在2023年年初上映的科幻電影《流浪地球2》中，“MOSS”被描繪為擁有極高智能和超強計算能力的最強量子計算機，為人類在面對宇宙中各種危機時提供了強大的支持。而這種驚人的計算能力的靈感，來源于現實世界中的量子計算機技術進展。如此奇妙的想象，不僅為電影增添了科幻元素，也讓人們對未來科技的發展充滿了無限遐想。

《流浪地球2》中的“MOSS”

（圖片來源：電影《流浪地球2》劇照）

然而，在現實世界中，量子計算機的基本運算單元——量子比特，極易受到環境噪聲的干擾，這就極大限制了量子計算機的發展和實際應用。因此，如何尋找合適的物理載體來構造出穩定的量子比特，成了科學家們一直在研究的課題。

傳說中的量子比特到底是什么？

我們在生活中接觸到的大多數電子設備都屬于傳統的經典計算機，而經典計算機的基本運算單元是比特（bit），它只能確定性地表示0態或者1態，從而完成數據的二進制運算。

量子計算機則采用全新的計算方式，其基本的運算單元是量子比特（qubit），它可以同時表示0態和1態的疊加，也就是說，量子比特能夠以一定的概率表示0態，同時以一定的概率表示1態。正是憑借著量子比特的這種奇妙特性，量子計算機能夠對某些特定的問題進行0/1疊加態的并行運算，從而獲得遠超經典計算機的指數級的超強計算能力。

作為量子計算機的基本運算單元，量子比特的內部需要穩定存在兩個能夠區別的能量狀態（能級），從而分別編碼成為0態和1態，并且在外部驅動下實現0態和1態之間的概率性躍遷。但就像上文提到的一樣，量子比特極易受到環境噪聲的影響。

量子計算機是如何工作的

（圖片來源：volkswagenag）

幸運的是，大自然中某些天然的粒子本身就具有十分穩定的物理特性，因此不容易受到外界噪聲的干擾。同時，它們內部通常存在兩個穩定的能量狀態（能級），這就啟發科學家可以將某些天然的粒子進行人為地操縱，從而構造出可以穩定地編碼0/1疊加態的量子比特。

這些天然的粒子通常包括：帶電的離子、不帶電的原子以及單個光子等。它們的共同特點是滿足以上對量子比特的需求。而根據選擇的粒子不同，量子計算機可以具體分為三種類型，即離子阱量子計算（帶電的離子），冷原子量子計算（不帶電的原子）以及光量子計算（單個光子）。

這種利用天然的粒子來構造量子比特的方案也被稱為“天然的二能級系統”，它具有簡單、穩定和容易操縱的特點，因此也是最早被廣泛研究的物理系統。時至今日，天然的二能級系統已經發展成為量子計算賽道上的“第一方面軍”。接下來。我們將會簡單地介紹這支隊伍中的不同成員。

離子阱量子計算——把帶電的離子“關起來”！

在自然界的眾多粒子候選者中，科學家們首先想到的粒子就是帶電離子，這是基于兩個方面的考慮：

首先，離子內部本身就存在可以清晰區別的能級，并且能級結構比較簡單，可以較為容易地構造出量子比特，來編碼0/1的疊加態；其次，離子本身帶有電荷，這樣的話，單個離子就可以在外界的電場-磁場作用下被穩定地囚禁，從而將帶電離子的運動約束在極小的空間范圍內，從而形成一個離子阱。

正是由于帶電離子具有上述的兩點優勢，早在1995年就有科學家提出用帶電離子構造量子比特，來實現真實化的量子計算機。

Innsbruck的物理學家將四個糾纏的離子暴露在嘈雜環境中

（圖片來源：phys.org）

然而，想要能夠人為操縱單個帶電離子并不是一件十分容易的事情，這主要面臨兩個技術上的問題：

其一是，大氣環境中存在大量帶有不同電荷的微粒，暴露在大氣環境中的帶電離子很容易就與帶有相反電荷的微粒發生反應，那么如何能夠穩定地捕獲單個帶電離子，并且使其長時間地穩定囚禁？

其二是，面對平均尺寸只有不到0.02微米，質量只有大約2~3×10的負22次方-22克的單個離子，如何來精細地操縱其內部能級，從而構造出能夠編碼0/1疊加態的離子量子比特。

對于第一個問題，需要將帶電離子隔離在一個具有超高真空度的腔體中，來保護離子不被電中和。一般而言，超高真空度的腔體內部可以達到10的負9次方-9Pa，這大約相當于月球表面的真空度。

為了將帶電離子進一步囚禁在足夠小的空間中，還需要“電場-磁場”的復合作用來完成離子的捕獲。除此之外，實驗上還采用激光冷卻的方式來降低離子的運動速度，從而在超高真空腔得到近乎靜止的帶電離子。

可以達到10的負9次方Pa超高真空度的離子阱系統

（圖片來源：作者提供）

對于第二個問題，為了能夠人為地操縱單個囚禁的離子，科學家們通常將激光光斑的直徑聚焦到大約幾個微米，從而驅動帶電離子的內部能級之間的躍遷。除此之外，實驗上還可以采用微波等方式實現類似的操作。

在1989年，物理學家Paul和Dehmelt正是憑借著“發展了離子囚禁技術”，共同獲得了當年的諾貝爾物理學獎。

三位1989年諾貝爾物理獎獲得者

（圖片來源：sciencedirect）

截至目前，基于囚禁離子的量子計算發展迅速，精度超過了99.9%。除此之外，已經有越來越多的離子阱初創公司投入到擴展囚禁離子數目的研究中，并且實現了對上百個離子的穩定囚禁，以及相關量子計算的演示。

當然，隨著離子數目的不斷增加和更精細的操控需求，離子阱量子計算仍然面臨著結構設計和加工工藝方面的難題，這也是科學家們接下來研究的重點領域之一。

冷原子量子計算——原子：涼了！被“光鑷”抓住了

離子阱量子計算雖然具有能級結構簡單和穩定的特點，然而自身離子數目的可擴展性不足，一直是制約其進一步發展的主要限制因素。于是，科學家們開始將目光投向另外一種天然的粒子身上，希望能夠構造出粒子數目達到上千個并且可不斷擴展的物理系統，而這種天然的粒子就是我們中學學過的原子。

相信大家或多或少都見過原子結構的模型，它可能坐落在中學校門口旁的花壇中，也有可能出現在科學博物館的角落中。這種經典的原子結構模型通常由兩個部分組成，一個是位于中心并且帶有正電的原子核，另外一個部分是核外進行環繞運動的若干個帶負電的電子。因此，原子本身正負電荷平衡，整體并不表現出帶電的特性。

（圖片來源：Veer圖庫）

也正是因為原子本身不帶電，科學家們無法采用與囚禁離子類似的方式，來用“電場-磁場”捕獲原子，這就需要發展另外一種技術來穩定地抓住原子，從而構造出相應的量子比特。

幸運的是，科學家們發現如果將一束激光匯聚到原子表面時，原子在三維方向上都會感受到指向光強度最大點的力，如此一來，原子就會同時被三個方向的力擠壓到激光最強的地方附近。

這種類似于“陷阱”的作用機制就可以將原子束縛在特定的空間中，并且可以隨著匯聚光束的移動而移動，匯聚光束就像鑷子一樣把原子束縛住，因此這種機制也被稱為“光鑷”。

雙量子比特門的概念圖。在該系統中，由光鑷（粉紅色光）捕獲的兩個原子（間隔1μm）被一個僅照射10 ps的超快激光脈沖（藍光）操縱

（圖片來源：Takafumi Tomita/IMS）

通常而言，光鑷中捕獲的原子處于幾乎靜止的狀態，相應的穩定溫度大約只有幾個毫開爾文（mK），因此，利用光鑷技術束縛的中心原子也被稱為“冷原子”。

光鑷

（圖片來源：wikipedia）

值得一提的是，科學家們不僅僅可以利用光鑷技術對中性原子的量子態進行精確地操縱，還可以進一步實現不同原子之間的相互作用，從而構造出一系列高精度的量子門操作。

得益于光鑷技術的靈活性，基于中性原子的冷原子量子計算方案具有十分獨特的優勢：高度的擴展性和靈活的操作性。也正是憑借光鑷技術的發明，Arthur Ashkin等人獲得了2018年的諾貝爾物理學獎。

2018年諾貝爾物理學獎獲得者

（圖片來源：2018年諾貝爾物理學獎官網）

截至目前，光鑷技術已經發展到可以實現任意的光學陣列形狀，從而將不同的中性原子穩定地束縛在任意的區域內，可以實現對超過1000個中性原子的穩定囚禁。除此之外，科學家們也在積極嘗試將原本簡單的二維平面拓展到三維的空間結構，從而進一步提高系統的可擴展性。

然而，光鑷技術也存在一定的局限性，這是由于光鑷產生的束縛力雖然可以穩定地囚禁中性原子，然而這種力仍然十分微弱。在冷原子量子計算的運算最后，需要施加額外的激光來探測中性原子的量子態，這會導致原本光鑷中的中性原子丟失。

這也就意味著，冷原子量子計算在每次運算操作結束后，都需要重新利用光鑷來捕獲新的中性原子，從而增加了技術難度并降低了運算速度。當然，科學家們也在積極探索更加有效的方式，實現對于中性原子的穩定束縛，相信在不久的將來，基于中性原子的量子計算方案將在實際應用中大放異彩。

光量子計算——光子也來湊熱鬧

最后一個登場的天然粒子是光子，這也是大家既熟悉又陌生的一個物理學概念。光子是組成光的基本粒子，它以光束的形式進行運動并且可以穿透一些介質，比如空氣、水和玻璃等。此外，光子本身不帶有任何電荷，因此很難與外界發生相互作用。

也就是說，光子并非我們傳統印象中的物質粒子，而是同時具有粒子性和波動性的一種基本粒子。

光子

（圖片來源：Astronomy）

當光子在空間中傳播時，會以某一固有的振動頻率向前方以光速運動，如果將光子的振動軌跡描繪在一個二維的平面上，就會像我們中學數學學到過的正弦函數一樣，這個二維平面表現的就是光子的某一個偏振狀態。

然而，考慮到光子在三維空間中傳播振動的方向是可以不斷變化的，這就說明光子可以具有不同的偏振狀態。如果我們站在光子運動的正前方觀察，就會發現光子振動的軌跡可能是一條水平的直線（水平偏振），或者一條豎直的直線（豎直偏振），以及一個近乎完美的圓形（圓偏振）等等。

偏振狀態圖

（圖片來源：Wikipedia）

在光量子計算方案中，科學家正是利用光子的偏振狀態”這一奇妙的特性來構造出光量子比特。具體而言，可以將水平方向的偏振狀態編碼為0，而將豎直方向的偏振狀態編碼為1，從而完成單個光量子比特的構造。

而為了實現對光子的偏振狀態進行精確地操縱和測量，實驗上可以使用偏振分束器和波片等光學器件，從而實現對光量子比特的運算操作。

中國科大成功研制113個光子的“九章二號”量子計算原型機

（圖片來源：ustc.edu.cn）

光量子計算方案具有三個比較明顯的優勢：

其一，光子本身基本不與外界環境發生相互作用，因此具有天然的隔離特性，可以在高噪聲環境中不受到干擾；其二，光子能夠以光速進行傳播，并且可以在室溫和大氣環境下工作，具有良好的實驗操作性；其三，光子的傳播可以用光纖等光學器件進一步集成，從而實現系統小型化，并且構造出室溫狀態下小型化的光量子系統。

然而，也正因為光子自身的特殊性，光量子計算系統無法有效地存儲傳輸速度極快的光子，并且微弱的光子也極易在光纖傳輸過程中發生損耗。此外，由于光子之間沒有相互作用，因此在實驗上也較難實現不同光子之間的相互作用和相應的量子門操作。

結語

綜上所述，天然的二能級系統因為其天然的可靠性和穩定性，可以被用以構造量子比特，從而表示0/1的糾纏態。通過控制和讀取這些二能級系統，可以實現不同量子比特之間的相互作用，從而實現量子計算中的算法和操作。

當然，構建大規模量子計算機仍然是一個極具挑戰性的任務，但是天然的二能級系統的使用正在一步一個腳印地推動這一領域的發展。事實上，許多科學家認為天然的二能級系統是構建大規模量子計算機的最有前途的方法之一。因此，天然的二能級系統在量子計算中被廣泛使用，并且也成為量子計算賽道上的“第一方面軍”。

那么，量子計算賽道上的其他選手又會帶來怎樣的精彩表現呢？請允許筆者在這賣個關子，讓我們在下回書中見分曉吧！