整体思维怎么“整”？量子计算有妙用

整体思维怎么“整”？量子计算有妙用

墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。

量子计算有个难题：不论你把量子计算机放在多“安静”的地方，它周围的环境还是很容易干扰量子计算，导致运算出错。

想想看，物理学家常常让1个粒子携带1个量子比特，而我们周围的环境里动不动就是有10²³个粒子，随便让其中一个粒子撞一下，量子计算可能就出错了。就算将粒子周围的环境抽成真空，再降低到绝对零度附近，环境里还是会有大量的粒子，它们想要干扰1个粒子的运动还是太容易了。于是，量子比特只要稍微受到一点儿干扰，整个运算就会出错了。

拓扑学家有办法，“整体思维”来一发。拓扑学是一门数学分支，特别讲究“整体思维”。很多不了解科学的人喜欢说，现代科学只有分析思维，比不上传统智慧中的整体思维。其实，科学之中也有“整体思维”，拓扑学就是其中的一个代表。比方说，这里有一个面包圈，还有一个咖啡杯。你说它们两个长得一样不一样？

拓扑学家证明（动图）：咖啡杯=甜甜圈。

拓扑学家根本不关心一个东西的形状到底是方的还是圆的，是软的还是硬的，是粗糙的还是光滑的。他们总是关心一件事，这个东西上面到底有几个洞。那么，拓扑学为什么能让量子计算不怕算错呢？我们打个比方就明白啦。如果让拓扑学家用一堆字符编码信息，他就会把像“。o0OQqdD”这样的中间有一个洞的字符，全部表示比特0；把像“iltywscxnm”这样的一个洞也没有的字符，全部表示比特1。

这个时候，就算找一个不认识字母的人来抄写字母，把所有的字母形状全部抄错了，只要整体上没有错，把有洞的抄成有洞的，没洞的抄成没洞的，整段拓扑学家编码的信息就不会真正出错。

把拓扑学这样的整体思维应用到量子计算中，就是传说中不怕干扰，还能实现量子纠错功能的：中国科学家用超冷铷原子部分地模拟拓扑量子计算。

2017年，中国科学技术大学的潘建伟教授及其同事苑震生、陈宇翱等，在极低的温度下，首次通过量子调控的方法，让800个铷原子4个4个纠缠在了一起，让它们直接产生了四体相互作用，部分地模拟了Kitaev的甜甜圈模型。直接的四体相互作用所谓拓扑量子计算，就是要靠这铷原子的整体量子状态做计算。

根据Kitaev的计算，铷原子间产生这种特殊的“四体相互作用”，如果不只存在邻近的一桌原子之间，而是数量非常庞大（这要期待将来的实验实现），遍布甜甜圈表面阵列中所有相邻的4个原子之间，它们的整体状态就会非常稳定，根本不怕一般的干扰。于是，用这种方法实现的拓扑量子计算，很难随随便便产生错误。

这将会解决量子计算的难题：怕干扰。

直接的四体相互作用遍布甜甜圈表面阵列中所有邻近的原子间画面中的空隙处也应该填满麻将桌，但该画面未能表现。在拓扑量子计算中，Kitaev还提出，当4个粒子产生四体相互作用时，它们的整体运动状态就可以描述成一种新型的虚拟粒子。这种虚拟粒子就像海浪一样，是多个粒子一起协同运动时的整体效果。它看起来像一个粒子，但又不是真实存在的粒子，所以，物理学家管它叫准粒子。

每个粒子都在原地运动其整体效果像是掀起了向前传播的海浪。所以，海浪可以比作一种“准粒子”。而且，这种准粒子可不是一般的准粒子，它们还有一种不正常的统计特性。为了搞清楚什么叫不正常，让我们先看一下什么叫正常：如果一个正常的粒子，绕着另一个正常的粒子转一圈，整个系统不会发生任何变化。

但同样的事情遇上这种不正常的准粒子，就变得麻烦N倍：一个不正常的粒子，必须绕着另外一个不正常的粒子转N圈，整个系统才会回到最初的模样。这就好比把一个正常的粒子的统计特性平均分成了N份，不正常的粒子转N圈，才相当于正常的粒子转一圈。实际上，这个N既可以等于2，3，4，5等整数，也可以等于-1.42857，3.1415926，6.02×10²³等任意实数。所以，这样的粒子叫作任意子。

在Kitaev模型提出20年后，中国物理学家终于在这次的超冷铷原子实验中，第一次观察到了他预言的任意子的统计现象（这次实验中的N=2），给出了这种准粒子统计特性的最直接的实验证明，为研究这种准粒子的拓扑性质提供了新的实验平台和手段。这次实验的论文发表在了《自然•物理学》杂志上。Kitaev理论还有很多有待实现的设想。比如，在他的甜甜圈模型里，任意子可以用来进行“量子纠错”。

也就是说，就算拓扑量子计算机算到一半儿出错了，也没有关系，最后我们还能纠正过来。于是，物理学家还需要进一步完善实验方案，才能在将来完整地实现的全部设想（详情见结尾的注释），最终让拓扑量子计算变成现实。