出品：科普中国
作者：栾春阳（清华大学物理系）
监制：中国科普博览
【资料图】
在2023年年初上映的科幻电影《流浪地球2》中，“MOSS”被描绘为拥有极高智能和超强计算能力的最强量子计算机，为人类在面对宇宙中各种危机时提供了强大的支持。而这种惊人的计算能力的灵感，来源于现实世界中的量子计算机技术进展。如此奇妙的想象，不仅为电影增添了科幻元素，也让人们对未来科技的发展充满了无限遐想。
《流浪地球2》中的“MOSS”
（图片来源：电影《流浪地球2》剧照）
然而，在现实世界中，量子计算机的基本运算单元——量子比特，极易受到环境噪声的干扰，这就极大限制了量子计算机的发展和实际应用。因此，如何寻找合适的物理载体来构造出稳定的量子比特，成了科学家们一直在研究的课题。
传说中的量子比特到底是什么？
我们在生活中接触到的大多数电子设备都属于传统的经典计算机，而经典计算机的基本运算单元是比特（bit），它只能确定性地表示0态或者1态，从而完成数据的二进制运算。
量子计算机则采用全新的计算方式，其基本的运算单元是量子比特（qubit），它可以同时表示0态和1态的叠加，也就是说，量子比特能够以一定的概率表示0态，同时以一定的概率表示1态。正是凭借着量子比特的这种奇妙特性，量子计算机能够对某些特定的问题进行0/1叠加态的并行运算，从而获得远超经典计算机的指数级的超强计算能力。
作为量子计算机的基本运算单元，量子比特的内部需要稳定存在两个能够区别的能量状态（能级），从而分别编码成为0态和1态，并且在外部驱动下实现0态和1态之间的概率性跃迁。但就像上文提到的一样，量子比特极易受到环境噪声的影响。
量子计算机是如何工作的
（图片来源：volkswagenag）
幸运的是，大自然中某些天然的粒子本身就具有十分稳定的物理特性，因此不容易受到外界噪声的干扰。同时，它们内部通常存在两个稳定的能量状态（能级），这就启发科学家可以将某些天然的粒子进行人为地操纵，从而构造出可以稳定地编码0/1叠加态的量子比特。
这些天然的粒子通常包括：带电的离子、不带电的原子以及单个光子等。它们的共同特点是满足以上对量子比特的需求。而根据选择的粒子不同，量子计算机可以具体分为三种类型，即离子阱量子计算（带电的离子），冷原子量子计算（不带电的原子）以及光量子计算（单个光子）。
这种利用天然的粒子来构造量子比特的方案也被称为“天然的二能级系统”，它具有简单、稳定和容易操纵的特点，因此也是最早被广泛研究的物理系统。时至今日，天然的二能级系统已经发展成为量子计算赛道上的“第一方面军”。接下来。我们将会简单地介绍这支队伍中的不同成员。
离子阱量子计算——把带电的离子“关起来”！
在自然界的众多粒子候选者中，科学家们首先想到的粒子就是带电离子，这是基于两个方面的考虑：
首先，离子内部本身就存在可以清晰区别的能级，并且能级结构比较简单，可以较为容易地构造出量子比特，来编码0/1的叠加态；其次，离子本身带有电荷，这样的话，单个离子就可以在外界的电场-磁场作用下被稳定地囚禁，从而将带电离子的运动约束在极小的空间范围内，从而形成一个离子阱。
正是由于带电离子具有上述的两点优势，早在1995年就有科学家提出用带电离子构造量子比特，来实现真实化的量子计算机。
Innsbruck的物理学家将四个纠缠的离子暴露在嘈杂环境中
（图片来源：phys.org）
然而，想要能够人为操纵单个带电离子并不是一件十分容易的事情，这主要面临两个技术上的问题：
其一是，大气环境中存在大量带有不同电荷的微粒，暴露在大气环境中的带电离子很容易就与带有相反电荷的微粒发生反应，那么如何能够稳定地捕获单个带电离子，并且使其长时间地稳定囚禁？
其二是，面对平均尺寸只有不到0.02微米，质量只有大约2~3×10的负22次方-22克的单个离子，如何来精细地操纵其内部能级，从而构造出能够编码0/1叠加态的离子量子比特。
对于第一个问题，需要将带电离子隔离在一个具有超高真空度的腔体中，来保护离子不被电中和。一般而言，超高真空度的腔体内部可以达到10的负9次方-9Pa，这大约相当于月球表面的真空度。
为了将带电离子进一步囚禁在足够小的空间中，还需要“电场-磁场”的复合作用来完成离子的捕获。除此之外，实验上还采用激光冷却的方式来降低离子的运动速度，从而在超高真空腔得到近乎静止的带电离子。
可以达到10的负9次方Pa超高真空度的离子阱系统
（图片来源：作者提供）
对于第二个问题，为了能够人为地操纵单个囚禁的离子，科学家们通常将激光光斑的直径聚焦到大约几个微米，从而驱动带电离子的内部能级之间的跃迁。除此之外，实验上还可以采用微波等方式实现类似的操作。
在1989年，物理学家Paul和Dehmelt正是凭借着“发展了离子囚禁技术”，共同获得了当年的诺贝尔物理学奖。
三位1989年诺贝尔物理奖获得者
（图片来源：sciencedirect）
截至目前，基于囚禁离子的量子计算发展迅速，精度超过了99.9%。除此之外，已经有越来越多的离子阱初创公司投入到扩展囚禁离子数目的研究中，并且实现了对上百个离子的稳定囚禁，以及相关量子计算的演示。
当然，随着离子数目的不断增加和更精细的操控需求，离子阱量子计算仍然面临着结构设计和加工工艺方面的难题，这也是科学家们接下来研究的重点领域之一。
冷原子量子计算——原子：凉了！被“光镊”抓住了
离子阱量子计算虽然具有能级结构简单和稳定的特点，然而自身离子数目的可扩展性不足，一直是制约其进一步发展的主要限制因素。于是，科学家们开始将目光投向另外一种天然的粒子身上，希望能够构造出粒子数目达到上千个并且可不断扩展的物理系统，而这种天然的粒子就是我们中学学过的原子。
相信大家或多或少都见过原子结构的模型，它可能坐落在中学校门口旁的花坛中，也有可能出现在科学博物馆的角落中。这种经典的原子结构模型通常由两个部分组成，一个是位于中心并且带有正电的原子核，另外一个部分是核外进行环绕运动的若干个带负电的电子。因此，原子本身正负电荷平衡，整体并不表现出带电的特性。
（图片来源：Veer图库）
也正是因为原子本身不带电，科学家们无法采用与囚禁离子类似的方式，来用“电场-磁场”捕获原子，这就需要发展另外一种技术来稳定地抓住原子，从而构造出相应的量子比特。
幸运的是，科学家们发现如果将一束激光汇聚到原子表面时，原子在三维方向上都会感受到指向光强度最大点的力，如此一来，原子就会同时被三个方向的力挤压到激光最强的地方附近。
这种类似于“陷阱”的作用机制就可以将原子束缚在特定的空间中，并且可以随着汇聚光束的移动而移动，汇聚光束就像镊子一样把原子束缚住，因此这种机制也被称为“光镊”。
双量子比特门的概念图。在该系统中，由光镊（粉红色光）捕获的两个原子（间隔1μm）被一个仅照射10 ps的超快激光脉冲（蓝光）操纵
（图片来源：Takafumi Tomita/IMS）
通常而言，光镊中捕获的原子处于几乎静止的状态，相应的稳定温度大约只有几个毫开尔文（mK），因此，利用光镊技术束缚的中心原子也被称为“冷原子”。
光镊
（图片来源：wikipedia）
值得一提的是，科学家们不仅仅可以利用光镊技术对中性原子的量子态进行精确地操纵，还可以进一步实现不同原子之间的相互作用，从而构造出一系列高精度的量子门操作。
得益于光镊技术的灵活性，基于中性原子的冷原子量子计算方案具有十分独特的优势：高度的扩展性和灵活的操作性。也正是凭借光镊技术的发明，Arthur Ashkin等人获得了2018年的诺贝尔物理学奖。
2018年诺贝尔物理学奖获得者
（图片来源：2018年诺贝尔物理学奖官网）
截至目前，光镊技术已经发展到可以实现任意的光学阵列形状，从而将不同的中性原子稳定地束缚在任意的区域内，可以实现对超过1000个中性原子的稳定囚禁。除此之外，科学家们也在积极尝试将原本简单的二维平面拓展到三维的空间结构，从而进一步提高系统的可扩展性。
然而，光镊技术也存在一定的局限性，这是由于光镊产生的束缚力虽然可以稳定地囚禁中性原子，然而这种力仍然十分微弱。在冷原子量子计算的运算最后，需要施加额外的激光来探测中性原子的量子态，这会导致原本光镊中的中性原子丢失。
这也就意味着，冷原子量子计算在每次运算操作结束后，都需要重新利用光镊来捕获新的中性原子，从而增加了技术难度并降低了运算速度。当然，科学家们也在积极探索更加有效的方式，实现对于中性原子的稳定束缚，相信在不久的将来，基于中性原子的量子计算方案将在实际应用中大放异彩。
光量子计算——光子也来凑热闹
最后一个登场的天然粒子是光子，这也是大家既熟悉又陌生的一个物理学概念。光子是组成光的基本粒子，它以光束的形式进行运动并且可以穿透一些介质，比如空气、水和玻璃等。此外，光子本身不带有任何电荷，因此很难与外界发生相互作用。
也就是说，光子并非我们传统印象中的物质粒子，而是同时具有粒子性和波动性的一种基本粒子。
光子
（图片来源：Astronomy）
当光子在空间中传播时，会以某一固有的振动频率向前方以光速运动，如果将光子的振动轨迹描绘在一个二维的平面上，就会像我们中学数学学到过的正弦函数一样，这个二维平面表现的就是光子的某一个偏振状态。
然而，考虑到光子在三维空间中传播振动的方向是可以不断变化的，这就说明光子可以具有不同的偏振状态。如果我们站在光子运动的正前方观察，就会发现光子振动的轨迹可能是一条水平的直线（水平偏振），或者一条竖直的直线（竖直偏振），以及一个近乎完美的圆形（圆偏振）等等。
偏振状态图
（图片来源：Wikipedia）
在光量子计算方案中，科学家正是利用光子的偏振状态”这一奇妙的特性来构造出光量子比特。具体而言，可以将水平方向的偏振状态编码为0，而将竖直方向的偏振状态编码为1，从而完成单个光量子比特的构造。
而为了实现对光子的偏振状态进行精确地操纵和测量，实验上可以使用偏振分束器和波片等光学器件，从而实现对光量子比特的运算操作。
中国科大成功研制113个光子的“九章二号”量子计算原型机
（图片来源：ustc.edu.cn）
光量子计算方案具有三个比较明显的优势：
其一，光子本身基本不与外界环境发生相互作用，因此具有天然的隔离特性，可以在高噪声环境中不受到干扰；其二，光子能够以光速进行传播，并且可以在室温和大气环境下工作，具有良好的实验操作性；其三，光子的传播可以用光纤等光学器件进一步集成，从而实现系统小型化，并且构造出室温状态下小型化的光量子系统。
然而，也正因为光子自身的特殊性，光量子计算系统无法有效地存储传输速度极快的光子，并且微弱的光子也极易在光纤传输过程中发生损耗。此外，由于光子之间没有相互作用，因此在实验上也较难实现不同光子之间的相互作用和相应的量子门操作。
结语
综上所述，天然的二能级系统因为其天然的可靠性和稳定性，可以被用以构造量子比特，从而表示0/1的纠缠态。通过控制和读取这些二能级系统，可以实现不同量子比特之间的相互作用，从而实现量子计算中的算法和操作。
当然，构建大规模量子计算机仍然是一个极具挑战性的任务，但是天然的二能级系统的使用正在一步一个脚印地推动这一领域的发展。事实上，许多科学家认为天然的二能级系统是构建大规模量子计算机的最有前途的方法之一。因此，天然的二能级系统在量子计算中被广泛使用，并且也成为量子计算赛道上的“第一方面军”。
那么，量子计算赛道上的其他选手又会带来怎样的精彩表现呢？请允许笔者在这卖个关子，让我们在下回书中见分晓吧！
编辑：孙晨宇
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责任编辑：Rex_17
