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“科学与人文讲座”2018年第5期报道: 宏观量子叠加态与量子计算的物理实现

  • 文/朱科夫,图/朱科夫
  • 创建于 2018-05-05
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2018年4月27日上午9点30分,中国科学院大学人文学院2018年“科学与人文讲座”第5期在中关村校区S202教室如期举行。清华大学交叉信息研究院量子信息中心助理研究员尹璋琦老师为我们一共带来了两个主题的讲座,分别为“从薛定谔猫到纠缠历史”和“量子计算的物理实现”。中国科学院大学人文学院苏湛副教授担任本场讲座的主持工作。

对于第一个主题的讲座,尹老师首先借用古希腊哲学家、思想家、自然科学的先驱泰勒斯观测天文和他利用气象知识赚钱的历史故事引入了主题,向大家提出了量子科学这样看起来玄妙的研究是不是无用之用的疑问,然后简要介绍了量子物理的发展历史和量子物理的基本概念。

尹老师以经典的波动现象作为例子,向同学们直观地介绍了波动物体的相干现象,并由此引出了量子世界中的相干现象和量子尺度上物质的波粒二象性。自从1923年德布罗意提出物质波的概念后,物理学家们几十年来一直在实验中寻找和观测更大的尺寸的物体的物质波现象,并取得了很多进展。

接下来,尹老师讲授了量子和经典世界的界限问题。在这个边界上,有大量新奇的、非经典的物理效应值得深究,如宏观叠加态、经典-量子转变、引力诱发的退相干等。最著名的一个例子,莫过于薛定谔的猫态了。薛定谔1935年的著名论文中提出的假想实验,设计了一个量子装置,使得量子态叠加效应能够体现在宏观物体上,即猫的生态和死态的叠加。由于仅凭薛定谔方程无法解释波函数的坍缩,人们提出了各种理论来解释这一现象,例如退相干理论、多世界理论等。其中较为著名和怪诞的,就是维格纳关于“维格纳的朋友”的物理诠释,对心物关系问题发起了深入探究。

从1944年薛定谔发表《什么是生命》一书以来,将量子论用于生命科学的研究逐渐开展起来。人们研究了生命过程中的量子现象,如光合作用和鸟类生物磁感导航现象。而比如介观物体、生命体等的叠加态的实验制备,则在近年来才有较大进展。尹老师介绍了利用2013年科学家用边带基态冷却方法将超导体与机械共振器相互纠缠,以体现量子叠加态的宏观效应的实验,由此提出对细菌这类微生物体进行类似操作的实验设想。将细菌冷冻至基态后,其内部的量子结构特性得以保存。类似于1998年将青蛙放置于强磁场后,其本身生物磁性与外界强磁场发生的物理作用,人们也可以试图换其它生命体来做相似的操作。接下来,甚至可以具体地研究处于叠加态中的微生物体内的新陈代谢等行为。还可以把生物体内部自旋与外部振动态转移的哈密顿量以及生命体外部振动态之间的teleportation方案结合起来,实现两个生命体内部状态的隐形传态。这或许是实现生命体自身的隐形传态的第一步。也许,星际迷航中的这一幕会成为现实!

在第一主题的最后一部分,尹老师介绍了关于“纠缠历史”的最新研究进展。这一物理效应与之前的相比,更加具有非经典性,完全无法用经典物理中的随机模型来刻画,因为涉及到时间维度的纠缠。2015年初,MIT的Frank Wilczek和Jordan Cotler提出了纠缠历史。他们使用Robert Griffiths一致历史量子理论,从数学上定义了历史态。对于量子动力学系统,定义了它所有历史态的希尔伯特空间,以及历史态之间的内积。在此基础上,他们定义了纠缠历史以及对纠缠历史的Bell检验方案。实际上,物理学家感兴趣的物理量,都与物理系统的演化历史有关系,比如说带电粒子在电磁场中运动时所积累的相位。对某个时刻的可观测量而言,测量它可以使得系统塌缩到希尔伯特空间的某个子空间。类似的,对系统演化历史进行测量,可把它投影到其本征子空间,而这通常是纠缠的。处于纠缠的历史,在每个时间点都无法赋予其确定的状态。

在利用GHZ检验方法改进Wilczek等人的原始方案后,尹老师与其开展了合作,并利用恢复量子比特状态的技术,实现了对系统的多个时间点可观测量的测量。尹老师指出,纠缠历史的研究意义在于,第一次证明了物理系统状态的演化历史也可以纠缠起来,量子纠缠历史超越了所有经典的随机模型的描述能力,只有量子理论才能正确的描述历史。把Bell定理推广到了时间域,纠缠历史还能帮助我们直观地理解量子力学中的多世界解释:世界分叉到几个不可约的轨道上演化,后来又交汇到一起。

第二个主题的讲座内容是“量子计算的物理实现”。尹老师快速地带大家扫描了量子计算机的物理实现上的最新进展。首先,通过介绍经典计算机的摩尔定律(Moores Law)的失效,引入了量子计算的主题。尹老师讲解了量子计算发展简史、基本概念(包括量子逻辑门、量子纠错)及其相对于经典计算的巨大优势所在,并指出,相对于前几次工业革命对于经典尺度的操控能力的巨大飞跃,人们对于量子尺度的精确操控能力才刚刚起步,而这种操控技术正是量子计算机制造的起点。其次,他重点讲述了科学家们如何试图通过离子阱和金刚石等手段来实现有限比特数目的量子计算芯片,以及现已达到的技术水平。接下来,尹老师简要介绍了“量子云”服务。量子云也是一项云服务,以提供量子计算能力为核心。来自互联网上的用户可将待执行的量子程序远程到量子云平台的服务器上,在云平台上完成它的编译、执行与测量,最后将结果返还各位用户。尹老师课题组已经尝试用量子云平台ibmqx5制备多比特的量纠缠态,以及8、10、12、14、16比特cluster态。

最后,现场的听众就讲座中感兴趣的部分与尹老师进行了交流。讲座在热烈的掌声中圆满结束。

【文/朱科夫,图/朱科夫】

【主讲人简介】

尹璋琦,清华大学交叉信息研究院量子信息中心助理研究员。1999年至2009年,在西安交通大学应用物理系学习,先后获得物理学学士、硕士和博士学位。读博期间于美国密歇根大学访学两年。之后,在中科院武汉物理与数学研究所和中国科学技术大学工作。研究兴趣包括光力学和量子信息科学等。