中国的量子计算，期望10年内达到全世界计算能力总和的100万倍

我们都知道，现在的量子通信是比较火的，譬如我们国家的量子卫星在之前已经运转到了酒泉准备发射了。

但是虎哥今天想带给大家一个冷冷的，酷酷的东西，它叫做冷原子。

那冷原子是什么呢？听虎哥给大家慢慢讲来。

根据大家目前所了解的看来，目前最为冷的液体应该也就是液氦了吧，大约有4K左右，与太阳表面也就差了三个等级。而今天所要讲的却是在液氦的一万倍以下，也就是在10 -4K以下开始。

在当这个温度开始下降的时候，此时便不能够再将它考虑成为一个粒子了，而是应当考虑它的一个波动的性质了，在继续冷下去，便能够冷到科学界的一个里程碑——玻色·爱因斯坦凝聚。

当它随着院子运动的速度变得越来越慢的时候，便会开始变冷，然后表现出它的一个波动的性质，再形象一点来说，就是这个原子会慢慢的变胖，当它本身的波长和它的距离可以比拟的时候，就变成了你中有我，我中有你，所有的就会原子变成一个量子态。

但是呢，此时在另外的一个领域，处于凝聚态系统里面，大家在为理解电子的运动而犯愁的。电子运动本身很简单，它一共有几种运动，电子在格点上可以转，在旁边有空的格点它是可以从这边移到那边去的，相互之间也是可以交换。

在这里有一个最典型的或者说最美最妙的模型便是Hubbard模型，Hubbard大概在1963年提出来，这么简单的方程式就描述了刚刚非常简单的运动。但是问题在哪？问题在这么简单的一个模型，这么美的一个方程式，它是解不出来。

首先我们需要它解析是没有的，但是为了要解数值解，他所需要的计算资源跟粒子数是呈指数增长具体来讲，我们现在的超算第一名，已经超过了天河二号的（神威）太湖之光，它所能处理的也就大概45个电子的运动，我们每个人都有的智能手机，它大概能处理25个，也就比神威少了20个。

如果我们想要模拟300个电子运动，它所需要的存储空间就是2 300，这个数字已经超过了目前我们已知宇宙的原子数总和。而我们知道，我们真的想要研究电子运动，实际上你要考虑的是成千上万可能几十亿个非常多的远不止这个数字的。

对于这个问题，费曼就提出来说，这个自然界它不是经典的，如果你想要模拟这个自然界实在是太难了，那你最好把这个计算机给量子化，他提出了量子计算与量子模拟的概念。

怎么个意思呢？也就是相当于用一个可以控制的量子体系，然后在这个体系里面用院子体系去模拟电子体系。

为什么要用冷原子？当原子进入到玻色·爱因斯坦凝聚之后，它每个原子都一样了，在这个情况下才能够使得原子它在格点上的行为能够跟电子一模一样。所以就是说它可以利用原子做一个最简的可控模型，使计算能力得到重大的突破，当我们能够操纵比如说50个原子的时候，现在就已经能超越神威太湖之光的计算能力了。

费曼相当于提出了一个当时对玻色·爱因斯坦凝聚非常好的应用吧。不管怎么样，玻色爱因斯坦凝聚本身就是一个大家追求的里程碑式的一个圣杯。在这条道路上，大家一直在努力着，但是几十年过去之后，实验上一直没有太多的进展，一直到80年代才开始有了突破。

当我们有了激光之后，人们开始提出一种用激光来冷却原子的方式。什么意思呢？不知道各位在火车站接人的时候有没有感受到过，当火车开过来和离开的时候你听到的声音不一样，这个就是叫多普勒效应，跟你迎面而来的频率和跟你离开而走的频率不一样。

那么，我调节这个光和调节这个原子，使得光只会对迎面而来的原子起作用，后面来的光就直接穿过去，不会挡它了。这样的话我如果在每个方向都打光，这个原子往这个方向跑，那么光就像划一个如来神掌：你给我滚回去，就把它给冷下来了。

蒸发冷却就像我们喝咖啡、喝水的时候，我们就吹一吹让水蒸气跑掉，它慢慢就冷下来了。我们在原子里面怎么弄？大概10μK原子它始终会有个速度分布，有些热的，有些是冷的，热的始终在边缘处，比较容易逃逸，冷的在下面，我想个办法这个碗慢慢放小了，放小使得热原子容易逃逸的那部分就跑了，跑了之后剩下的原子温度会重新分布，分布下来，它就慢慢的冷下来了。

现在讲起来最能直接应用的应用就是说目前现在这个高温超导，我们希望通过用冷原子来理解高温超导机制，反过来再建议怎么调整能够实现比如说室温下超导。如果真的能够实现室温下超导的话，那么像上海的磁悬浮也不用亏本运营了。上海到北京或许只要半个小时就可以到了。

在这里提出一个展望，相信在未来五年内就能够实现50个粒子的量子计算，可以对特定的问题进行模拟，然后在十年内就能实现操纵100个粒子的量子计算机。