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会编辫子的量子计算

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会编辫子的量子计算

雪花又一年 2018-05-16 14:12:35 浏览87 评论0

摘要: 之前,小编为大家介绍了中国科大潘建伟团队在量子计算方面的进展,科学家用各种不同的体系实现了量子计算的演示,有的用光子,有的用超导体系。 而今天,小编要为大家介绍一种更神秘的用来做量子计算机的物态,它在自然界中的行踪虚虚实实琢磨不定,行为也跟一般的粒子非常不一样,它的性格比较任性,我们就叫它“任意子”吧。

之前,小编为大家介绍了中国科大潘建伟团队在量子计算方面的进展,科学家用各种不同的体系实现了量子计算的演示,有的用光子,有的用超导体系。

而今天,小编要为大家介绍一种更神秘的用来做量子计算机的物态,它在自然界中的行踪虚虚实实琢磨不定,行为也跟一般的粒子非常不一样,它的性格比较任性,我们就叫它“任意子”吧。

会编辫子的量子计算

科学家掐指一算——二向箔里应有任意子

在微观粒子的分类中,我们说光子是玻色子,电子是费米子,它们的区别在哪里呢?

我们想象一下,让两个全同粒子交换一下位置,这可以通过令其中一个绕着另一个沿顺时针(或者逆时针)转半个圈圈来实现,两个粒子的波函数会产生变化——和原波函数相差一个相位因子。如果相位等于0或者2π的整数倍,就是玻色子;如果是π的奇数倍,就是费米子。

会编辫子的量子计算

►交换两个微观粒子会产生一个整体相位因子Φ

但是科学家发现,在二维情况,由于一些拓扑学上的原因,这个相位可能取0到π之间的任意数值(甚至可能是一个矩阵),既然这种粒子这么任性,干脆叫它“任意子”好了。

虽然数学上有合理性,但是任意子究竟存不存在,这是个问题。好在,后来人们在一些低温、强场的二维体系(比如分数量子霍尔态)里观察到了任意子的迹象——系统从基态(真空态)跃迁到低激发态的过程,可以看做是准粒子产生的过程,而这种准粒子的统计行为,符合任意子的性质。

实验还发现,这种元激发产生的任意子有一个特性,它带有分数电荷。这个分数是多少,直接跟材料的拓扑性质有关。所以人们一直希望能直接观察到这个拓扑元激发和分数电荷的情况,这样,对任意子的了解才会更直接。

任意子还可以做量子计算!

虽然实验上,对任意子的了解还不十分清楚,但是,科学家还是敏锐地发现,任意子系统是实现量子计算的好材料。为什么这么说呢?

现在,请你跟着小编一起回忆一下,经典计算机的原理怎样的。

首先,我们用高、低电平代表0和1,再用逻辑电路按照一定程序对比特位进行逻辑操作,最后输出结果,这样就实现计算。

那么,对于量子计算机我们可以类似地理解这个过程。只不过,经典比特变成了量子比特,它可以处在0和1的叠加态上。然后我们对量子比特进行一个量子的操作,最后对末态进行测量,得到结果。

在物理体系的选择上,科学家们做了很多种不同的尝试。比如,电子的自旋、光子的偏振、约瑟夫森结的二能级系统,都可以表示为两个态的叠加,从而作为量子比特。但是,它们都有一个比较大的问题,就是很难在计算过程中一直保持相干性。而没有了相干性,量子计算就没有了优势。

在克服这个问题的道路上,有一种方法自成一派,就是拓扑量子计算。

小编在朋友中强行科普“拓扑量子计算”的时候,所有人的表情似乎都在说:字都认识,连在一起不知道啥意思。好吧,小编就分开说说这几个字。

何为“拓扑量子计算”

我们先来认识一下什么叫拓扑。

拓扑你可以理解为某些性质的不变性。比如说,最直观的就是几何上的不变性——一个甜甜圈和一个咖啡杯,虽然长得很不一样,但是从拓扑学的角度上,两者完全一样,都是有一个洞,所以咖啡杯可以通过连续形变,变成甜甜圈的模样。除了几何上的理解以外呢,物理上有些系统也有类似的规律——不论你怎么操作它,或者系统中的个体怎么变化,有一些性质是整体上不变的,我们就叫它拓扑系统。

会编辫子的量子计算

那么什么叫量子计算呢?我们前面说过,我们需要编码一个逻辑量子比特,这个量子比特跟经典比特最大的不同是,要可以实现0和1两种状态的叠加;然后,还需要对量子比特进行幺正变换,也就是操作或者说计算;最后,对于结果要可以测量,也就是读出。

当科学家把量子计算和拓扑放在一起,他们是想干嘛呢?他们是希望,利用系统某些不变性,实现最强大的容错功能,我们不再需要小心翼翼得保护每一个脆弱的自旋,整个体系自己就牢牢守住某种性质不变,只要外界干扰不特别厉害,系统都不会被扰动。

一句话,科学家想要构建一种特殊的状态,这种状态受拓扑保护,不那么容易受到周围噪声的干扰,可以很好的保持相干性。

这种天然就具有抗扰动能力的量子计算,无疑对科学家有着特别的吸引力,借助神奇的任意子,科学家就有可能将其变为现实。

任意子是一种准粒子,按照拓扑荷的不同,可以分为几种类型。任意子未被激发出来的状态叫做基态,由于基态可以是简并[1]的,这两个简并的态通过叠加,就可以编码一个量子比特;接下来,通过某些手段激发出任意子,利用任意子系统总拓扑荷不变的性质,拖拽任意子进行交换,也就是形成编织,然后让系统回到基态空间,这也就对基态执行了幺正变换;最后,对终态进行测量,提取计算结果。

对这个准粒子系统来说,基态和激发态之间必须要有一个不小的能隙,这样一来,只要外界扰动不太大,都不会导致系统跃迁到激发态,从而避免引进错误。

会编辫子的量子计算

►任意子的编织

科学家让准粒子由虚变成实

你读到这里,是不是感觉“听上去很美”?是的没错,任意子到底只是一种准粒子,在大多数人看来,它只是理论体系上的一种描述手段,并不像电子、光子那样天然就存在于我们身边。人们至今还没有在天然的物质体系中找到过任意子。

那么,我们人为地构造一个任意子系统,可行吗?

2003年,Kitaev提出拓扑量子计算,在他的理论方案里,他设计了一种人造自旋网格模型,由自旋为1/2的粒子构成网格,这些粒子之间存在特殊的相互作用,形成一个拓扑系统,这个体系的元激发就对应任意子,基态和激发态之间存在能隙,可以对局域的扰动免疫。

可是,并不是我们随便找几个自旋1/2的粒子排成网格就行的。因为,我们不但需要这几个粒子之间存在相互作用,还得保证这些相互作用是Kitaev模型里描述的那些。实验科学家尝试过一些方法,但是都没有满足Kitaev模型拓扑物态需要的相互作用。

在Kitaev模型里,需要粒子之间的相互作用为四体相互作用,可是难就难在,通常情况下,四体相互作用是一个四阶小量,跟两体相互作用比起来,像一个小矮人,直接看到太难了。怎么办呢?只能把两体相互作用这个大个子给赶走,不让它出现在这里,这样,就只剩下清清楚楚的四体相互作用了。

最近,针对这个难题,中科大的潘建伟研究团队给我们带来了好消息。该团队的科学家们,搭建了新的调控平台,他们构造了人工的量子晶体,用来完美地囚禁和操控超冷原子。原子被放置在二维的光晶格中,光晶格的极化势经过特殊设计,形成了有效磁场梯度,抑制了晶格中存在的两体相互作用这个巨人,这时,小矮人——四体相互作用成为了这个系统最主要的相互作用,就像Kitaev模型里要求的那样。最终,科学家成功操控光晶格中约800个超冷原子,同时产生了约200组四原子自旋纠缠态。

会编辫子的量子计算

►光晶格中的原子自旋纠缠

那么,在这样的相互作用下,晶格中超冷原子会有怎样的动力学行为呢?在高分辨的原位光吸收成像技术的帮助下,科学家首次观测到了四体环交换相互作用,并且与理论预言中任意子激发的能隙符合得很好,这明确无误地展示了四体相互作用占主导的情形。

另外,既然任意子是由这个四原子体系激发出来的,科学家们将四个原子化身为提木偶的线,通过微波反转原子自旋的方法,实现了任意子之间的编织交换过程,实验结果也明明白白的显示出,任意子交换一次,会产生1/2 π的拓扑相位,自此,Kitaev模型第一次从理论走变成了现实。

当然,这个小小的四原子晶格只是任意子激发的基本单元,在验证了这个基本单元的可行性之后,科学家会想办法将这些小单元连接成一个更大的系统。但无论如何,这个由四个超冷原子组成的小单元的实现,都是拓扑量子计算重要的一步,拓扑相进行量子计算和量子模拟终于再也不是纸上谈兵,科学家有信心沿着这个方向走得更远,直到它们的最终实现。


原文发布时间为:2018-01-06
本文作者:中科院之声
本文来源:今日头条,如需转载请联系原作者。

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