“全能”的超冷原子技术，不止于量子计算

光子盒研究院出品

与超导、离子阱相比，冷原子是目前比较冷门的量子计算机实现方法，但是中美两国均在近期取得了重要突破。

先是11月11日美国ColdQuanta公司展示了其基于Quantum Core™的冷原子量子计算机技术。紧接着，11月19日《自然》杂志报道中国科大在71个格点的超冷原子量子模拟器中成功求解施温格方程。

2000年，Deutsch等人提出了利用光晶格中的中性原子进行量子计算的方案。通过激光冷却和俘获技术把原子约束在光晶格中，它们与外界之间具有很好的隔离，处于光晶格中的中性原子有很多内部状态，例如塞曼能级或精细能级，它们都可以被利用来编码量子比特。

而且除了用于量子计算，超冷中性原子技术还是研究玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的一种重要手段。在绝对零度以上的一百亿分之一度，即-273.15摄氏度时，Quantum Core™会产生BEC。

在ColdQuanta的商业版图里，量子计算只是冰山一角，量子计时、电磁探测、雷达、生物成像和其他量子设备将为新的量子应用系统提供新的信息。而这些，都能通过超冷原子技术实现。

绝对零度下的量子世界

1924年，印度物理学家玻色（1894-1974）提出了一个分析光子行为的统计力学方法，也就是现在我们所说的“玻色统计”。

经典统计理论假定一个系统中所有粒子是可区分的。而玻色认为，光子是不可区分的。玻色的理论无须借助经典物理就可以正确描述光子的行为，但他在发表自己的论文时遇到了一些麻烦，因为人们不相信他的理论，不肯在科学杂志上刊登他的论文。

于是玻色就将论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦立刻意识到这篇论文的重要性，并通过自己的影响力将它发表在德国的学术刊物上。

随后，爱因斯坦将玻色的理论推广到有质量的粒子，并预言当温度足够低、原子的运动速度足够慢时，它们将集聚到能量最低的同一量子态。这就是著名的玻色-爱因斯坦凝聚态，又称为“物质的第五态”。

但是直到1995年人类才第一次创造了BEC，因为在激光冷却技术发明之前，不可能将温度降低至接近绝对零度（-273.15℃）。

1985年美国国家标准与技术研究院（NIST）的Willam D.Phillips)和斯坦福大学的朱棣文首先实现了激光冷却原子的实验，获得当时实验室内达到的最低温度，即2.4×10^-4K，这已非常接近绝对零度了。

之后，许多激光冷却的新方法不断涌现，包括法国巴黎高等师范学院的Claud Cohen-Tannodji提出的速度选择相干布居囚禁和朱棣文提出的拉曼冷却等。三人因此获得了1997年诺贝尔物理学奖。

随着激光冷却技术的成熟，1995年，科罗拉多大学博尔德分校的Eric Cornell和Carl Wieman使用气态的铷原子在170nK的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚态；以及麻省理工学院的Wolfgang Ketterle使用钠-23独立获得了BEC。他们因此获得了2001年诺贝尔物理学奖。

气态铷原子的速度分布。在左图中，没有发生玻色-爱因斯坦凝聚，原子的能量分布是由玻色-爱因斯坦统计给出的。在右图中，冷却到接近绝对零度，因此几乎看不到任何统计分布的原子。相反，人们可以在基态观察到高浓度的原子。

当玻色子原子冷却形成凝聚态时，它们会失去自己的特性，其行为就像一个巨大的超级原子集团，有点像在激光束中变得难以分辨的光子。

一般量子效应只发生在微观层面，但玻色-爱因斯坦凝聚态是个例外。在BEC系统中，所有玻色子都占据了阱的基态。系统的状态服从宏观波函数，遵循Gross-Pitaevskii方程，该方程的数学形式与薛定谔方程相同。

这种相似的结构使宏观波函数服从于微观量子粒子的所有相同性质，例如叠加和隧穿。从而产生其他量子力学效应，其中包括约瑟夫森效应（超导状态下库珀对的隧穿现象）。

约瑟夫森效应是一种横跨约瑟夫森结的超电流现象。约瑟夫森结由两块超导体夹以某种很薄的势垒层构成，例如S(超导体)-I(半导体或绝缘体)-S(超导体)结构。约瑟夫森结可应用于超导量子干涉仪、超导量子计算以及快速单磁通量子数字电子设备等。

BEC的一个重要应用之一是模拟凝聚态物质系统。科学家可以从多束激光束的干涉图案中制作出一个光晶格，它看起来像原子，而不是固体中看起来像电子的晶格：粒子可能被俘获的位置的规则阵列，通过隧穿相互连接。

BEC/光晶格系统相对于真实凝聚态物质系统的最大优势是它们更容易调谐，因此很容易地改变晶格间距、原子间相互作用的强度和晶格中原子的数量密度。

另外，BEC系统也可用来进行量子信息处理。要求量子比特必须处于同一状态，而BEC是由占据相同量子态的宏观原子数组成。有许多小组正在研究如何从BEC开始，以某种方式分离原子，然后操纵它们来进行简单的量子计算操作。

2000年，Deutsch等人提出了利用光晶格中的中性原子进行量子计算的方案，方法是把原子约束在光晶格中。2002年，研究人员做到了每个格子中只有一个原子。通过调节激光可以使原子靠近，发生相互作用，从而完成两量子比特操作。

BEC的另一个重要应用是精密测量。目前，有史以来对旋转、加速度和重力梯度等最敏感指标的探测器均来自原子干涉技术，利用原子的波状特性进行干涉实验，测量这些效应引起的微小位移。BEC系统可以提供一种改进，超越在这类系统中使用热原子束所能做的。

超冷原子量子计算的优势

ColdQuanta是由科罗拉多大学博尔德分校（CU-Boulder）的Dana Anderson和Reiner Kunst教授创立的。

在1995年首次制造玻色-爱因斯坦凝聚态的基础上，Dana Anderson与该校诺贝尔奖获得者Cornell和Weiman以及ColdQuanta联合创始人Theodor Hänsch合作研究冷原子技术，发现其潜力巨大，并于2007年创立了ColdQuanta。

经过十多年发展，ColdQuanta推出了独特的Quantum Core™技术，利用激光将原子冷却到接近绝对零度的深冷温度，会产生玻色-爱因斯坦凝聚态，相当于一团原子云，对这些超冷原子的控制（单独或作为一团云）可以实现从原子计时到量子逻辑的一切。

公司成立的前11年，ColdQuanta还没有一笔融资，但2018年的两项重要研究开始引起资本市场和美国政府的注意，至今累计融资4875万美元，同时获得来自政府合同和拨款的累计研发资金超过3000万美元。

2018年9月20日发表在《物理评论快报》上的一篇论文中，哈佛大学物理学家Mikhail Lukin带领的一个团队通过设计更高质量的激光器，能够在97%的时间内准确地对双铷原子逻辑门进行编程。这使得该方法更接近超导量子比特的性能，其保真度已经达到99%以上。

2018年9月5日发表在《自然》杂志上的一篇论文中，巴黎查尔斯·法布里实验室的Antoine Browaeys和他的同事展示了对72个原子的三维阵列前所未有的控制水平。为了展示他们的控制力，他们甚至把原子排列成埃菲尔铁塔的形状。

他们利用三维空间可以将更多的量子比特压缩到一个小空间中。另一种流行的离子量子比特相对较小，但它们不能如此密集地堆积，因为它们相互排斥。

因为中性原子缺乏电荷，并且不情愿地与其他原子相互作用，它们似乎制造出了很差的量子比特。但是通过使用特殊的定时激光脉冲，物理学家可以激发原子最外层的电子，并将它从原子核中移走，使原子膨胀到其正常大小的几十亿倍。这就是所谓的里德堡态。

物理学家可以利用这种行为来制造纠缠。如果两个相邻的原子被激发成叠加态，那么这两个原子部分处于里德堡态，部分处于基态，测量将使原子坍缩成一个或另一个状态。但是因为只有一个原子可以处于里德堡态，所以原子是纠缠的，一个原子的状态取决于另一个原子的状态。

中性原子一旦纠缠在一起，就具有一些固有的优势。首先原子不需要质量控制，因为它们在定义上是相同的。它们比硅基量子比特小得多，这意味着，理论上更多的量子比特可以装进一个小空间。

该系统在室温下工作，不像超导量子比特需要放在一个巨大的冰箱里。最后，由于中性原子不易相互作用，它们对外界噪音更具免疫力，可以在相对较长的时间内保持量子信息。

ColdQuanta首席科学家以及威斯康星大学麦迪逊分校物理学家Mark Saffman说：“中性原子具有巨大的潜力。从物理角度来看，它们可以提供更容易的可扩展性和最终更好的性能。”

为了实现这种量子计算机，ColdQuanta制造了一种由玻璃制成的真空室，内置一个棋盘式的铯原子阵列，每个铯原子都充当一个独立的量子比特。

ColdQuanta的冷原子Quantum Core™技术使用激光将原子冷却到接近绝对零度，并且能够以可扩展的方式使用单个原子作为量子比特，所有这些都不需要低温制冷设备。

为了将基于Quantum Core™的量子计算技术商业化，2019年3月ColdQuanta宣布任命Bo Ewald为CEO，他曾担任D-Wave公司总裁六年，并且是量子产业联盟的创始成员。在他的带领下，ColdQuanta于2019年8月加入芝加哥量子交易所。

同时，ColdQuanta在威斯康星州的麦迪逊设立分支机构，并向威斯康星大学麦迪逊分校提供赞助，以加速超冷中性原子量子计算机的商业化。该校独特的量子计算机架构，使他们能够快速地将量子比特的数量扩展到商业上可行的规模，具有良好的保真度和高度的互连性。

2020年4月，美国国防高级研究计划局（DARPA）选择ColdQuanta开发一个可扩展的基于冷原子的量子计算硬件和软件平台，可以在现实世界问题上展示量子优势。这项工作由ColdQuanta首席科学家Mark Saffman领导。

2020年11月，ColdQuanta预演了其基于Quantum Core™的量子计算技术，激光和其他光子技术将原子冷却到绝对零度以上百万分之一度，然后初始化量子比特并编排计算，最后拍摄并分析了量子比特阵列的最终状态。这为下一步的商业化做好了准备。

与超导电路、离子阱、光子和其他量子比特相比，ColdQuanta的方法具有显著优势：

1.量子比特都是相同元素的原子，因此完全相同，所以不存在制造缺陷。

2.量子比特被冷却到绝对零度以上百万分之一度，这比其他技术要冷得多。量子效应通常在较冷的温度下运行得更好、更长，从而允许更长和更复杂的计算。

3.二维冷原子阵列的规模从数十个量子比特扩展到数千个，能够进行更大的计算来解决实际问题。DARPA的ONISQ项目已经授予ColdQuanta，该项目要求研发一个能演示运行美国国防部应用程序系统的1000多个量子比特系统。

4.“门”可以使相隔很远的量子比特发生纠缠，允许在同一个量子比特阵列上有更大的逻辑线路。这将允许在单位时间内通过更先进的量子比特连接完成更多的计算工作。

5.先进的真空电池技术消除了对低温的需求。

6.该计算平台是动态可重构的，缩短了开发周期，加快了系统改进速度。

超冷原子技术的其他应用

实际上，除了量子计算，超冷原子技术还有更广泛的应用。ColdQuanta的Quantum Core™是唯一能够被用作广泛的量子系统的基础，这些量子系统跨越计算、全球定位、信号处理和通信。基于这项技术，ColdQuanta制造组件、仪器和交钥匙系统，产品涉及从计时、导航到量子计算、从射频（RF）接收器到量子通信系统的广泛应用。

这项技术也是美国宇航局国际空间站冷原子实验室（CAL）的关键组成部分。

2018年5月24日，美国宇航局将冷原子实验室发射到国际空间站，但这个实验室只有一个小冰箱那么大，内有激光器、真空室和一把电磁刀，能将气体原子的能量消除，使其保持在极低温的状态。

美国宇航局利用冷原子实验室对原子进行超低温冷冻，试图更好地了解重力在最微小尺度上对物质的影响。他们首次在地球轨道上制造出了玻色-爱因斯坦凝聚态。

自1995年以来，科学家已经在地球上进行了数百次BEC实验，但是必须依赖于庞大的制冷设备，而现在科学家在地球上通过远程操作冷原子实验室就可以进行BEC实验，目前五个科学小组正在进行相关研究，包括由Cornell和Ketterle领导的小组。

2019年12月，ColdQuanta最新的Quantum Core™原子系统作为冷原子实验室的下一代核心子系统，搭载SpaceX猎鹰9号抵达国际空间站。

有了与NASA合作的经验，2020年10月ColdQuanta将他们的量子物质系统（quantum matter system）放到了云端，这个系统叫作Albert，以阿尔伯特·爱因斯坦的名字命名。

量子物质指的是数万个铷原子的集合，并冷却到接近绝对零度。这些冷原子位于科罗拉多州博尔德的ColdQuanta实验室内的一个小玻璃容器里。科学家和工程师将激光、磁铁和其他操纵原子的硬件连接到互联网上。有了Albert，用户可以通过生成、操纵和实验超冷物质来探索基本的量子现象，如隧穿和叠加。

 用户可以使用ColdQuanta的web界面远程操纵铷原子

ColdQuanta的Albert在云端提供了一个世界级的、可远程访问的原子、分子、光学（AMO）物理实验室。这将加速对量子物理学和超冷物质的研究、教育和实际理解，这对许多突破性的量子技术的发展至关重要。在早期阶段，Albert接受来自北美和欧洲的100名用户访问。

德国航空航天中心的物理学家Lisa Wörner说：“这对教学来说太棒了，过去你需要用一个量子设备来冷却原子。现在通过互联网就能在课堂上展示原子是如何工作的。”

目前，ColdQuanta基于Quantum Core™技术提供众多量子应用，分为量子应用系统和量子计算两类，其中应用系统包括量子传感器、量子时钟、量子定位系统等。

ColdQuanta美国总部着手研究量子计算机，量子应用系统项目主要由ColdQuanta英国公司负责。ColdQuanta英国公司于2017年在牛津成立，目前只有5人团队，但他们已经获得了英国政府280万英镑的合同，为英国正在进行的三项独立工作提供冷原子量子技术，特别是量子定位系统（QPS）。

实际上从2014年开始，英国国防科学与技术实验室 (DSTL)就在研究一种以超冷原子为基础的加速计，并命名为量子定位系统 (QPS)。

量子定位系统的原理是：激光捕获真空中的原子云，并使其冷却至绝对零度以上不到1度的温度。超低温下，原子会变成一种量子态，这种量子态很容易受外力干扰。这时，用另一束激光来跟踪监测干扰造成的变化，就能计算出外力大小。

英国计划用这种量子系统对潜艇进行导航，因为GPS会在水下失灵，所以潜艇下沉后要用加速计来导航，记录每次扭身、转向，但目前的加速计并不精确。QPS不受水下、建筑物遮挡等环境限制，导航精度比目前GPS最多高出3个数量级，可大幅提升潜艇隐蔽性。

超冷原子技术还可用于研究规范场理论。规范场理论是现代物理学的根基，如描述基本粒子相互作用的量子电动力学、标准模型等都是满足特定群对称性的规范场理论。但是科学家们发现各种规范场方程求解的计算复杂度非常高，对超级计算机的数值计算能力形成了严重的挑战。

于是，人们提出了开发量子模拟器构建晶格规范场模型。上周，中国科大潘建伟、苑震生和他们的合作者开发了71个格点的超冷原子光晶格量子模拟器，对量子电动力学方程施温格模型（Schwinger Model）进行了成功模拟，取得了利用规模化量子计算和量子模拟方法求解复杂物理问题的重要突破。

随着各项研究的顺利开展，超冷原子技术作为“全能选手”，有望带来量子技术新的突破。

-End-

1930年秋，第六届索尔维会议在布鲁塞尔召开。早有准备的爱因斯坦在会上向玻尔提出了他的著名的思想实验——“光子盒”，公众号名称正源于此。