[科普中国]-第四次工业革命从中国开始？

导语：随着量子通信卫星的成功发射，年底京沪干线的开通，“量子通信”这个名词变的不再陌生。但量子的发展绝不仅限于此，由于人类对计算能力的需求不断提升，未来的量子计算机将会是人们瞩目的新领域，也将是我们踏入新世纪的一把钥匙。量子计算如何实现？它跟冷原子有什么关系？这是一个关于冷、酷的故事！听量子物理大牛陈宇翱娓娓道来。

陈宇翱

专家介绍
陈宇翱：中国科学技术大学教授；资深量子物理学家；致力于量子通信、量子计算、量子模拟和精密测量等多个量子信息研究，研究成果一次入选《自然》杂志年度十大科技亮点，两次入选欧洲物理学会“年度物理学亮点”，两次入选美国物理学会“年度物理学重大事件”，五次入选两院院士评选的“中国十大科技进展新闻”。

冷原子和玻色·爱因斯坦凝聚
要介绍冷原子，我们要先聊一聊“热”。谈到最热，大家很容易联想到太阳，它表面温度大概是6000K（开尔文）左右，这个温度能够汽化地球上所有的物质，这比我们日常所接触到的温度高了近两个数量级。而自然界最冷的物质又是什么呢？是液氦，温度大概4K，与太阳表面温度差了三个数量级。但还有一种物质，它叫冷原子，它比液氦还要冷一万倍。再冷下去，就不能把它看成一个简单的粒子了——它开始展现波动性质，如果继续冷下去，它就会达到原子界中的里程碑——玻色·爱因斯坦凝聚。

玻色·爱因斯坦凝聚是什么？打个比方来说，在一个空间中的某两个原子，一个是A，一个是B，它们很小很小，所以它们之间间距很大。现在开始降温，它们之间的运动速度减慢，它们会越来越冷，开始慢慢展现出它们波动的性质（原子变得越来越胖）；温度继续下降，AB越来越“胖”，胖到互相碰到彼此；温度再降，AB膨胀充满了整个空间，就形成了你中有我，我中有你的状态，整个空间中的原子就变成了同一个量子态，以至于在外界看来，分不清哪个是A，哪个是B，这就是玻色爱因斯坦凝聚。（贴心的小编觉得你可能看不懂了，说点实在的吧，玻色·爱因斯坦凝聚最实际的应用是高温超导，陈教授表示希望利用冷原子来理解高温超导机制，未来能够实现室温超导，那从北京到上海或许只需要半小时的行程）。

控制电子的运动 超级计算
但是在凝聚态系统里，科学家还在烦恼一件事儿——如何理解电子的运动。
Hubbard模型是关于电子运动最经典的解释，这个美妙的方程式描述出了电子简单的运动。但遗憾的是，这个方程式没有解析解，要想解数值解，所需要的计算资源是呈指数增长的。就连当今我们的超算王者——神威太湖之光，也只能处理45个电子的运动。如果想要模拟300个电子的运动，它所需的储存空间就是2 300（这个数字很大，大到已经超越了目前我们所知的宇宙原子数总和）。所以想要真正研究电子运动，相当困难。
有了玻色爱因斯坦凝聚，科学家就可以对原子进行单独的操控。因为原子比电子大了100倍，所以可以把原子放到跟电子一样的环境下，看它到底怎么运动。
费曼曾经提出把计算机量子化，也是他首次提出量子计算和量子模拟的概念。其实就是利用一个可控的量子体系，用原子体系来模拟电子的体系。因为自然界不是经典的，模拟相当困难，而模拟就需要用到冷原子给电子制造一个风洞。当原子进入到玻色·爱因斯坦凝聚之后，在每个原子都一样的状态下使得原子它在格点上的行为和电子一模一样，这样就实现了一个最简单的可控模型，使得计算能力得到重大突破。这将是玻色爱因斯坦凝聚一个实际有效的应用。
原子冷却怎么实现

这是一个里程碑式的构想，但冷却原子却并不容易。科学家想到利用激光来冷却原子——通过发射光，来阻挡原子前进的路线，比如原子要向右走，左侧发出一束光像如来神掌一样把原子打回去。因为光最大的加速度是重力加速度的负一万倍，可以在相当短的时间内使原子温度降到10μK。通过在各个方向上打光调节原子运动的方向，从而使得原子被冷却。但这个温度离玻色·爱因斯坦凝聚还差了几个数量级，想要进一步冷却，如何操作？

在1989年，实验上发现了蒸发冷却的方法。原理和我们吹冷一杯热水相似，在一个杯子里，热原子处在边缘处，比较容易逃逸，冷原子则位于底层，当热原子跑出去之后，剩下的冷原子的温度重新分布，从而降温。在1995年先后有三位科学家实现了铷原子、钠原子的玻色·爱因斯坦凝聚，这是我们了解电子运动的一个新起点。
十年内实现操控100个粒子的量子计算机

陈宇翱教授展示了实验室里进行冷原子操作的实验步骤，首先把原子放在真空的环境里，用激光冷却的方法使原子温度降到10μK左右，进一步通过磁场把原子转移，进行蒸发冷却，冷却到玻色·爱因斯坦凝聚。这种方法一旦实现，能耗将比天河二号小得多，而运算能力则强得多。当能操纵25个粒子，就相当于一部智能手机和商用CPU的能力；当操纵45个粒子就相当于操纵了太湖之光这样的量子计算机；当操纵100个粒子的时候，能力堪比全世界计算能力之和的100万倍！
陈宇翱教授感叹，科技不是为了创新而创新，眼下的有用与否不是判断的绝对尺度。在各行各业里，每时每刻都在创新突破，所以他希望大家能多多关注到基础物理，给科研工作者多一些支持，让这些冷、酷的物理名词走进大众的视野。陈教授展望在五年内我国将实现50个粒子的量子计算，在10年内实现操纵100个粒子的量子计算机，到那时，计算能力会是当下全世界计算能力总和的100万倍！