原子时钟激励新的量子位（181205）

闵应骅

    最近一期的IEEE Spectrum 2018/12发表一篇新闻，题目是“ATOMIC CLOCKS INSPIRE NEW QUBITS”，报道了量子计算领域新的基础研究，特介绍如下。

十年前，量子计算还是一个玩笑，量子计算的倡导者冒昧地提出了一种有前途的技术，因为没人知道怎么把一串量子位串起来。时间在前进，现在IBM已经造出50量子位的机器，英特尔49位，谷歌已经开发了72位的装置。今年9月，宾州大学(Penn State)的研究人员声称他们已建造了125量子位的计算引擎的主机。但是，不同于IBM、英特尔、谷歌，宾州大学系统做概念验证的基本部件不是计算机芯片，而是原子钟。

宾州大学和世界上其他研究人员提出的中性原子量子计算机是用铯原子在激光阱（精确的时间标准）中作为量子计算基本的量子位。由宾州大学建造的激光掌控下的5 中性原子量子计算机样机如下图所示。原子的量子状态可以被用来存储信息。

宾州大学的物理学教授David Weiss说：“据我们所知，没有一个量子力学系统比一个原子更好。”他的研究组在自然杂志宣布他们可以用激光在一个立方体维持和冷却125个铯原子，每一个掌控临近5微米。（该量子位可以载入、冷却、屏蔽干扰，但该研究组还没有开发所必须的逻辑门和差错校正。）

原子时钟用这些极冷和稳定的原子作为记录时间逝去的基础，其特性已经有很好的研究，被称为超精确分解。它牵涉每个原子旋转最外面电子。（每秒普遍定义为从铯精确分裂出来9,192,631,770个辐射周期。）

对于量子计算机，其想法是用作原子时钟同样的铯量子状态。但是，铯原子作为量子计算机的部件，要用到原子钟所不用的量子性质。在铯原子量子计算机中的所有量子位可以占有一个精细状态（称为0），或一个稍微高能的状态（称为1），它们之间的状态称为量子叠加。

为了用原子阵列完成量子计算，原子必须纠缠。为此，Weiss解释，激光撞击在3D阵列中的125个单个原子到高活跃电子状态，然后冷却下来。这整个系统就会如此敏感，使得靠近靶原子的铯原子感知到它的激发和非激发。这就会使阵列中的至少部分原子发生纠缠。

威斯康星-麦迪逊大学物理学教授Mark Saffman说，他的研究组诱捕的铯原子2D阵列可以保持其精致的量子状态达10秒，甚至更长。（Saffman指出这个数据来自Weiss研究组）。而典型的操作（譬如一组量子位与另一个相乘）也不过1毫秒或者更少。所以，在量子状态被噪声击溃之前执行很多操作的可能性是系统固有的。Saffman说：“用激光束把这些原子量子位高度激活，我们可以随意执行很强的交互。”

当然，中性原子量子计算还有挑战性的问题。马利兰大学物理学教授、1997诺贝尔奖获得者Willian Phillips说，缺乏长期的很强的库伦交互意味着在很小体积里放置很多原子很容易，但控制这些原子，譬如快速形成量子门就没那么容易了。

在科罗拉多州博德的ColdQuanta CEO Dana Anderson说，现在单个原子可以可靠的稳定的冷却的稳定在100nanokelvins（Kelvins是绝对温度单位）以下，许多基础科学研究已经呈现，ColdQuanta正在实现Saffman和Weiss的预想，作为量子计算机或模拟器的基础。

Anderson说:“当你得到如此低温的原子，我们就有了一系列的量子技术，不管是量子时钟，还是量子计算，它们内部其实都是同样的东西。”

Weiss说他的3D阵列用目前的技术可能扩展到1,728个量子位，排成12行、12列、12面。但是，有这么多量子位，就需要他的研究组和其他人开发强力的差错校正方法。

无论是Weiss的3D阵列，还是Saffman和ColdQuanta的2D阵列，长远来看，要想可行，还有许多需要研究的问题。Anderson说这些问题都是可以解决的，而且基本上都是一些工程问题。

作为一个外行，上述报道我也看不太懂，但是有两点感受：

1．什么叫基础研究？这就是基础研究。并不是陈景润的1+1才叫基础研究，更不是那些空对空的哲学议论算基础研究。不是越空洞就越基础、越广泛就越基础。这是民科常常犯的毛病，也许是因为他们研究条件不够。

2．量子计算的基础研究不是计算机系、学院、研究所所能完成的。原来搞电子计算机的这批人对于量子计算必须从零开始。现在的计算机人既缺乏高层的计算机应用研究，譬如AI用于医疗、AI用于警察（这两项本月IEEE Spectrum都有长文报道），也缺乏最底层的集成电路技术基础研究，大多是中间层的研究和开发，有点高不成、低不就，想个新点子，来个APP。这样的研究就整体来说成不了大器。

顶天立地的研究和创新靠整个科学技术界的合作和纠缠，像量子一样。科学技术界要有一种共同创新的氛围，才能形成合力。媒体要做实事求是的报道，不要等成果出来了才报道，更不要夸大其词，欺骗大众。不要以为让大家高兴了就好。最近浮夸现象在科技界有所增长，值得警惕！