他们可以通过一些方式让这个原子互相作用
从而能够建立量子纠缠
然后实现一些量子计算
这个手段的优越性在于它非常的灵活
它不像超导量子比特
它制造出来以后就已经焊死在芯片上面了
这些比特你是动不了的
但是中性原子量子比特靠着激光是挪来挪去
人们可以通过调控这个激光的光速
可以让这两个比特靠近相互作用
交换信息以后挪走
再和另外一个比特发生计算
这样的话就大大增加了计算的灵活性
而且原子还有一个好处
就是所有的原子它天生都长得一样
但是你如果在电路上面去刻蚀超导量子电路的话
总会有一些工艺上面的误差
就会导致每个超导量子比特长得都略微有一些不一样
这就需要后期有很多补偿
但是中性原子的量子比特
它就可以做到都是传统的
就比较好统一地控制
而且它这个原子比较容易获得
所以它可以很容易的做到1000个量子比特这种数量级
所以在做的比较多的这个方面
它可以做的比较好
但目前主要的难点在于
如何用更准确的激光去做这种精确的控制
以及如何降低这个系统中间的噪声的程度
人们还在这个方向做努力
在中性原子这个系统中
有一些代表性的公司
包括Atom Computing、Pasqal、QuEra这些公司
它们都是在利用中性原子来做量子计算
现在中性原子的量子计算进展到一个什么样的水平了?
对比刚刚我们提到的超导量子比特的线路
从技术角度
比如说100分是一个可用的量子计算
能不能给听众一个直观的感受
它们分别在哪个进展曲线上?
我觉得如果从整体评分来说的话
可能是不相上下
你如果要评价一个量子比特或者线路的优越性
我觉得从四个方面来评价
多快好省
多就是你希望比特数量比较多
快就是你希望这个操作的时间比较短
能够在短时间内实现大量的操作
好就是你希望比特的精确率比较高
误码率比较低
省就是你希望这个比特要比较容易制备
比如说成本比较低
包括制造和维护的成本都比较低
超导量子比特在多方面目前正在努力
中性原子的量子比特在多方面比较有优势
它比较容易做得比较多
而且也都挺快的
在好的方面可能
目前还是超导量子比特稍微误差率更小一点
在省的这个方面
你说超导量子比特它其实不太省
就是因为它需要很低的温度才能运行
基本上是毫开尔文的这个量级
所以往往需要很大的制冷设备来维持它的运行
它维持运行每天的花费也是非常贵的
中性原子基本上可以用激光在常温的环境下做控制
除了这个中性量子比特
还有另外一个技术也很重要
是离子阱的量子比特
它实际上是用电场的方式把一些带电的原子
也就是所谓的离子悬挂在空中
把它用电场捕捉起来
这些带电的离子就像一个小小的钟表一样
它会在这个离子阱中间震荡
它的震荡频率是非常精确的
状态非常稳定
人们也可以利用这种震荡的量子态
用激光来控制它们相互作用
就好像激光在指挥一个完美的舞蹈队
它们在一起集体做一些舞蹈
相互配合来执行量子计算
这个方案从多的角度来说
目前来说还做不了很多
基本上做十几个或者二十几个比特
从快的角度来说
它的主要问题就是它比较慢
移动这些离子所需要花的时间是比较长的
而且让这些离子之间相互耦合所需要花的时间也比较长
相对于前两种技术
它可能能够慢个100倍左右
但是人们也在这个方向努力地改进它的速度
但是它有一个好处就是特别得精确
它的误码率可以比超导量子比特
和中性原子比特都要低很多
所以人们对它也抱有很大的期望
而且目前有一些非常先进的拓扑量子态
都是在离子阱的量子比特上面实现的
所以这也是一个非常有前景有希望的技术
而且这个技术可以很自然的
和一些芯片的制成的这些技术结合在一起
所以它也可以做成芯片
而且也可以在常温下面运行
所以从省的角度来说
它也是相对比较省的一个方案
比如说像IonQ、Quantinuum这些公司
就主打离子阱量子比特的这种思路
现在离子阱我印象中是到了32个量子比特
差不多这个量级
如果再扩大一倍
比如说扩大到六十多个
因为你刚刚提到了
它其实在多的方向是不太好扩展的
它的量子比特要扩大一倍会很难吗?
对 主要是因为它的比特之间
发生相互作用的一些机制
使得它很难像中性原子一样
发生一些比较全局的All to All的相互作用
所以人们一般的扩展离子阱比特的概念是
多做几个阱
多做几个device(设备)
这些离子在某个区域做完运算以后
把它转移到别的区域先等着
然后再把新的离子load(加载)进来做运算
一般是这样一个策略
然后让它们几个不同的设备之间连接起来
就有一点像一个芯片你做不大
但是你可以做十个一样的芯片
那个效果乘以10也是很厉害的
因为您刚刚提到了
它是非常精确的
精确可能是量子计算最难解决的一个问题
现在离子阱在实际上应用得多吗?
还是说因为它的精确性
所以它现在是一个在应用上发展得比较好的一个技术方向
其实这些所有的量子计算
目前离商业应用可能还有一段距离
但它们都在科研上面有很好的应用
比如说离子阱
因为比较精确
它可能可以实现一些非常厉害的拓扑态
它其实可以为拓扑量子计算提供基础
这是目前这个方面比较令人激动的一些进展
这些拓扑态很大程度在别的设备上面
还有一定的挑战性
所以离子阱也是研究拓扑态
相当于是给它提供了一个基础的框架
对 实际上等于说是用这些人造的量子比特
给硬搭出来了一个拓扑态
而不像微软的Majorana技术
微软的技术是让芯片上面的这些电子
电子是自然界给我们提供的粒子
微观粒子它自发地形成拓扑态
但是离子阱等等的这些技术是人造的拓扑态
但是只要你能形成拓扑态
都能够获得具有拓扑保护的量子比特
所以离子阱这种技术
包括其他的量子比特的技术也可以
原则上你可以先制造一些误码率相对还比较高的物理比特
然后你用这个物理比特去搭一些拓朴态
在拓扑态上面就可以实现误码率很低的逻辑比特
对对对
接下来我们再聊另一个路线
就是光子量子计算
我不知道这个路线是不是中国在这方面做的比较强
因为我们其实上一期在讲量子计算的时候
好多听众都在下面留言说想听一下光子量子计算的路线
对对对 中国比如说九章量子计算机
它其实是一个基于光子的量子计算的技术
这也是潘建伟院士他们团队推进的一个很了不起的进展
光子实际上是以光对应的量子的粒子作为信息的载体
往往是利用光的偏正或者光的某种路径的选择
作为编码量子态0和1的依据
这个方法的优点就在于
光它比较不容易受到外界的干扰
而且它传播得非常快
它是以光速运行的
但是它的主要的缺点也在于这里
一个东西它如果很难被外界干扰
那它也很难发生相互作用
光的缺点就在于这些光子你很难让它们发生相互作用
你手电筒打两束光
两个手电筒那个光就直接交叉穿过了
它不会互相弹开来
就是因为光子的这种特别难相互作用的方式
使得你很难让光互相去改变彼此的量子的状态
这就很难用来做计算了
因为计算的全部实质就是很多不同的信息载体
通过相互作用交换信息
你都没办法发生相互作用
怎么交换信息呢?
所以人们就需要别出心裁地去想一些
非常奇特的方式来让这个光相互作用
就是利用测量
在量子力学中间
除了你可以通过相互作用时间演化
来让量子系统的状态发生变化
也可以通过量子的测量
来让量子系统的状态发生变化
而这种通过测量来诱导量子纠缠的方式
在基于光子的量子计算的路线中是普遍应用的
也有很多公司像Xanadu、PsiQuantum等
也是在这个方面不断地研究
您觉得光量子在多快好省上
各自的优缺点应该怎么样去评价呢?
光它当然非常的便宜
招之即来
也可以在常温运行
这就不需要低温维持
这都是省的好处
从多的角度来说
你也有很多光子
但是它主要是不够好
损失太严重了
光在光纤中间传播的时候
时不时的光子就丢了
就损失掉了
所以经常你算着算着
你这个比特就没了
而且因为它的量子计算和别的量子计算不一样的是
它是基于量子测量所做的量子计算
而测量本身具有很大的不确定性
每次做测量的时候
量子系统是按照一定的概率来产生这些测量的结果的
所以怎么样去设计良好的测量
来诱导计算按照我们期待的方向进行
这就涉及到了很多编码软件层面的问题
所以怎么样去合理地控制大量的光子
在测量系统中间相互作用来执行计算
然后如何应对
在计算中时不时光子就丢了这种事件的发生
实际上是一个很大的挑战
所以在这个方面人们还在努力
目前来说光量子计算还很难在这些好的方面
跟其他几个平台相比
所以光子量子计算可能有其他方面的应用
就是利用它的量子的特性
而不是单单专注于计算本身
比如说可以用光量子去做一些传输或者什么
传输是指什么?
信号的传输?
信息传输
量子通讯就可以
我们可以想象未来有了量子计算机
自然下一步就是量子互联网
就像今天的计算机要连成互联网才更加有用
所以你就希望在这个地方
比如说有一个中性原子的量子计算机
但你没有办法把这些中性原子从北京发射到上海去
这些原子从北京到上海已经完全退相干了
所以人们的想法就是
不管你是一个超导量子计算机
还是中性原子量子计算机
当需要传输量子信息的时候
他先把这些量子信息转译到光量子计算机上面
然后利用光子能透过光纤的特性
从北京打一个光纤到上海
把这个光给传过去
上海再有一个光量子计算机
把这个信息给接收了
再转译到上海的超导量子(计算机)
或者中性原子、离子阱等等
其他的量子计算设备上面
所以光量子计算特别适合作为
互联网中间沟通不同量子计算机的连接口
这个太有意思了
相当于大家在一个生态位里面
它其实是有不同的功能的
光子量子计算到底有多少个量子比特?
这件事情是重要的吗?
也挺重要的
大家也是希望把它做得比较多比较好。
我们接下来聊一下拓扑量子比特
就是微软的这套方法
它这个是相对来说比较新的
而且事实上它其实属于一大类拓扑量子计算
不仅仅是马约拉纳
拓扑量子计算是一个很大的框架
基于马约拉纳零模实际上是其中的一种
当然还有一些其他的
比如说基于任意子的拓扑量子计算
这个其实是像我们这些
做凝聚态理论的物理学家比较喜欢的
它其实是基于一些
量子多体态中间的量子纠缠
来负责编码这个信息
所以信息就特别得稳定
能够自然地对抗噪声
这个技术如果一旦发展起来的话
它天然获得的就是一些有保护性的逻辑比特
它本身就是赢在起点上
从多快好省的角度来说
它这个好就点的很亮
就特别得优越
它的误码率就很低了
如何把它做多
如何把它做得快
这些都还在探索阶段
因为这个技术目前才刚刚开始
所以它能够怎么scale up(扩大规模)
我们目前还不是非常清楚
所以我们还拭目以待它将来的发展
这个技术是从什么时候开始的?
在学术圈的这个流派比较鲜明的代表人物有谁?
这个主要是微软Station Q有一些founder
他们在很早的时候就开始研究了
可能可以追溯到二三十年前
理论上面最早像Caltech的教授Alexei Kitaev
他最早提出了拓扑量子计算的想法
包括利用马约拉纳费米子计算的这些想法
这些想法后来被很多物理学家和数学家进一步发展
在理论上面做得非常得先进
但是实验还在不断地进展
我们也看到不断会有新的结果出现
所以我们还需要期待未来
我们刚刚其实有聊到几种量子计算的路线
就是中性原子量子比特、离子阱量子比特、
光子量子比特和拓扑量子比特
我们其实没有解释超导量子比特
是因为之前我们的播客中有提到
但是我们还是给没有听过我们上一期播客的听众
来简单的科普一下超导量子比特跟代表的公司
因为我觉得这个基本上是硅谷主要公司的主流方向
它还是很重要的
我们再解释一次
超导量子比特它利用的是
超导体很神奇的量子特性
超导体不同于普通的导体
在普通的导体中间
电荷都是像粒子一样
都是由带电的粒子携带电荷
然后做无规则的随机的运动
但是在超导体中间所有这些电荷
都是像波一样做集体的运动
体现出了一种量子的波动性
所以如果我们超导体做成电路
那这个电路就像河道一样
它允许电流在这个河道中间
像水流一样波动
在电路中不同的电荷波的波动模式
它就会变成不同的量子的状态
人们就可以用这种量子的状态去编码0和1
并且可以利用外界的电子差
去控制这个量子比特的状态
而且让他们发生相互作用
所以这就是超导量子比特的一些基本的原理
从公司来说
超导量子比特相对来说是科技公司们最喜欢的
投资也比较多
这些大公司像IBM、谷歌、亚马逊、Rigetti等等
都在这方面有很多的投资
相对来说也比较成熟一点
Rigetti跟谷歌在路线上会有什么不一样吗?
虽然它们都是超导量子比特
因为它们所成立的时代是不太一样的
所以它们会不会在路径上有不一样的方向
具体来说在超导量子比特这个领域里
还有一些不同的实现方式
有一些叫transmon
有一些叫fluxonium
有一些更细微的差别来区别量子比特
具体来说怎么实现
IBM和谷歌都是transmon学派的代表
Transmon怎么理解?
Transform本质上是利用了电容
利用电容器中间不同电荷的不同能级
以电容为主导的一些量子比特
Fluxonium更多的是利用超导环路中间的磁通
就是一个更靠电
一个更靠磁
可能可以简单地这么说
Rigetti相对来说它的研究方向就比较灵活
它在这两个方面都有涉猎
所以我觉得这可能是初创公司的一个特点
它们会更积极、更aggressive地去研究
各种具有挑战性的方案
不会拘泥于一些相对比较成熟的方案
而且Rigetti这个公司
相对把重点放在怎么样把它做得比较模块化
我可能不一定要在一个芯片上面做出1000个量子比特
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