这是Sheldon的第137篇漫画，所有图片大约 2.5 MB。

鲁迅曾经说过，把全宇宙的原子都用来造计算机，也模拟不了100个原子的量子行为。

等会儿，你有没有觉得哪里不对劲？为什么必须先把原子造成计算机，然后再用计算机模拟原子呢？这不是穿雨衣撑伞，沙漠里卖除湿机，吃咸菜蘸酱油——多此一举吗？

你可能会问，为什么不直接用原子来模拟原子呢？这样一来，100个原子不就能模拟100个原子了呢？

哎呀，你真是个聪明蛋儿，跟物理学家想到一块儿去了。

许多物理学家就是千方百计要把原子按在一个地方，让它们都乖乖的听话，模拟各种多粒子体系的量子现象。这就是咱们今天要讲的基于超冷原子气的量子模拟。

（一）激光牢笼和绝对零度

在大自然中，许多原子都是到处乱跑的。

要想让原子们乖乖听话，必须得上点儿手段。比如，物理学家会用激光做一个牢笼，把它们关起来。

如果再在垂直方向加一束激光，就会形成一组二维的牢笼阵列。

这样一来，原子就可以像超市里的盒装鸡蛋一样，整整齐齐地排在一起了。

只不过，单靠激光还不够，因为在常温下，原子的平均能量非常高。它们可以轻松摆脱激光的束缚，瞬间走个精光。

所以，物理学家还得使出第二个手段：把温度降低到绝对零度附近。

最近20年，物理学家早已把激光和冷却技术练得炉火纯青，使得量子模拟的实验方案越来越丰富。可是，这些方案大多只能模拟相对简单的量子行为，而且保真度（保证运算正确的程度）都不够理想。

所以，很多需要解决的复杂问题，量子模拟一时半会儿还模拟不了。

这到底是怎么回事呢？

（二）晶格缺陷和热力学熵

在制造计算机芯片时，硅晶片的纯度必须特别高，比如我们平时常说的6个9（纯度99.9999%）。这是因为，如果混上一点儿不该有的杂质，硅原子的排列成的晶格就会产生大量缺陷，导致芯片的性能就会大幅下降。

量子模拟的情况跟它有点儿类似。虽然激光也上了，温度也降了，原子也乖得有模有样了，但是其中还是有一个不完美的地方，那就是存在晶格缺陷。

有了晶格缺陷以后，量子模拟系统就像有缺陷的计算机芯片，错误率会大大提升。所以，物理学家必须设法找到产生缺陷的原因，然后设法解决这个问题。

原因物理学家早就找到了，是因为原子组成的晶格之中存在一个捣蛋鬼：

热力学熵

看到“熵”这个字你可千万别紧张。孔子曾经说过，“不患寡而患不均。”这里说的“不均”，就可以理解为熵在某种情况下的表现。

不严格地说，在冷却即将完成时，如果大部分原子的能量都一样低，只有个别原子的能量较高，整个系统的热力学熵就很低。

相反，如果许多原子的能量已经很低了，但还有许多原子具有较高的能量，整个系统的热力学熵就会比较高。此时，这些能量较高的原子就会跳出激光的牢笼，留下空荡荡的缺陷。

所以，在降温的过程中，原子晶格的温度有多低已经不是问题，把熵降低才是关键。

那么，如何才能降低原子晶格中的熵呢？

（三）一种新型的低熵冷却技术

2020年，中国科学技术大学的潘建伟及其同事苑震生、杨兵（海德堡大学博士后）、戴汉宁、邓友金等，开发并实验实现了一种新型冷却技术，极大地降低了超冷原子晶格中的热力学熵。他们的实验论文以“First Release”形式发表在了《科学》杂志上。

在实验中，他们将1万个铷-87原子冷却到了绝对零度附近，而每个原子携带的热力学熵却低得创造了世界纪录，只有0.0019 k_B，比之前的方法降低了65倍。

那么，他们是怎样把熵降得如此之低的呢？

这个实验的思路的脑洞非常大，请你听仔细了。

其实，在2017年时，物理学家就已经在尝试降低超冷原子的熵了。当时，他们尝试使用一种叫“超流体”的物质形态，来吸收其中的熵。

虽然超流体能够大量吸收熵，但效果并不理想。这是因为，超流体和原子晶格的接触面是有限的，它只能迅速带走接触面附近的熵。在原子晶格的内部，还是有很多熵没有办法带走。

看来，扩大超流体和原子晶格的接触面，才是解决热力学熵问题的关键。

那么，谁和原子晶格的接触面最大呢？就是原子晶格自己呀！

俗话说的话，人啊，最大的敌人就是自己。如果有谁能够克服自己的所有缺陷，那他离完美就不远了。

于是，潘建伟团队的物理学家脑洞大开，想到了一种让超冷原子自己克服自己缺陷，“自己带走自己的熵”的冷却方法。

（四）如何让原子晶格

“自己带走自己的熵”

为了理解“自己带走自己的熵”，让我们先来看一组科学原理。

还记得超市里的鸡蛋吗？在实验中，激光的作用就像鸡蛋的包装盒。两束激光制造了一个一个的陷坑（即势阱），把铷-87原子关了进去，让后者形成整齐的“晶格”。

其实，激光的强度是可以调节的。面对同样一堆铷-87原子，如果激光强度调大，它们就处于一种被关禁闭的状态。这就是有待冷却的原子晶格。

然而，如果把激光强度稍稍调小，根据量子力学原理，铷-87原子就有可能进入一种特殊的量子状态，也就是“超流体”的状态。

按理说，实验团队应该使用两束激光做牢笼，将所有铷-87原子牢牢关在里面。

但是，实际情况不是这样。实验团队调节了其中一束激光，让它的强度变得不均匀，形成强、弱、强、弱、强这样的周期性结构。

神奇的事情发生了。这个时候，铷-87原子也按照激光的强度分别，交错排列形成了两组结构。一组结构是用于量子模拟的原子晶格，另一组结构是超流体。

这时，由于每一行原子晶格都紧挨着一行超流体，在降温的过程中，它们的热力学熵就被超流体迅速带走，一下子进入低熵状态。

这个时候，实验团队再通过调节磁场和施加激光，把吸收了大量熵的超流体吹走。

这样一来，量子模拟中所有不该有的东西都没有了，所有该有东西都留了下来。

在这个过程中，有待冷却的是一堆铷-87原子，用来吸收熵和热的超流体还是一堆铷-87原子，只是二者所处的是不同的量子状态。所以，从某种意义上说，是铷-87原子“自己带走了自己的熵”。

最后，他们发现，在1万个铷-87原子组成阵列中，残存的晶格缺陷只有不到0.1%，比常规方法减少了100倍。

在自然界中，只有固体中的原子才能如此整齐地排列成晶格。现在，稀薄的铷-87气体中的原子也能像固体一样，整整齐齐地排列成晶格啦。

万事俱备，就差量子模拟了。

（五）小试牛刀：高保真度量子门

研究完“自己带走自己的熵”之后，潘建伟团队又在铷-87原子形成的晶格中，进行了一场简单的量子模拟：制造两量子比特的翻转“量子门”。

他们让1250对相邻的铷-87原子发生了量子纠缠，并形成了两量子比特的翻转量子门。经过测试，该量子门的保真度高达99.3%。

果然，低熵的超冷原子晶格就是好用！

在计算机芯片中，所有的运算功能通过有各种门电路的排列组合来实现的。而运算的正确率取决于构成门电路的硅材料的纯度高不高，制造工艺有没有瑕疵。

如果将来有人造出了通用的量子计算芯片或量子模拟装置，它的所有运算功能也一定是由各种“量子门”排列组合而实现的。其中运算的正确率，在很大程度上也取决于组成“量子门”的量子装置的“有没有瑕疵”，“够不够完美”。

当然，没有最完美，只有更加完美。不管是做人，还是做科研，只有不断克服自己的缺陷，才能让自己变得更加完美。

注：

1. 本漫画对实验团队的实验过程做了一定程度的简化。实际上，在冷却过程中，铷-87原子晶格，并不是每一个格点上只有一个铷-87原子，而是每一个格点上都有两个铷-87原子。

此时，实验团队只需要再次调节激光牢笼的参数，就可以把这两个原子分开，形成我们“一个萝卜一个坑”的晶格。

2. 用于量子模拟的晶格的间距是由激光的波长决定的，所以物理学家通常管这种晶格叫“光晶格”，而不是漫画中说的“原子晶格”。

3. 光晶格的晶格间距是由激光的波长所决定的。在本漫画的实验中，晶格间距大约是300多纳米，是铷-87原子组成固体时的晶格间距的100多倍。所以，这次实验相当于实现了“让稀薄的铷-87气体原子，如固体般整齐排列”。

参考文献：

1. https://science.sciencemag.org/content/early/2020/06/17/science.aaz6801/

本文引用的动图全部来自网络

End

作者：Sheldon

绘制：周源、Mirror

美指：牛猫

排版：赏鉴

鸣谢：苑震生，戴汉宁

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