量子计算开创性人物：奥地利理论物理学家Peter Zoller

2024-10-26科学

「实现这一目标一直是世界各地许多实验室在量子模拟领域的‘圣杯’之一。」

Peter Zoller

Peter Zoller（彼得·佐勒） 是一名奥地利理论物理学家，如今正担任因斯布鲁克大学教授。他以在量子光学和量子信息领域的贡献而闻名，尤其是在量子计算和量子通信、量子光学和固态物理的交叉学科的先驱性工作。

作为一名理论家， Peter Zoller 在研究激光与原子相互作用方面也做出了重要贡献。除了在量子光学基础方面的贡献，他还成功地在量子信息和固态物理学之间搭建了桥梁。他与西班牙物理学家 Juan Ignacio Cirac Sasturain （胡安·伊格纳西奥·西拉克·萨斯图赖因）提出利用离子阱系统实现量子纠缠门，使得量子计算从理论走向试验，并激发了其他量子计算物理平台的发现与发展。此后，量子计算的所有基本元素都在离子阱系统中以高保真度实现。离子阱系统已成为公认的最有可能实现大规模通用量子计算的物理平台之一。

让我们共同走近这样一位物理学界伟人的研究，探秘量子的神奇之处。

离子阱技术：量子计算光明图景

长期以来，量子计算主要技术路线是超导量子比特，但近年来随着离子阱量子计算机的发明，离子阱被认为是最有前途的技术路线之一。

物理学家在离子阱方面的研究可以追溯到20世纪70年代，当时早期实验物理学家对于贝尔不等式进行了验证。John F. Clauser等人对量子物理基础概念和实验做出了卓越贡献，特别是用纠缠量子态对贝尔不等式的验证扩展的一系列复杂的实验，成为量子信息领域的第一代开创者。

Peter Zoller 与 Ignacio Cirac则是这一领域的第二代研究者。他们二人都是研究量子光学出身，在奥地利因斯布鲁克大学相遇。当时因斯布鲁克大学有着非常好的研究量子光学的氛围，在环境的影响与鼓舞下， Peter Zoller 带领 Ignacio Cirac开展了针对冷原子和囚禁粒子的研究。

而在20世纪90年代，原子物理和量子光学为量子信息和凝聚态物理的跨学科联系提供了独特的实验与理论环境。1994年，他们二人一同参加了在美国博尔德举办的原子物理国际会议（ICAP）。会议邀请一位来自牛津大学的年轻科学家Artur Ekert进行了以「量子计算」为主题的报告。Artur Ekert在报告中详细说明了量子计算的原理和优势，并在报告最后表达了希望有人能解决如何建成一台量子计算机这个问题。

图源：sr-hhstn.at

如果说发现问题是科学家灵光一现的机敏，那么解决问题就是科学家日复一日的坚持。 Peter Zoller 和 Ignacio Cirac当即想到他们正在研究的系统是有可能做到的。几个月后，他们确定了如何用囚禁冷离子实现量子计算机的原理，并在 1994 发表合作完成的一篇文章——【应用冷囚禁离子的量子计算】，其中详细描述了如何用冷囚禁离子作为操控量子比特的控制非门（NOT Gate）的物理机制。这种系统可以忽略退相干，并且使测量仪器有较高的效率。

1995年，他们在实验室中实现了该方案，离子阱成为了最早实现的物理体系。不久之后，就有研究小组开始用这种物理机制建造量子计算机的小型原型机。

鉴于两人在量子计算领域的突出表现与卓越贡献，他们于 2013年荣获世界物理学界最高成就奖之一——沃尔夫物理学奖 。

探索量子模拟中的大规模纠缠

此外， Peter Zoller 领导的团队还开发了一种测量多体系统纠缠的新工具，这种方法能够研究以前无法获得的物理现象，并有助于更好地理解量子材料。

纠缠是一种量子现象，在这种现象中，两个或更多粒子的特性相互关联，以至于人们无法再为每个粒子指定一个确定的状态。相反，我们必须同时考虑共享某种状态的所有粒子：粒子的纠缠最终决定了材料的特性。许多粒子的纠缠是造成差异的特征。但同时，这也很难确定。

为了描述大型量子系统并从中提取有关现有纠缠的信息，人们曾天真地认为需要进行不可能完成的大量测量。然而， Peter Zoller 团队已经开发出一种更有效的描述方法，能让科学家从系统中提取纠缠信息的测量次数大幅减少。

团队在一个装有51个粒子的离子阱量子模拟器中，通过逐个粒子再现真实材料，并在受控实验室环境中对其进行研究。世界上很少有研究小组能像此次他们那样对如此多的粒子进行必要的控制。

由许多纠缠粒子组成的系统的子区域可以被赋予一个温度曲线。在量子模拟器中，这些温度曲线是通过计算机和量子系统之间的反馈回路确定的，计算机不断生成新的曲线，并将其与实验中的实际测量结果进行比较。科学家获得的温度曲线显示，与环境相互作用强烈的粒子是「热」粒子，而相互作用较少的粒子是「冷」粒子。

学习制备的基态和加热量子多体态的纠缠结构

「我们开发的方法为研究相关量子物质中的大规模纠缠提供了强大的工具。这为利用当今已有的量子模拟器研究一类新的物理现象打开了大门。」 Peter Zoller 解释此次实验，说道，「使用经典计算机，这种模拟已经无法通过合理的努力来计算了；在因斯布鲁克开发的方法还将用于在此类平台上测试新理论。」

放眼全球：中国量子计算

作为量子领域界的大师， Peter Zoller 不仅潜心推进本团队实验，拓宽研究领域边缘，更放眼全球优秀成果，为整个物理学界的进步而感到庆贺。

2020年，中国科学家 潘建伟 团队所构建的「76个光子的量子计算原型机」一经问世，便引起了业界巨大的反响。这台量子计算原型机被命名为「九章」，取自我国古代最早的数学著作【九章算术】，其计算速度直接问鼎全球最快。

「九章」量子计算机

「该实验无论是在量子系统大小和扩展性方面，还是在实际应用前景方面，都把研究水平提升到了一个新的高度。」 Peter Zoller 赞叹道。

2024年，潘建伟团队观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。

「这在科学和技术上都是一项杰出的成就」「实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一」 Peter Zoller 这样评价。

可见，真正的科学大家并不会因为国家间的竞争而与优秀的同行产生隔阂，你来我往地产出重大成果，共同突破量子物理学的前沿问题，才是整个科学界人心所向。

在11月2日举办的 2024未来科学大奖周科学峰会「物理-量子信息」专场 ，因斯布鲁克大学理论物理学教授、奥地利科学院量子光学与量子信息研究所 (IQOQI) 名誉研究主任、德国科学院院士、2013年沃尔夫物理学奖获得者、2006年狄拉克奖获得者 Peter Zoller（彼得‧佐勒） 教授将会带来【 原子与离子的量子模拟 】的主旨演讲，同时还有多位科学大咖共话量子科技前沿突破创新，快快点击下图扫码报名参与吧。