目錄

• 1、劉伍明：激光冷卻原子、分子的科學(xué)和技術(shù)

• 2、駱順龍：經(jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)

• 3、郭國(guó)平：量子計(jì)算

• 4、高克林：原子光頻標(biāo)

【精彩發(fā)言】

1、劉伍明：激光冷卻原子、介子的科學(xué)和技術(shù)

我講的題目是《激光冷卻原子、分子的科學(xué)和技術(shù)》，這個(gè)問題源于量子力學(xué)建立之初。20世紀(jì)20年代物理學(xué)體系中引進(jìn)自旋開始，根據(jù)自旋是整數(shù)還是分?jǐn)?shù)就把量子世界一分為二—玻色子和費(fèi)米子。玻色子能夠在極低溫度下凝聚在基態(tài)，形成玻色一愛因斯坦凝聚。每?jī)蓚€(gè)費(fèi)米子結(jié)合可以形成庫拍對(duì)，其物理性質(zhì)類似于玻色子，同樣可以形成玻色一愛因斯坦凝聚。實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)玻色一愛因斯坦凝聚，實(shí)際上就是做一個(gè)低溫的物理過程。通過努力，我們現(xiàn)在可以用物理的辦法把系統(tǒng)降溫到開爾文甚至毫開爾文的量級(jí)。由于波粒二象性的存在(一個(gè)粒子在室溫下表現(xiàn)出粒子特性，而在接近零溫極限時(shí)表現(xiàn)出波動(dòng)性)，現(xiàn)在做的超導(dǎo)、量子點(diǎn)、離子和分子都必須在低溫下進(jìn)行研究。若要把研究的對(duì)象當(dāng)作一個(gè)波來考慮，就必須在低溫下才能做，有的甚至需要降到10-8甚至10-9才能滿足要求，這個(gè)實(shí)現(xiàn)起來是極富有挑戰(zhàn)性的。但是從2001年實(shí)現(xiàn)玻色子凝聚，2004年又實(shí)現(xiàn)了分子凝聚，再到后來我們實(shí)現(xiàn)了超導(dǎo)中自旋上下不匹配的自旋極化超流。科學(xué)研究的步伐從未因?yàn)槔щy而停滯過。

強(qiáng)關(guān)聯(lián)問題，由于其長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)問題和指數(shù)墻問題，從20世紀(jì)一直到現(xiàn)在都是困擾著理論學(xué)和計(jì)算學(xué)的科學(xué)難題。為了解決這個(gè)難題，我們?cè)趦蓚€(gè)方面做了嘗試。首先是利用激光束縛冷原子的方法，實(shí)驗(yàn)上模擬強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系。2009年實(shí)現(xiàn)用兩束光裝載冷原子，人為加人人造的規(guī)范場(chǎng)來模擬強(qiáng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的例子就是在二維電子器件中引人磁場(chǎng)，使得器件中的粒子在電場(chǎng)和磁場(chǎng)的作用下沿著某個(gè)平面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使二維電子器出現(xiàn)一個(gè)個(gè)的能級(jí)。其次的辦法是利用冷分子。分子系統(tǒng)比原子更為復(fù)雜，其除了像原子一樣具有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能以外，更有分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)能量、質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)能等更多更復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而其好處正是由于其內(nèi)部的復(fù)雜性，更容易產(chǎn)生由于長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)作用而出現(xiàn)的新型量子態(tài)。若能解決此系統(tǒng)的量子調(diào)控問題，就有效地解決了強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系的長(zhǎng)程關(guān)聯(lián)問題。中國(guó)很早就在這個(gè)領(lǐng)域開展了研究工作，上海光機(jī)所的王育竹先生、北大的王義遒先生早在1979年和1999年分別在冷分子領(lǐng)域做了深人研究并作出了突出的貢獻(xiàn)。

總而言之，現(xiàn)在大家把激光冷卻原子作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。首先要在這個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上模擬一個(gè)可調(diào)控的量子系統(tǒng)，進(jìn)行一系列復(fù)雜的量子仿真。其次就是和別的領(lǐng)域相結(jié)合，比如與光物理、凝聚態(tài)物理、統(tǒng)計(jì)物理和量子信息等學(xué)科有機(jī)地結(jié)合。再次就是一些潛在的應(yīng)用，這個(gè)應(yīng)用是非常直接的。我們“973”的項(xiàng)目在這項(xiàng)工作中的目標(biāo)就是探索新物態(tài)和實(shí)現(xiàn)量子仿真，一方面發(fā)展一些物理理論，例如把相互作用、無序、規(guī)范場(chǎng)加人后產(chǎn)生新物態(tài)。技術(shù)方面的應(yīng)用就更直接，例如制造原子十涉儀、空間原子鐘（我們的原子鐘能保證10-12的精度，甚至能達(dá)到10-13）、原子陀螺儀等。

全世界范圍內(nèi)大概有200個(gè)左右的實(shí)驗(yàn)組在這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行研究。比較集中的還是在美國(guó)，有60多個(gè)，中國(guó)現(xiàn)在發(fā)展了15個(gè)組從事激光冷卻原子的研究，能做出玻色一愛因斯坦凝聚的有7個(gè)。我們自己在這個(gè)領(lǐng)域也做了十幾年的工作，主要是以下三個(gè)方面的內(nèi)容：第一個(gè)是相十性，第二個(gè)是原子輸運(yùn)，第三個(gè)就是量子仿真和量子相變。

相十性方面，我們最早在2001年就開始做了。在2011年相十性工作獲得了諾貝爾獎(jiǎng)之后，我們做了完整的理論計(jì)算闡述了那個(gè)問題。而后，我們發(fā)展了一套新的技術(shù)—共振技術(shù)。就是通過改變作用在原子上面的磁場(chǎng)來改變?cè)又g的相互作用，進(jìn)而可以產(chǎn)生可以同時(shí)調(diào)節(jié)強(qiáng)度以及頻率的原子激光。后來我們發(fā)現(xiàn)了一些新的量子態(tài)，比如像龍卷風(fēng)一樣的渦旋態(tài)。朗道獲諾貝爾獎(jiǎng)的主要原因之一就是發(fā)現(xiàn)量子化的渦旋，緊接著他的學(xué)生認(rèn)為超導(dǎo)體和一個(gè)超流體的渦旋形狀應(yīng)該是三角格子。而我們的工作是將其推廣和發(fā)展，發(fā)現(xiàn)除了三角格子外，還可以是平方格子。如果是平方格子，這時(shí)的渦旋就應(yīng)該是分?jǐn)?shù)渦旋。我們最近一段時(shí)間的工作是發(fā)現(xiàn)自旋極化超流態(tài)，以及研究所謂的超逆流凝聚態(tài)等。

第二個(gè)方面，我們就是做一些原子輸運(yùn)研究，最初我們做的時(shí)候比較簡(jiǎn)單，2002年的時(shí)候，我們把原子放在一個(gè)光晶格里面，原子在周期勢(shì)阱里面就要滿足布洛赫定理。我們知道，自旋1/2電子在超導(dǎo)和超流里面會(huì)出現(xiàn)約瑟夫森效應(yīng)?，F(xiàn)在我們考慮一個(gè)高自旋體系，比如自旋為1或2，來考慮一個(gè)高自旋的量子隧穿問題。我們發(fā)現(xiàn)，在高自旋體系中如果是鐵磁態(tài)，同樣能發(fā)現(xiàn)阿貝爾的約瑟夫森效應(yīng)，如果體系處于反鐵磁態(tài)，則隧穿效應(yīng)不可逆，我們觀察到了非阿貝爾的約瑟夫森效應(yīng)(該理論計(jì)算出的結(jié)果有待實(shí)驗(yàn)證實(shí))。進(jìn)一步我們還模擬出了光學(xué)腔中的光子約瑟夫森效應(yīng)，通過兩個(gè)相互弱藕合的光學(xué)微腔模擬超流同路，來實(shí)現(xiàn)交流和直流約瑟夫森效應(yīng)的模擬，為研究強(qiáng)藕合原子微腔系統(tǒng)中的多體問題提供新穎的思路。

第三個(gè)方面，我們做量子仿真，在這個(gè)方面就可以“為所欲為”。其一，產(chǎn)生光晶格，通過調(diào)節(jié)對(duì)打激光數(shù)量以及角度可以產(chǎn)生出不同緯度的光晶格。其二，把約瑟夫森效應(yīng)放進(jìn)來，改變?cè)拥南嗷プ饔?。其三，調(diào)整不同的量子態(tài)，不同的組份。其四，可以改變幾何結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在這幾個(gè)實(shí)驗(yàn)都可以做出來，例如三角格子、六角格子、平方格子。我們除了做了這些以外，最近又做了一個(gè)三角Kagome格子，關(guān)于這個(gè)格子，我們發(fā)現(xiàn)一般情況下它就是一個(gè)金屬到絕緣體的變化，在它的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生形變以后，我們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的量子態(tài)—片絕緣體態(tài)和近藤金屬態(tài)，而且我們?cè)谟袡C(jī)化合物中真實(shí)地發(fā)現(xiàn)了該幾何構(gòu)型的存在。

我們剛才講的這些復(fù)雜量子系統(tǒng)的量子仿真和不同量子態(tài)之間的關(guān)聯(lián)基本上都滿足朗道的那一套理論。關(guān)于拓?fù)淞孔酉嘧?，自然界發(fā)現(xiàn)的很少，現(xiàn)在大家公認(rèn)的也就一種。在數(shù)學(xué)方面文小剛把它分了200多種，但是到現(xiàn)在仍沒有一個(gè)體系。怎樣才能應(yīng)用到實(shí)踐?首先我們想到可以在光晶格鐘模擬。目前我們做了實(shí)驗(yàn)，精度很高。這里面大家目前選的這一種原子鐘能級(jí)頻率主要是這個(gè)。下一步就是想精度更高，想到10-17或者10-18的精度。另外就是希望能夠?qū)σ恍?fù)雜的系統(tǒng)，諸如銅基超導(dǎo)體已經(jīng)用了20多年了，卻沒有一個(gè)人能解釋清楚，我們這代人當(dāng)年都往這里邊沖，最后都“犧牲”了。問題就出在這是一個(gè)超導(dǎo)相和反磁鐵相的共存體系，就是一個(gè)材料隨著溫度的降低就會(huì)出現(xiàn)所謂的波散，銅氧化物也會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。這是因?yàn)榇判院统瑢?dǎo)共存，理論上難以計(jì)算，現(xiàn)在我們借助數(shù)字計(jì)算的方法，通過編程以及軟件包開發(fā)的手段逐步對(duì)這樣一類復(fù)雜的系統(tǒng)慢慢進(jìn)行考慮。我們中國(guó)科學(xué)家的研究得到了國(guó)際同行的認(rèn)可，例如我曾應(yīng)邀在2010年第22屆國(guó)際原子物理大會(huì)上作了大會(huì)報(bào)告，這是國(guó)際上規(guī)模最大的原子分子物理大會(huì)，兩年一次，這也是自1949年以來中國(guó)人第一個(gè)在這個(gè)會(huì)議上做報(bào)告。在這次會(huì)議上有6位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者作報(bào)告，大會(huì)規(guī)模雖大，但報(bào)告人數(shù)有限，僅僅有20多人，我也有幸成為其中之一。

總而言之，激光冷卻原子分子科學(xué)技術(shù)是集物理科學(xué)、信息科學(xué)等綜合發(fā)展的科學(xué)，該領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)正蓬勃有序的發(fā)展。我們工作的重心是在以上幾個(gè)方面，并且我們也很想把新技術(shù)、新方法應(yīng)用到高、精、尖科技當(dāng)中，尤其是現(xiàn)代軍事方面。我相信我們研究的技術(shù)成果能為冷原子的發(fā)展、軍事現(xiàn)代化建設(shè)、國(guó)家科學(xué)綜合國(guó)力的提升作出貢獻(xiàn)。

[返回]

2、駱順龍：經(jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)

關(guān)聯(lián)是個(gè)很一般的概念和很復(fù)雜的對(duì)象，有著非常廣泛而又不同的含義，有著異常豐富的結(jié)構(gòu)。但在數(shù)學(xué)和物理上談關(guān)聯(lián)，我們通常有非常具體確切的描述。例如，在概率統(tǒng)計(jì)中，關(guān)聯(lián)通常指協(xié)方差和關(guān)聯(lián)系數(shù)，在通訊的數(shù)學(xué)理論中，關(guān)聯(lián)通常指Shannon互信息，而在量子信息論中，關(guān)聯(lián)通常指von Neumann（量子）互信息。關(guān)聯(lián)的分類、刻畫和量化是非常重要而又基本的課題，也是我們近年來研究的一個(gè)重點(diǎn)。我們?cè)诮?jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)的刻畫和關(guān)系方面做了些工作。

人們通常將量子優(yōu)越性歸結(jié)為糾纏。但是請(qǐng)注意，在EPR態(tài)中，經(jīng)典關(guān)聯(lián)和糾纏都等于邊緣態(tài)(約化態(tài))的嫡，因而是等量大小的，并且糾纏不能獨(dú)立于經(jīng)典關(guān)聯(lián)而存在，因此，很多量子優(yōu)越性可能是經(jīng)典關(guān)聯(lián)與糾纏(甚至更廣泛的量子關(guān)聯(lián))共同作用的結(jié)果，而并不應(yīng)僅僅歸功于糾纏。

現(xiàn)在量子信息論中兩體關(guān)聯(lián)的分類有兩種通常的方案。其一是可分/糾纏，另一個(gè)是經(jīng)典/量子。前一分類方案在近20年里已被廣泛而深人地研究。很多人甚至將糾纏與量子關(guān)聯(lián)等價(jià)起來，只是近年來人們才越來越意識(shí)到糾纏只是一種特殊的量子關(guān)聯(lián)，量子關(guān)聯(lián)的概念比糾纏要廣，特別地，很多可分態(tài)里也有量子關(guān)聯(lián)。這就誘導(dǎo)出關(guān)聯(lián)分類的第二種方案，即經(jīng)典/量子(關(guān)聯(lián))。這個(gè)分類方案是基于量子測(cè)量，與量子不可克隆也有深刻的聯(lián)系。在該方案里，經(jīng)典關(guān)聯(lián)就是通過測(cè)量能提取的信息，而量子測(cè)量通常定義為在測(cè)量過程中被破壞的信息，即全部關(guān)聯(lián)與經(jīng)典關(guān)聯(lián)的差。通俗地說，能通過物理測(cè)量手段讀出來的就是經(jīng)典的，讀不出來的就是量子的。

在用嫡的概念量化關(guān)聯(lián)的框架中，經(jīng)典關(guān)聯(lián)總是小于或者等于邊緣態(tài)的嫡，經(jīng)典關(guān)聯(lián)能獨(dú)立于量子關(guān)聯(lián)而存在，但量子關(guān)聯(lián)不能獨(dú)立于經(jīng)典關(guān)聯(lián)而存在。量子關(guān)聯(lián)的研究還處于初期，還有不少爭(zhēng)議。現(xiàn)階段量子關(guān)聯(lián)的概念主要指量子失協(xié)（quantum discord），是2001年由Zurek和Vedral等引進(jìn)的，到2008年，人們發(fā)現(xiàn)其對(duì)量子計(jì)算可能用，近年來也有些實(shí)驗(yàn)探討量子關(guān)聯(lián)，中科大郭光燦院士組在Nature Communications上有一篇很有影響的開創(chuàng)性論文。2011年我們?cè)贗nternational Journal of Quantum Information編輯了兩期關(guān)于量子關(guān)聯(lián)的專刊。Reviews of Modern Physics不久要發(fā)表Vedral等關(guān)于量子關(guān)聯(lián)的綜述長(zhǎng)文，對(duì)我們的工作有比較系統(tǒng)的論述和引用。相信無論在理論上還是實(shí)驗(yàn)上，經(jīng)典關(guān)聯(lián)與量子關(guān)聯(lián)及其相互關(guān)系在未來會(huì)得到更多研究，并且會(huì)產(chǎn)生更大成果。

[返回]

3、郭國(guó)平：量子計(jì)算

我自己是做量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)研究的，我先簡(jiǎn)單介紹一下量子計(jì)算。通常我們說的量子信息包括了兩大部分，第一是量子信息的傳輸，如量子保密通信;第二是量子信息處理，如量子計(jì)算。但是廣義上來講的量子信息，它實(shí)際上應(yīng)該指信息的量子化，應(yīng)該超過目前為止我們對(duì)量子信息的理解。今天我們講的量子計(jì)算是嚴(yán)格意義上的量子計(jì)算編碼，處理和讀取都是量子化的，但是如果只是當(dāng)中的某一步量子化，我個(gè)人認(rèn)為也應(yīng)該算是廣義的量子信息。

我們知道，量子計(jì)算最早是R. P. Feynman提出的，當(dāng)時(shí)提出并不是考慮它有多快，主要是為了解決計(jì)算過程的發(fā)熱問題，所以提出了一個(gè)可逆的信息處理過程。這個(gè)概念提出來以后很長(zhǎng)一段時(shí)間沒有受到太多的關(guān)注。量子計(jì)算到底有什么優(yōu)勢(shì)?當(dāng)時(shí)對(duì)量子計(jì)算的需要并不是特別迫切，只有有特別的優(yōu)勢(shì)，才會(huì)引起人們的關(guān)注。后來Peter Shor提出量子算法，有了量子算法的量子計(jì)算機(jī)就可以快速地處理大數(shù)因式分解問題，而這個(gè)大數(shù)因式分解問題是目前很多密鑰體系的安全基礎(chǔ)。因此，量子計(jì)算機(jī)就可以比較容易破解這類密碼。這樣一來，量子計(jì)算才引起大家的廣泛關(guān)注。后來印度人Grove提出一個(gè)新的量子搜索算法，可以簡(jiǎn)化信息搜索處理的難度，讓大家看到了量子計(jì)算有更多的優(yōu)勢(shì)，這才會(huì)引起大家的興趣，或者說產(chǎn)生了研究量子計(jì)算機(jī)的迫切性。

經(jīng)典電子計(jì)算機(jī)的操作實(shí)際上就是一個(gè)輸人和一個(gè)輸出，有一個(gè)程序上的操作，這就是經(jīng)典計(jì)算機(jī)最典型的模型。量子計(jì)算實(shí)際上跟經(jīng)典計(jì)算機(jī)模型也沒有太大的出人，經(jīng)典計(jì)算機(jī)也有初始化，這里我們一直說把輸人的狀態(tài)變成一個(gè)初始的量子態(tài)，有一個(gè)初態(tài)制備的過程，所謂量子計(jì)算的核心實(shí)際上就是所謂的么正操作，這之后得到一個(gè)機(jī)器的狀態(tài)，而且是量子的狀態(tài)，然后需要進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)測(cè)量之后，量子的信息轉(zhuǎn)化為我們所熟悉的經(jīng)典值，所以大概過程是從經(jīng)典掩碼到量子，經(jīng)過計(jì)算再測(cè)量，通過測(cè)量返同到經(jīng)典值。

量子計(jì)算是有一些基本條件的，一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)像經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣有一個(gè)基本的要求，最重要的一點(diǎn)就是保持量子相十性，這個(gè)相十時(shí)間最少應(yīng)該高于單次邏輯門操作時(shí)間的104倍。么正操作要封閉以保持長(zhǎng)的相十時(shí)間，測(cè)量、控制要跟外界有相互作用，所以我們必須兩者兼顧，取得一個(gè)平衡，既保持相十性，又能有效操作和讀出。另外，經(jīng)典計(jì)算里面也會(huì)有錯(cuò)碼。量子計(jì)算也有各種各樣的量子糾錯(cuò)碼，做量子計(jì)算機(jī)與經(jīng)典計(jì)算機(jī)一樣有它的標(biāo)準(zhǔn)模型和基本要求，比如找到一個(gè)二能級(jí)體系，要使它能夠在量子計(jì)算輸人函數(shù)時(shí)完成信息的編碼和態(tài)的初始化，這里除了。0和1的相互轉(zhuǎn)動(dòng)，X方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，還要求有一個(gè)。σ z，或者σ r這樣不正交的轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，還要可以完成2比特的門操作。

在這個(gè)之外還有單向的基于測(cè)量的量子技術(shù)以及基于任意子的拓?fù)淞孔佑?jì)算等概念。不過，目前我們連真正的任意值還沒有找到。單向的量子計(jì)算，就是先制備一個(gè)包含幾百個(gè)粒子的狀態(tài)，然后對(duì)其中的一個(gè)粒子進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量結(jié)果，再?zèng)Q定下面的測(cè)量粒子和操作過程，后續(xù)的操作依賴上一步的測(cè)量結(jié)果，最后可能幾百個(gè)粒子做的糾纏態(tài)可以完成幾個(gè)粒子，或者十幾個(gè)粒子量子比特的量子信息處理或量子計(jì)算過程，最后，還有絕熱量子計(jì)算，它始終保持在基態(tài)，現(xiàn)已證明絕熱量子計(jì)算跟標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算摩西是等價(jià)的。

目前，號(hào)稱已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化量子計(jì)算機(jī)的Dave公司發(fā)表了一篇絕熱退火的文章，是關(guān)于8位的一個(gè)絕熱退火的過程，類似于絕熱量的計(jì)算，但也不完全相同。不過，據(jù)公開的信息判斷，Dave公司那個(gè)量子計(jì)算跟我們所說的嚴(yán)格的絕熱量子還是有差別，量子的相十性在他們的運(yùn)算過程中是不被強(qiáng)調(diào)的，個(gè)人認(rèn)為，Dave的量子計(jì)算機(jī)是具有某些量子化特性但不全量子化的信息處理過程。

標(biāo)準(zhǔn)量子計(jì)算機(jī)，如果去掉量子化的部分，跟經(jīng)典的標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)沒有什么區(qū)別，經(jīng)典計(jì)算機(jī)所能做的它都能做。量子計(jì)算機(jī)加人量子之后，對(duì)于處理某些問題，如大數(shù)因式分解等具有一定的優(yōu)勢(shì)，但不是所有問題都有優(yōu)勢(shì)，可能還有一些新的我們還沒有發(fā)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)，但這還需要進(jìn)一步的工作。真正全量子化的量子計(jì)算機(jī)未必能夠在近期做出來，那么近期我們也許可以先實(shí)現(xiàn)量子模擬。量子模擬也是很有意義的，比如要精確求解一個(gè)三體問題很難，現(xiàn)在計(jì)算機(jī)當(dāng)然也可以完成，但是如果五體問題，十體問題，100體的呢，假設(shè)100個(gè)電子相互作用，對(duì)于這樣的問題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)就不好做了。這種情況下，所謂量子模擬，如果我們用100比特模擬它們之間的相互作用，就是某一種物理過程的相互作用，根據(jù)模擬的過程和結(jié)果就可以知道這100個(gè)粒子相互作用一段時(shí)間之后會(huì)變成什么樣子。因此，即使現(xiàn)有量子計(jì)算機(jī)的比特不是那么多，或者在真正的大規(guī)模集成量子計(jì)算機(jī)做出來之前，量子計(jì)算或者量子模擬的研究也是可以解決一些實(shí)際問題的。

標(biāo)準(zhǔn)的量子計(jì)算模型事實(shí)上目前來看還是在摸索的階段，大家也不知道哪個(gè)物理體系特別好，哪個(gè)物理體系一定適合。就像當(dāng)年經(jīng)典計(jì)算機(jī)的電子管還沒有做出來之前的那段狀態(tài)，更不要說到了晶體管這個(gè)階段。目前大家在不同的物理體系上面，或者同一個(gè)物理體系采用不同的方法可以做單比特的門，2比特的但是，如果把各個(gè)技術(shù)放到一起，這個(gè)目前還是很有困難的，可能在某一個(gè)體系，某一種方法做某一個(gè)事情，或某一點(diǎn)上，做得很好，但是把所有的技術(shù)融合在一起，目前還是很有困難的。

我們國(guó)家在量子通信，特別是量子密碼分發(fā)方面研究比較多，但量子計(jì)算方面，總體來看我們沒有像量子通訊那樣具有比較高的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。我個(gè)人選擇半導(dǎo)體體系做量子計(jì)算有幾點(diǎn)考慮。我堅(jiān)信信息的量子化過程不可避免?，F(xiàn)在的CPU或者信息處理都是基于晶體管做的，半導(dǎo)體晶體管集成起來就得到我們所說的芯片，或者說CPU是信息處理的基礎(chǔ)。摩爾定律告訴我們，晶體管越做越小，小到一定的程度，量子效應(yīng)就無可避免，現(xiàn)在半導(dǎo)體芯片技術(shù)繼續(xù)發(fā)展必然會(huì)有一個(gè)量子化的過程，目前我們還在想各種辦法避免和克服這些逐漸顯現(xiàn)的量子效應(yīng)。但越往后發(fā)展，量子效應(yīng)越強(qiáng)，避免和克服這些量子效應(yīng)的出路在哪里呢?我們?yōu)槭裁床环催^來充分利用這些量子效應(yīng)呢?開發(fā)利用這些量子效應(yīng)，這正好與量子信息領(lǐng)域的量子計(jì)算概念不謀而合。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展正好為半導(dǎo)體量子計(jì)算的誕生奠定了良好的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，而且半導(dǎo)體柵型量子點(diǎn)量子計(jì)算的操作是全電學(xué)的，與我們熟悉的經(jīng)典計(jì)算機(jī)運(yùn)作模型類似。

信息的量子化的趨勢(shì)是無可避免的，就看你怎么樣量子化，或者在某一個(gè)時(shí)間到底量子化到什么程度。我們應(yīng)該抱著一個(gè)樂觀開放的心態(tài)來迎接、參與、推動(dòng)信息的量子化過程。

[返回]

4、高克林：原子光頻標(biāo)

我從三個(gè)方面介紹光頻的精密測(cè)量研究。

第一個(gè)就是精密光頻測(cè)量的發(fā)展。我們知道精密譜測(cè)量與科學(xué)的發(fā)展是緊密相關(guān)的。舉一個(gè)例子來說:我們?nèi)祟愓J(rèn)為理解最清楚的就是氫原子，因?yàn)闅湓又挥幸粋€(gè)電子，但是我們開展氫原子光頻的測(cè)量是從1920年開始的，而且到現(xiàn)在還在繼續(xù)。也就是說，我們?yōu)榱肆私庀嚓P(guān)的物理規(guī)律而對(duì)它的測(cè)量精度要求是沒有止境的。精密測(cè)量與物理學(xué)發(fā)展的關(guān)系有:氫原子的精密光譜是量子力學(xué)的奠基石之一;氫原子蘭姆位置和電子反常磁矩的測(cè)量導(dǎo)致量子電動(dòng)力學(xué)和CPT守恒最早和最精密的檢測(cè);原子頻標(biāo)在地面上和火箭上的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，導(dǎo)致了廣義相對(duì)論預(yù)言的重力紅移的證實(shí)。由此可見:精密譜的測(cè)量精度的提高推動(dòng)了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)推動(dòng)了科學(xué)的發(fā)展。

我們知道，目前在所有的可測(cè)物理量中，頻率的測(cè)量是最精準(zhǔn)的。如秒的定義在1967年為133Cs原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間的躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的9,192,631,770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間。這是由于微波的測(cè)量技術(shù)發(fā)展得比較好。現(xiàn)在由于光頻測(cè)量的迅速發(fā)展，大家正考慮未來的秒定義可能是原子光頻躍遷(光鐘)?，F(xiàn)在光頻測(cè)量的精度能達(dá)到多少?光梳的傳輸精度到達(dá)10-19量級(jí)，原子光鐘頻率不確定度是10-18(18位有效數(shù)值)。所以，頻率的測(cè)量是精密測(cè)量的前沿。

近年來，控制原子和激光的技術(shù)有了新的發(fā)展，出現(xiàn)了冷原子和超窄線寬以及飛秒光梳，導(dǎo)致了光頻的精密測(cè)量的飛速發(fā)展。光頻標(biāo)準(zhǔn)的精度超過了我們現(xiàn)在所用的微波標(biāo)準(zhǔn)。正在幫助人們實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的夢(mèng)想。

那么，什么是原子光頻標(biāo)?它由三部分組成:一是非常穩(wěn)定的原子體系，這就是冷原子?，F(xiàn)在用在原子頻標(biāo)的原子有兩種，第一種就是囚禁的單個(gè)離子，第二種就是囚禁在光晶格里的冷原子團(tuán)。二是探測(cè)冷原子光頻躍遷的激發(fā)源—激光器。因原子光頻的線寬往往小于赫茲量級(jí)。所以，激光的線寬應(yīng)小于光頻的線寬。三是如何知道光頻標(biāo)的特性，由于現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)在微波，我們需要一把很精準(zhǔn)的尺子，這就是飛秒光梳。

光頻標(biāo)的發(fā)展以囚禁離子為例(因我從事囚禁離子的工作)。世界上現(xiàn)在已開展的有：Hg,Sr,Yb,Ba,Ca,In,A1。其中精度最高的是A1離子。由于光頻標(biāo)的精度已超過微波頻標(biāo)，大家都在開展光頻標(biāo)的比對(duì)，即兩個(gè)高精度光頻的測(cè)量。除了美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的A1離子，2012年日本用兩個(gè)原子，一個(gè)是一維光晶格中銘- 87原子，一個(gè)是二維光晶格中的銘-88原子。兩個(gè)光頻標(biāo)的比對(duì)測(cè)量精度到達(dá)10-17量級(jí)。

有了如此高精度的原子頻標(biāo)，我們能做什么呢?首先，可能用來定義我們的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。在基本物理方面，在更高精度上檢驗(yàn)物理定律和物理規(guī)律。例如，基本物理常數(shù)是不是不隨時(shí)間變化;相對(duì)論效應(yīng)在更高精度上是否仍然成立。研究在更細(xì)微的物理里面有什么新的效應(yīng)和新的現(xiàn)象，由此導(dǎo)致新的物理。而高精度光鐘在全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)和重力場(chǎng)測(cè)量等中的應(yīng)用，會(huì)推動(dòng)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

說了原子光頻標(biāo)的意義和國(guó)際發(fā)展，我向大家匯報(bào)一下我們小組從事了10多年(確切地說，本人從事囚禁離子工作27年，開展單離子-光頻標(biāo)12年)的囚禁冷卻Ca離子光頻標(biāo)的工作。

首先，我們選擇了Ca離子體系，主要是因?yàn)樗哪芗?jí)比較簡(jiǎn)單，而且所有的能級(jí)躍遷可用固體激光到達(dá)。Ca離子的量子態(tài)的制備和在量子信息和光頻標(biāo)中都有一定的特色。

我們采用非標(biāo)準(zhǔn)的微型射頻(Paul)離子阱囚禁Ca離子。單個(gè)Ca離子的熒光信號(hào)用一般的光電倍增管測(cè)量。需要很好的抑制本底和噪聲，同時(shí)利用量子跳躍的方法。囚禁離子需要對(duì)囚禁場(chǎng)和外場(chǎng)的精密控制和調(diào)節(jié)。光頻標(biāo)中最關(guān)鍵的是對(duì)激光的調(diào)控。對(duì)不同用途的激光我們有不同的要求，如冷卻用的激發(fā)光(397nm)和同泵光(866nm )。因?yàn)槔鋮s原子的激發(fā)態(tài)(P)能級(jí)是兆赫茲( 20MHz )，我們的激光線寬小于千赫茲( kHz)就行。還有激光的漂移的抑制，我們先采用腔和原子的光電流同時(shí)鎖定的方法，滿足了冷卻離子實(shí)驗(yàn)要求，后來采用初穩(wěn)腔和比較腔的穩(wěn)頻方法，滿足光頻的鎖定實(shí)驗(yàn)。而光頻躍遷的線寬為赫茲量級(jí)，這樣對(duì)激發(fā)光(729 nm)是一個(gè)挑戰(zhàn)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)和加工了一個(gè)由超低膨脹系數(shù)材料制備的細(xì)度極高的光學(xué)超穩(wěn)腔，把這個(gè)腔放在真空容器內(nèi)，然后進(jìn)行溫度的精密控制以及振動(dòng)抑制，通過細(xì)致的調(diào)節(jié)，把729nm的激光鎖定在腔的共振峰上。鎖定的激光頻率與離子的光頻躍遷頻率有一點(diǎn)差距，再用一套聲光移頻系統(tǒng)把它調(diào)到光頻上。穩(wěn)定鎖定時(shí)間從最開始的幾秒鐘，然后幾分鐘，再到幾天。你要測(cè)量窄線寬激光，只有通過有同樣精度的激光進(jìn)行比對(duì)測(cè)量。為此，我們建立了半導(dǎo)體穩(wěn)頻的激光，兩者的拍頻測(cè)量結(jié)果為小于10Hz。

建立了囚禁用射頻離子阱和較穩(wěn)定的冷卻用激光系統(tǒng)，我們開展了單個(gè)離子的囚禁冷卻實(shí)驗(yàn)。用電子束轟擊原子束使其電離，產(chǎn)生的離子由一定的電磁場(chǎng)囚禁，掃描激光的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)離子的冷卻。多個(gè)離子采用適當(dāng)?shù)募訜岱绞剑苟嘤嗟碾x子逃離。剩下單個(gè)離子，單離子的信號(hào)非常弱，但可用量子躍遷的方法測(cè)量。經(jīng)過這么多年的努力，我們現(xiàn)在對(duì)離子可以控制得較好，囚禁的單離子可在阱中保存巧天。

如何測(cè)量單個(gè)囚禁和冷卻離子的光頻率呢?我們應(yīng)有一個(gè)基準(zhǔn)，這就是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)值(SI)。我們現(xiàn)在沒有艷原子頻標(biāo)，只有氫原子鐘，而中國(guó)計(jì)量院現(xiàn)在有世界時(shí)，可否利用GPS比對(duì)的方法開展遠(yuǎn)距離的比對(duì)測(cè)量呢?我們嘗試了這種方法。在2011年6月和7月進(jìn)行了兩次分別為15天和17天的測(cè)量，由此給出了對(duì)氫鐘的校準(zhǔn)。而原子的光頻率是應(yīng)考慮物理和環(huán)境對(duì)它的影響的。在目前條件下，我們考慮所有可能的效應(yīng)，主要包括運(yùn)動(dòng)、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度和引力的影響，為此得到了系統(tǒng)誤差表。加上統(tǒng)計(jì)誤差，給出了40 C a離子的光頻躍遷的頻率值，有效數(shù)為巧位。

這對(duì)我們是非常大的挑戰(zhàn)，因?yàn)槟壳皩?duì)于多電子的原子體系，理論上很難計(jì)算得到頻率的準(zhǔn)確值。所以，現(xiàn)在都得靠實(shí)驗(yàn)，而頻標(biāo)是通過比較大家的測(cè)量值取得一致后得到的。國(guó)際上已經(jīng)在2009年推薦了它的頻率測(cè)量值，這個(gè)值是來源于奧地利和日本兩家的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。我們的測(cè)量結(jié)果同這個(gè)推薦值是一致的。2012年我們向國(guó)際計(jì)量委員會(huì)推薦了我們的測(cè)量結(jié)果，最新的消息是我們的推薦值被國(guó)際接受了。經(jīng)過大家的努力，我們建立了一個(gè)光頻標(biāo)，但我們的工作還是初步的。進(jìn)一步的工作是什么?第一，我想還是關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān):最重要的還是激光的穩(wěn)頻問題，這是很有挑戰(zhàn)性的。同時(shí)，激光的問題很多取決于電子學(xué)電路控制精度。第二，誤差分析，需物理思路和對(duì)外場(chǎng)的精確控制能力。第三，譜的精密測(cè)量。

人們?yōu)榱颂接懘笞匀坏囊?guī)律，對(duì)精密的追求是沒有止境的。究竟光頻測(cè)量的極限在哪里呢?能否考慮:把量子態(tài)的控制和我們的精密測(cè)量真正掛鉤，探討激光線寬的極限實(shí)現(xiàn);還有一些更細(xì)微的頻率漂移機(jī)理，能不能找到更合適的原子體系?如何把全球的光頻標(biāo)連接起來，這些都是我們要討論的問題。

我談一點(diǎn)自己的想法。可否建立以光頻作為“秒”的新定義?大家說可能2019年討論秒的新定義，我想也許可能還要早一點(diǎn)。所以，我們應(yīng)更加努力地工作，爭(zhēng)取中國(guó)在時(shí)間/頻率標(biāo)準(zhǔn)方面有一定的話語權(quán)。另外，我們現(xiàn)在應(yīng)建立時(shí)間/頻率傳遞系統(tǒng)。能否考慮單離子光頻標(biāo)和冷原子光頻標(biāo)各自的優(yōu)點(diǎn)和如何借鑒，由此突破原子光頻標(biāo)的極限，并探索一些更細(xì)微的東西?