在原子尺度上编程未来
“当人们谈论量子计算时，常常会想到超导芯片、量子纠错，或者科技巨头之间围绕量子技术展开的竞争。
但在另一条探索路径上，科学家也在尝试利用最基本的物质单元——原子，搭建一个高度可控的量子世界。
”
与许多新兴技术不同，冷原子研究已经经历了数十年的发展。
从早期实现玻色—爱因斯坦凝聚，到如今利用单个原子的量子态进行模拟和计算，冷原子体系正在成为探索量子科学的重要平台。
本期《量子101》邀请了复旦大学物理系助理教授朱子杰，分享他与冷原子的科研经历：为什么选择这一方向？冷原子实验室中的日常是什么样的？一个用于量子模拟的体系，又是如何逐渐发展为量子计算方案？
量子101 · 第三期专访
采访者｜Physhan
受访者｜朱子杰，复旦大学物理系助理教授，研究方向为超冷原子与量子信息
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—— 01 ——
始于兴趣，顺应契机：在冷原子领域择路前行
朱子杰与物理的缘分，始于高中阶段的物理竞赛。
在竞赛训练过程中，他逐渐建立起对物理问题的兴趣，并最终进入北京大学物理学院学习。
大学阶段，他开始接触更加系统的物理理论，也第一次真正面对科研问题。
相比高中阶段有明确答案的物理题，科研中的问题往往没有标准路径。
本科期间，他接触到了超冷原子玻色—爱因斯坦凝聚相关研究，这成为他进入冷原子领域的重要契机。
后来，他选择前往瑞士苏黎世联邦理工（ETH Zürich）继续深造，并在博士阶段开展超冷原子与量子信息方向研究。
冷原子
回顾自己的科研选择，他认为其中既有兴趣，也有环境和机遇的影响。
“有时候也不完全是一个纯主观的决定，也是有一定的随势而为。
”
在ETH期间，他接触到更加丰富的量子研究方向，也逐渐明确了自己希望探索的问题。
—— 02 ——
为什么要让原子“冷下来”
对于没有接触过物理的人来说，“冷原子”这个名字可能令人疑惑，原子为什么需要被冷却？
这里的“冷”，并不是指原子的温度像冰块一样降低，而是指原子的运动速度被降低。
在宏观世界中，温度反映的是微观粒子的运动状态。
温度越高，粒子运动越剧烈；温度越低，粒子的运动越缓慢。
根据量子力学，粒子同时具有波动性。
当原子运动速度降低时，其物质波波长增加，不同原子之间的量子波函数更容易发生重叠，从而进入量子简并状态。
而当原子的运动速度降低到极低程度时，量子效应开始显著表现出来。
冷原子实验室—激光冷却与俘获原子示意图
朱子杰介绍，原则上来说，很多原子都可以被冷却，但真正用于实验研究时，并不是简单选择任意一种原子，而需要综合考虑多个因素。
首先，原子需要具有合适的能级结构。
激光冷却依赖于原子的能级跃迁，需要使用与原子主要跃迁频率相匹配的激光。
现实中，激光器的发展也限制了选择范围，并不是任何一个波长，都可以做出好的激光器。
某些波长的激光器制造困难、成本高，因此科学家通常会优先选择那些既有合适跃迁，又容易获得稳定激光控制的原子。
这也是为什么早期冷原子研究集中在铷、钠等碱金属原子上。
它们拥有较简单的电子结构，同时具有适合激光冷却的跃迁。
—— 03 ——
冷却原子，探索量子边界
不同原子具有不同的能级结构和相互作用特性，这决定了它们适合研究的问题。
在冷原子实验中，科学家不仅需要将原子冷却下来，还需要进一步将其降至量子简并区域，使原子的波函数发生显著重叠，量子效应成为主导。
所谓量子简并，是指原子的波函数尺度与原子之间的平均距离达到相近程度，此时不同原子的波函数发生明显重叠，量子统计效应开始主导系统行为。
对于玻色子而言，进入量子简并意味着可能形成玻色—爱因斯坦凝聚态。
实现这一过程的重要方法之一是蒸发冷却。
朱子杰用一个形象的比喻解释：蒸发冷却类似于烧水过程中水蒸气带走热量。
原子系统中，运动最快、能量最高的一部分原子会被主动移除，剩余原子重新达到热平衡，整体温度不断降低。
蒸发制冷的示意图：将高能的粒子吹走，以达到最后冷却的效果
但蒸发冷却依赖原子之间的相互作用。
不同原子的相互作用强度不同，因此并不是所有原子都适合采用同样的方法。
例如，40K费米子由于受到泡利不相容原理限制，同类原子之间缺少有效碰撞，难以依靠自身完成热平衡。
因此，实验中通常需要引入铷等其他原子作为“冷却媒介”，帮助钾原子进一步降温。
朱子杰解释，这类似于：“钾泡在一个冷水浴里面，它也冷下来。
”比如利用铷原子的冷却过程，通过两种原子之间的相互作用帮助钾原子进一步降温。
随着冷原子技术发展，碱土金属原子（如锶、镱）也逐渐成为重要研究对象。
它们具有宽、窄线宽两类跃迁：宽线宽跃迁适合快速初级冷却，窄线宽跃迁则能够实现更加精细的低温控制。
正是由于不同原子具有独特性质，科学家可以根据研究目标选择合适体系，不仅探索量子模拟问题，也推动原子钟等精密测量技术的发展。
—— 04 ——
冷原子实验室里的日常：调试和理解一个量子系统
冷原子实验听起来充满未来感，但实验室里的科研工作，很多时候并不是直接“运行一次实验得到答案”，更多时候，研究人员需要不断调试和理解自己的系统。
由于原子尺度极小，科学家无法像操控宏观物体一样直接“抓住”一个原子。
在实验中，原子的冷却、捕获、移动以及量子态控制，都依赖精确调控的激光。
实验台上通常摆放着大量光学元件，包括镜子、透镜、声光调制器等设备。
研究人员需要调整这些元件的位置和角度，让激光能够以正确的波长、频率、强度和时间顺序作用于原子。
caption：ETH 量子光学实验室
由于实验环境中的温度、湿度变化，甚至机械结构的轻微漂移，光路状态都会随着时间发生变化。
即使实验系统已经运行成熟，研究人员每天仍然需要检查和重新校准关键光路。
当实验结果出现异常时，研究人员需要判断：是激光频率发生漂移？是原子数量变化？还是程序中的某个参数设置出现问题？这些排查过程往往需要大量经验积累。
正如朱子杰所说：“实验里面很多时候不是做一个实验，而是在不断理解你的系统。
”
冷原子实验通常不是一次性完成，而是在不断重复的实验循环中获得数据。
一个完整实验周期通常包括：制备一团超冷原子；随后对这些原子施加特定的实验操作，例如加载到光晶格中、利用光镊移动原子，或者执行量子门操作；通过探测系统读取实验结果；最后，由于一次实验中的原子状态已经被测量破坏，需要重新制备下一团原子，开始新的循环。
科研人员需要通过大量重复实验，从统计数据中寻找可靠规律。
因此，冷原子实验不仅要求物理设计准确，也要求整个实验系统具有高度自动化能力。
实验人员并不是每一次都手动操作设备，而是通过软硬件结合，让整个实验按照预先设计的流程自动运行。
—— 05 ——
用光创造晶格，让原子模拟电子世界
冷原子的重要应用之一，是量子模拟。
现实中的电子体系，例如复杂材料中的电子运动，受到大量相互作用影响，直接研究非常困难。
于是科学家提出：能否创造一个人工体系，让原子去模拟电子的行为？
这就是光晶格的意义。
光晶格是利用激光形成周期性排列的势阱结构，当两束激光形成稳定干涉时，会产生类似晶格的空间周期结构，原子可以被限制在这些位置中，就像是电子位于固体晶格里。
在光晶格中，原子就像人工材料中的电子一样，可以表现出相互作用、拓扑性质、强关联效应等。
光晶格
通过改变激光参数，研究人员可以调节这个“人工世界”的性质。
这使冷原子成为研究复杂量子体系的重要工具。
用光晶格中的超冷原子，去理解真实固体材料中电子的行为。
高温超导材料，拓扑材料，光晶格是有能力去实现多种多样的晶格的构型。
—— 06 ——
一次实验中的意外发现，把拓扑输运拓展到量子计算
量子纠缠是量子计算的重要资源之一，如果两个原子形成纠缠状态，它们之间会保持特殊的量子关联。
纠缠的两个粒子
最初团队想对纠缠原子态的分离，然后研究它的性质。
但分离之后，他们发现了一个非常奇怪的信号。
面对这个结果，团队需要判断：到底是纠缠消失了，还是实验控制存在问题？
在不断分析过程中，他们发现这是系统中存在量子门操作的迹象，进而找到了一个新型的量子门。
而这一机制的发现，也得益于朱子杰本科时对交换相互作用的研究积累，他才会很快意识到这个奇怪信号中的自旋交换相互作用。
这也是科研中非常有趣的过程：一个方向的发展，并不总是来自预先设计好的路线，而是在实验、分析和理解中不断形成新的可能。
—— 07——
不同路径的量子计算：冷原子与里德堡原子阵列
在量子计算中，最基本的信息单元是量子比特。
与经典计算中的0和1不同，量子比特可以利用量子态进行编码，并通过叠加和纠缠实现新的计算方式。
对于冷原子体系而言，每一个原子都可以成为一个量子比特。
科学家可以利用激光精确控制原子的内部状态，例如两个不同能级分别对应量子比特的0和1；同时，通过光镊、光晶格等工具，可以控制原子的位置和运动，使多个原子之间产生相互作用。
其中，量子纠缠和量子门操作是实现量子计算的关键。
近年来，中性原子量子计算成为重要方向，其中里德堡原子阵列受到广泛关注。
和冷原子对比，二者都利用真实原子作为量子比特，并通过激光实现精确控制，但研究重点有所不同。
里德堡原子阵列通常利用光镊排列单个原子，并通过激发里德堡态增强原子间相互作用，实现快速量子门操作。
里德堡原子阵列高相干性操控及高精度测量示意图（图源：华科李霖课题组）
而朱子杰团队关注的是另一种可能：利用光晶格、原子的轨道自由度以及拓扑性质，实现更加丰富的量子操控。
也就是说，冷原子量子计算不仅关注“如何存储一个量子比特”，还探索“如何利用原子的更多自由度扩展计算能力”。
—— 08 ——
冷拓扑保护让量子操作更加稳定
冷原子实验系统虽然精密，但也不可避免地受到环境影响。
温度变化、激光漂移、设备噪声，都可能影响实验结果。
朱子杰团队研究的重要特点之一，就是利用拓扑性质实现对量子门操作的保护。
这也是拓扑物理受到关注的重要原因。
拓扑保护的意义在于，系统的某些性质并不依赖于每一个实验参数的精确数值，而是由整体结构决定。
即使存在一定程度的外界扰动，实验信号仍然能够保持稳定。
超导材料中的马约拉纳零能模 (Majorana zero mode)
这里的保护，并不是说整个量子比特完全不会受到影响，而是说某些操作结果受到拓扑性质约束。
例如，在他们讨论的体系中，相位只能取0或者π。
如果受到小扰动，系统不会连续变化到其他值。
因此，这种门操作具有一定鲁棒性。
—— 09 ——
从量子模拟到量子计算，探索量子的更多可能
“量子的未来可能不一定是一个方向的胜出，可能会有很多不同方向的发展，在未来有这种交叉。
”
朱子杰认为，不同量子计算路线都有自己的优势。
超导、离子阱、冷原子、光量子等体系，都可能在不同问题中发挥作用。
对于冷原子体系而言，它的价值也正在从量子模拟逐渐拓展到量子计算。
过去，科学家利用冷原子模拟复杂电子体系、强关联系统等难以直接研究的问题；而随着对单个原子操控能力的提升，冷原子平台也开始具备实现量子门和量子计算的能力。
朱子杰介绍，自己的研究经历正是经历了这样一个转变：“我自己之前的研究工作，其实是把一个量子模拟的平台逐渐带向了量子计算。
”
未来，冷原子体系的潜力不仅在于拥有更多量子比特，更在于利用原子丰富的自由度探索新的计算方式。
例如，除了控制原子的内部状态，还可以进一步操控原子的外部轨道自由度，从而拓展量子计算的可能性。
当然，真正实现有实际价值的量子计算，仍需要解决规模化、误差控制和算法发展等挑战。
在朱子杰看来，量子计算的意义不仅是提高计算速度，更重要的是帮助人类解决经典计算难以处理的科学问题，例如量子化学、材料模拟和复杂多体系统研究。
从这个角度看，冷原子既是探索量子规律的实验平台，也可能成为未来量子计算的重要工具。
冷原子研究看似是在操控微小的原子，实际上是在探索未来信息技术的基础。
当一个个原子能够被冷却、排列、移动、纠缠，并按照人类设计的方式运行时，人类正在逐渐获得一种前所未有的能力：在原子尺度上编程未来。
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