量子計算開創性人物：奧地利理論物理學家Peter Zoller

2024-10-26科學

「實作這一目標一直是世界各地許多實驗室在量子模擬領域的‘聖杯’之一。」

Peter Zoller

Peter Zoller（彼得·佐勒） 是一名奧地利理論物理學家，如今正擔任因斯布魯克大學教授。他以在量子光學和量子資訊領域的貢獻而聞名，尤其是在量子計算和量子通訊、量子光學和固態物理的交叉學科的先驅性工作。

作為一名理論家， Peter Zoller 在研究激光與原子相互作用方面也做出了重要貢獻。除了在量子光學基礎方面的貢獻，他還成功地在量子資訊和固態物理學之間搭建了橋梁。他與西班牙物理學家 Juan Ignacio Cirac Sasturain （胡安·伊格納西奧·西拉克·薩斯圖賴因）提出利用離子阱系統實作量子纏結門，使得量子計算從理論走向試驗，並激發了其他量子計算物理平台的發現與發展。此後，量子計算的所有基本元素都在離子阱系統中以高保真度實作。離子阱系統已成為公認的最有可能實作大規模通用量子計算的物理平台之一。

讓我們共同走近這樣一位物理學界偉人的研究，探秘量子的神奇之處。

離子阱技術：量子計算光明圖景

長期以來，量子計算主要技術路線是超導量子位元，但近年來隨著離子阱量子電腦的發明，離子阱被認為是最有前途的技術路線之一。

物理學家在離子阱方面的研究可以追溯到20世紀70年代，當時早期實驗物理學家對於貝爾不等式進行了驗證。John F. Clauser等人對量子物理基礎概念和實驗做出了卓越貢獻，特別是用纏結量子態對貝爾不等式的驗證擴充套件的一系列復雜的實驗，成為量子資訊領域的第一代開創者。

Peter Zoller 與 Ignacio Cirac則是這一領域的第二代研究者。他們二人都是研究量子光學出身，在奧地利因斯布魯克大學相遇。當時因斯布魯克大學有著非常好的研究量子光學的氛圍，在環境的影響與鼓舞下， Peter Zoller 帶領 Ignacio Cirac開展了針對冷原子和囚禁粒子的研究。

而在20世紀90年代，原子物理和量子光學為量子資訊和凝聚態物理的跨學科聯系提供了獨特的實驗與理論環境。1994年，他們二人一同參加了在美國保特舉辦的原子物理國際會議（ICAP）。會議邀請一位來自牛津大學的年輕科學家Artur Ekert進行了以「量子計算」為主題的報告。Artur Ekert在報告中詳細說明了量子計算的原理和優勢，並在報告最後表達了希望有人能解決如何建成一台量子電腦這個問題。

圖源：sr-hhstn.at

如果說發現問題是科學家靈光一現的機敏，那麽解決問題就是科學家日復一日的堅持。 Peter Zoller 和 Ignacio Cirac當即想到他們正在研究的系統是有可能做到的。幾個月後，他們確定了如何用囚禁冷離子實作量子電腦的原理，並在 1994 發表合作完成的一篇文章——【套用冷囚禁離子的量子計算】，其中詳細描述了如何用冷囚禁離子作為操控量子位元的控制非門（NOT Gate）的物理機制。這種系統可以忽略去相干，並且使測量儀器有較高的效率。

1995年，他們在實驗室中實作了該方案，離子阱成為了最早實作的物理體系。不久之後，就有研究小組開始用這種物理機制建造量子電腦的小型原型機。

鑒於兩人在量子計算領域的突出表現與卓越貢獻，他們於 2013年榮獲世界物理學界最高成就獎之一——沃爾夫物理學獎 。

探索量子模擬中的大規模纏結

此外， Peter Zoller 領導的團隊還開發了一種測量多體系統纏結的新工具，這種方法能夠研究以前無法獲得的物理現象，並有助於更好地理解量子材料。

纏結是一種量子現象，在這種現象中，兩個或更多粒子的特性相互關聯，以至於人們無法再為每個粒子指定一個確定的狀態。相反，我們必須同時考慮共享某種狀態的所有粒子：粒子的纏結最終決定了材料的特性。許多粒子的纏結是造成差異的特征。但同時，這也很難確定。

為了描述大型量子系統並從中提取有關現有纏結的資訊，人們曾天真地認為需要進行不可能完成的大量測量。然而， Peter Zoller 團隊已經開發出一種更有效的描述方法，能讓科學家從系統中提取纏結資訊的測量次數大幅減少。

團隊在一個裝有51個粒子的離子阱量子模擬器中，透過逐個粒子再現真實材料，並在受控實驗室環境中對其進行研究。世界上很少有研究小組能像此次他們那樣對如此多的粒子進行必要的控制。

由許多纏結粒子組成的系統的子區域可以被賦予一個溫度曲線。在量子模擬器中，這些溫度曲線是透過電腦和量子系統之間的反饋回路確定的，電腦不斷生成新的曲線，並將其與實驗中的實際測量結果進行比較。科學家獲得的溫度曲線顯示，與環境相互作用強烈的粒子是「熱」粒子，而相互作用較少的粒子是「冷」粒子。

學習制備的基態和加熱量子多體態的纏結結構

「我們開發的方法為研究相關量子物質中的大規模纏結提供了強大的工具。這為利用當今已有的量子模擬器研究一類新的物理現象開啟了大門。」 Peter Zoller 解釋此次實驗，說道，「使用經典電腦，這種模擬已經無法透過合理的努力來計算了；在因斯布魯克開發的方法還將用於在此類平台上測試新理論。」

放眼全球：中國量子計算

作為量子領域界的大師， Peter Zoller 不僅潛心推進本團隊實驗，拓寬研究領域邊緣，更放眼全球優秀成果，為整個物理學界的進步而感到慶賀。

2020年，中國科學家 潘建偉 團隊所構建的「76個光子的量子計算原型機」一經問世，便引起了業界巨大的反響。這台量子計算原型機被命名為「九章」，取自中國古代最早的數學著作【九章算術】，其計算速度直接問鼎全球最快。

「九章」量子電腦

「該實驗無論是在量子系統大小和擴充套件性方面，還是在實際套用前景方面，都把研究水平提升到了一個新的高度。」 Peter Zoller 贊嘆道。

2024年，潘建偉團隊觀測到了分數量子霍爾態獨有的拓撲關聯性質，驗證了該系統的分數霍爾電導。同時，他們透過引入局域勢場的方法，跟蹤了準粒子的產生過程，證實了準粒子的不可壓縮性質。

「這在科學和技術上都是一項傑出的成就」「實作這樣的目標是多年來全球頂級實驗室競爭的量子模擬的聖杯之一」 Peter Zoller 這樣評價。

可見，真正的科學大家並不會因為國家間的競爭而與優秀的同行產生隔閡，你來我往地產出重大成果，共同突破量子物理學的前沿問題，才是整個科學界人心所向。

在11月2日舉辦的 2024未來科學大獎周科學峰會「物理-量子資訊」專場 ，因斯布魯克大學理論物理學教授、奧地利科學院量子光學與量子資訊研究所 (IQOQI) 名譽研究主任、德國科學院院士、2013年沃爾夫物理學獎獲得者、2006年狄拉克獎獲得者 Peter Zoller（彼得‧佐勒） 教授將會帶來【 原子與離子的量子模擬 】的主旨演講，同時還有多位科學大咖共話量子科技前沿突破創新，快快點選下圖掃碼報名參與吧。