什么要在太空中造出比绝对零度高出几十亿分之一度、甚至几百亿分之一度的原子云呢?这还要从最有名的物理学家爱因斯坦说起。

而量子行走跟量子门、绝热计算都不一样。对于量子行走来说,问题转化为一系列的线路。一个量子态将同时出现在所有可能的线路中,但各条线路会相互干涉,而包含了答案的那条线路出现量子态的概率更高,其他线路的概率则较低。换而言之,先放进一个微观物体——比方说一个光子,然后测量光子出现的位置,就能找到答案。

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此时的思路是这样的:制造一套相互关联的线路,将有待解决的问题编入其中。如果说一个光子是一个量子位,那么光纤就是实现上述方案的材料。先使光纤相互耦合,确保量子位沿多条线路游走并自我干涉。耦合的强度决定了每一根光纤中光子的“数量”,而光纤的长度决定了干涉的性质是有益还是有害。

生产冷原子的“小盒子”

在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质扮演的角色可以互换。所谓玻色凝聚,指处在同一量子态的冷原子的集合。简而言之,该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。这时候如果用脉冲光对其加以轰击,这颗“粒子”将以一定频率震颤,导致漂移。至于漂移的方向,取决于玻色凝聚的内部状态。

通常,在我们的概念中,组成物质的粒子都是一个个单独的个体,它们都做着各自的不规则热运动,运动的大小和方向各不相同,这些粒子都处于不同的状态,也就是说,各个粒子是可以区分的。

光可以实现量子行走,但需要配备一台新式计算机来算出每一步。不过,在玻色-爱因斯坦凝聚态下,光和物质的关系都反过来了。研究人员就是通过这个原理实现了玻色凝聚态下的量子行走。

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绝热量子计算则不涉及严谨运算,而是将问题转化为实现某一能量景观的最低能耗,打个比方,解决方案就在丘壑地区的深谷之中。思路是这样的:先从一片平滑的碗状地带入手,逐渐制造出“山陵”,直至量子位落入最深的“谷底”,计算结束。读出量子位的值,问题就解决了。

1925年,爱因斯坦单独发表了一篇名为《理想气体的量子统计》的论文。在这篇论文中,爱因斯坦首次预言了玻色-爱因斯坦凝聚态,这是一种原子在极低温度下所达到的物质状态,在固态、液态、气态和等离子态之后,它被称为物质的第五种状态。为什么叫玻色-爱因斯坦凝聚态呢?这里有一个小故事。

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型,类似波的特点清晰可见。

最冷条件下的新状态

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