2024年12月14日，墨子沙龍攜手上海圖書館，在東館推出了系列科普報告第三場——神奇的量子世界：量子計算與量子模擬。本次活動由中國科學技術大學汪野教授主持，同時邀請到了中國科學技術大學龔明教授、姚星燦教授和鄧宇皓特任副研究員，一同為觀眾揭開了量子計算與量子模擬的神秘面紗。本文根據該直播內容整理而成。

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量子計算和量子模擬

汪野：首先要給大家介紹一下量子計算是什么。要了解量子計算是什么，我們首先得理解經典計算是什么。很多超級計算機的計算能力都非常強，而量子計算機擁有著遠比他們強大的計算能力。這就是為什么現在量子計算和量子模擬，是全世界都在爭相競爭的一個研究熱點。大家已經聽說了各種各樣的量子計算機，也聽說過他們的實驗平臺，比如祖沖之號、墨子號、九章和天元號，我們今天請到了做各種不同體系的老師們為我們介紹這些體系做量子計算的原理和科學道理。

龔明：我做的研究是超導量子計算，我面前的模型就是祖沖之號量子計算機的樂高模型。祖沖之號量子計算機最大的特征是使用了一個稀釋制冷機作為主體，來提供極低溫的環境，溫度低達零下273.14攝氏度，也就是絕對零度上的0.01度。在這個溫度下，我們的量子芯片才能夠進入到量子化的狀態。我們使用一些電子學的儀器儀表對量子計算機進行控制，稀釋制冷部分主要是實現對量子計算機的低溫控制。量子計算機的主體是類似于俄羅斯套娃的一個多層結構，中間是一個真空的部分，其中心安裝了量子處理器的芯片，芯片部分非常小。外圍的大規模設備都是為了最后對芯片上的量子比特進行操控而服務的。

姚星燦：我從事的方向是超冷原子量子模擬，我面前的模型就是今年發布的超冷原子量子模擬器——天元號核心部分的模型。這個像雞蛋盒一樣的模型就是我們利用激光干涉形成的、具有周期性結構的光晶格。光晶格可以用來模擬我們真實材料里的離子形成的晶格，而模型里的紅色和藍色的小球，就是超冷原子。超冷原子的溫度比超導量子比特的溫度還要低6個數量級，它只比絕對零度高10-9開爾文，是目前宇宙中最冷的物質。利用這些超冷原子可以去模擬真實材料中的電子的運動規律。比如通過實驗的精確調控，讓超冷原子也具有庫侖排斥相互作用的能力。天元號能對我們真實的、比較復雜的量子材料展開量子模擬。

至于量子模擬和量子計算的區別，大家可以設想一下，我們都知道經典計算機可以去求解一些確定的科學或數學問題。在經典世界中，一種叫風洞的機器可以模擬飛機在天空飛行時感受到的空氣動力學的過程。量子模擬器就類似于經典世界中的風洞，由于直接用計算機去求解一些材料的物理規律是非常困難的，所以我們索性就不去求解它，而是直接拿一個可精確操控的機器去模擬它，然后得到實驗結果。這可能是量子模擬和量子計算的一個小小的區別吧。

汪野：我面前有一個旋轉的馬鞍形面模型，原型是1989年諾獎得主的發明，是關于如何去囚禁一個帶電的粒子。只有把粒子囚禁住，才能去單獨控制一個量子系統。囚禁帶電粒子的原理是產生一個馬鞍形的一個電場，讓它旋轉起來并加速，形成一個四周都能夠兜住帶電粒子的視場，就可以把它囚禁起來。利用這個技術，我們就擁有了操控單個原子的能力?？梢园阉鼈兘M合起來去做量子計算了。這就是離子阱量子計算的基本原理。

鄧宇皓：今天我給大家介紹兩個量子計算的物理體系的形貌和大概工作原理。首先講一下光量子計算。九章光量子計算機是解決一個特定的問題，叫做光量子計算優越性。我們需要找到一個特殊的計算問題，在這個問題上，九章光量子計算機可以算得比目前最強大的超算還要快，這個問題我們稱之為玻色采樣。什么是玻色采樣呢，比如高爾頓板模型里的小球掉下來之后會形成一個非常有規則的、類似于高斯分布的分布模式，在經典世界，這些小球走不同的路徑，彼此間發生碰撞，最后形成這樣一個概率分布。但是在量子世界，所有這些小球它都是一個一個的光量子，它就會有波粒二象性，還會發生量子糾纏，所以最終形成的概率分布是非常復雜的狀態。這個狀態我們可以用九章光量子計算機高速的進行采樣，經典的超算就沒有辦法直接進行計算。

我的另一項研究是中性原子量子計算。如何把極小的原子先抓到再進行計算呢，這里就要用到光鑷原子技術，光鑷的意思就是拿激光聚焦成一個非常小的光束去抓住一個個原子。它本身挺復雜，我用兩個砝碼的振蕩小實驗來給大家演示一下它的基本原理。大砝碼代表激光的光場，因為激光非常的強；小砝碼代表原子，因為原子特別小。激光的光場本質上是一個電磁波的振蕩，原子本質上也是一個電子繞著原子核進行一個高速的振蕩。兩個砝碼構成了一個雙擺振蕩起來后，大家可以觀察到，當激光的振動頻率比原子的振動頻率慢的時候，兩個砝碼會同一方向擺動，這時候原子就會跟著激光走，形成了一個激光抓原子的模式。

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量子科學家實驗室日常

龔明：其實，在我們做學生的時候，大部分的時間都是在實驗室里泡著。后來可能花更多的時間在寫作上、制定項目上。在實驗室里，最主要的時間是花在超導量子計算機上，第一個是對線路進行安裝和測試。因為我們實驗室的制冷機非常非常龐大，內部的線纜可能有幾百路，總的數量可能有數千條，都需要逐一仔細調整檢測。安裝調試之后，大部分時間是進行量子處理器的設計和制備，以及最后的測試。通常情況下會有半年到一年的時間是需要在實驗室里不斷地進行量子處理器的測試。

簡單來講，因為我們制造的是人工的原子，所以每個原子會不一樣。天然的原子具有全同性，每個原子都長得一模一樣。但是超導是人工的原子，它在低溫下每個的形狀都會不一樣，我們要很精確的去標定每一個原子的頻率、壽命、以及它在什么樣的狀態下可以工作得更好。再往后呢，要調制量子線路，就是去進運行一些Python或者是MATLAB腳本，根據每個量子的特性進行一些量子門的標定，這基本上就是我們在實驗室進行實驗的流程。

其實現階段，特別是在超導量子計算領域，很多任務是已經跟工程有非常大的耦合。因為現在的科學更多是需要借助一個非常龐大，非常先進的設備。大部分情況下工業廠商是不愿意去制造這種設備的，我們需要自己去做設備開發，從每一個零件的設計開始，到量子處理器的調試，到軟件怎么編寫等。每一項單獨看，都是一個非常工程化的任務，我們最終要把這些工程化的碎片拼成一個非常大的科學裝置，然后去研究科學問題。

姚星燦：我們通常會把時間分成兩個部分，一個部分占2/3，我們叫做benchwork，就是我們在實驗平臺上對各種各樣的激光，射頻微波場、電流磁場等進行一些精密的調控和調試。另外1/3的時間我們就會回到計算機前，通過我們的程序來控制我們實驗室上千種的設備、元器件，把它們協同起來，實現原子的冷卻操縱，囚禁與探測的一個全過程。

我們還是以天元號為例，理論家預言，在這樣的一些雞蛋槽里面扔進去若干個原子，當這些原子的溫度足夠低的時候，它們就會形成非常規律的紅藍的交錯排列，這就是反鐵磁相，或者叫做反鐵磁態。

但是這個狀態由于實現條件苛刻，事實上在量子模擬體系里面是從來沒有實現過的。第一要求每個槽均勻，對于原子來說要一模一樣的，只有這一條件被滿足之后，才能夠展示出這些原子的全同性質。第二是溫度要非常低，低到原子在不同格點之間跳來跳去的過程被抑制。我們做實驗的時候非常困難，事實上，我們可能前前后后花了快10年的時間，直到去年我們才真正的達成均勻性和低溫兩個條件。第一次達成了這兩個條件的時候，我們感覺到非常幸福，原子完全的按照理論所預言的交錯排列這么排布起來了，我們真正的可以看到量子的效應。

鄧宇皓：我來補充剩下的其他睡覺的時間，我們的科研是怎么進行的。即使我們科學家人去睡覺了，我們的實驗也是沒有停的。對我來說一般是有這樣兩種模式，一種模式是會讓計算機去做數據處理，數據處理的量一般是非常大的。比如說我在做九章的時候，每次睡覺前都會和我們團隊大概討論一下，今天晚上我們要做什么樣的數據處理，這些數據處理一般都要跑一整晚甚至好多天。所以我們人可以去睡覺，但是我們需要安排好機器在這段時間做什么事情?，F在我在做中性原子量子計算，我們的計算機可以來直接操控實驗系統，所以晚上的時候我們會用計算機去獲得數據，所以總的來說，我們去睡覺的時候還是蠻心安理得的，因為你知道你的計算機仍然在幫你推進實驗，然后明天一早起來就能看到很多有意思的結果。

另外我想講一下，我們腦子里主要在思考一些什么問題。我覺得對于很多科研工作者，尤其是當你更有經驗之后，腦子里的問題可能是：我研究的問題到底是不是重要的問題，我要做的這種技術手段是不是有一些無可替代的優勢。我覺得是最大的考驗是怎么樣挑對正確的課題，也是最應該去思考的問題，這些思考更多的貫穿了我白天的時間。

汪野：我自己的經驗就是，我們95%的時間都在擰螺絲，或者說測儀器設備、擺鏡子，然后是做實驗的時間。因為量子系統它很脆弱，所以我們對于噪聲控制是要求非常極限的，我們其實無時無刻都在跟各種各樣的技術和噪聲去搏斗，我們在不停的推進相關儀器的極限，操控量子系統的極限，為了能夠精確的控制每一個量子的單個的體系，再把它組裝起來做一個量子計算。我們思考的時候很多都是在思考大問題，量子的問題，但我們真正在實驗室里，大家天天干的就是擰螺絲、測電子、寫代碼。那當然我們是做這些工作都是為了朝著我們遠大的量子計算或者量子模擬的目標在前進。這可能是我們真正的一個工作的狀態。