科技部部長萬鋼日前表示，中國已部署發展量子計算機和人工智慧 航天員隊伍將擴大。

「量子調控與量子信息」重點專項2016年度項目

中國沒能趕上前三次工業革命導致近代積貧積弱，所以決不能在即將到來的第四次工業革命中落後。現在看來通向星辰大海的鑰匙，第四次工業革命的關鍵技術——核聚變，量子技術，先進位造技術（雷射3D列印），高超音速飛行器，高能物理學研究等方面，中國已經牢牢掌握在手中站在了世界前列。不過由於這些技術目前尚未成熟，無法得到大規模應用，因此目前還看不到這些技術所創造出來的價值，今後可能只有我們的子孫後代才能享受這些技術帶來的價值。

每一個字都認識，可我為啥還是沒看懂呢？？！！

潘建偉

3月16日從科技部獲悉，中國科大潘建偉、陳宇翱研究團隊經過多年努力，在超冷原子實驗操控技術方面取得了重大突破，搭建了可以同時冷卻操控玻色子和費米子的世界領先的實驗平台。

此項研究成果開闢了超冷原子領域全新的研究方向，為理解複雜宏觀量子現象提供了獨特的研究手段，為研究質量不平衡的雙超流系統鋪平了道路。

這是可以拿諾獎的東東。

超冷原子打開量子模擬新世界

在微觀的量子世界中，超冷原子與量子模擬的研究，是當前國際研究的前沿熱點。超冷原子量子模擬打開了一扇門，為未來科學研究提供了一種強有力的模擬手段。

超冷原子的奇妙之處

超冷原子又是什麼？超冷原子是指原子的溫度接近絕對零度 （零下273.15攝氏度），這時將出現玻色—愛因斯坦凝聚態，即原本狀態不同的原子凝聚到同一狀態。目前，科學家們經過長期積累，已掌握原子冷卻技術，比如華裔科學家朱棣文開創雷射冷卻並捕捉原子，由此在1997年獲得諾貝爾物理學獎，冷原子系統也是實現量子計算眾多方案中非常有前景的方案之一。

冷原子系統具有環境乾淨、高度可控等重要特性，可以按照需要來觀察和發現新奇現象。 2016年10月，我國科學家在超冷原子量子模擬領域取得重大突破，中科大—北大聯合團隊在國際上首次理論提出，並實驗實現超冷原子二維自旋軌道耦合的人工合成，測定了由自旋軌道耦合導致的新奇拓撲量子物性。該成果表明我國在超冷原子量子模擬領域上已走在國際最前列。

二維自旋軌道耦合和拓撲能帶實現示意圖

圖：二維自旋軌道耦合和拓撲能帶實現示意圖。在雷射場的作用下，原子在光晶格中發生自旋翻轉的量子隧穿，導致自旋軌道耦合。

超冷原子自旋，有點像地球自轉；軌道運動，就相當於地球圍繞太陽的公轉。在微觀世界裡，電子軌道和電子自旋會相互作用，即自旋軌道耦合。

自旋軌道耦合是量子物理學中基本的物理效應，它在多種基本物理現象和新奇量子物態中扮演了核心角色。這些現象導致產生了自旋電子學、拓撲絕緣體、拓撲超導體等當前凝聚態物理中最重要的前沿研究領域。目前在超冷原子中實現高維自旋軌道耦合，在理論和實驗上都極具挑戰性。

冷原子二維人工自旋軌道耦合

中國劉雄軍理論小組提出了拉曼光晶格量子系統，不僅可完好地實現二維人工自旋軌道耦合，並能得到如量子反常霍爾效應和拓撲超流等深刻的基本物理效應。基於這一理論方案，中科大潘建偉、陳帥和鄧友金等組成的實驗小組，在經過多年艱苦努力發展起來的超精密雷射和磁場調控技術的基礎上，成功地構造了拉曼光晶格量子系統，合成二維自旋軌道耦合的玻色－愛因斯坦凝聚體，且合成的自旋軌道耦合和能帶拓撲具有高度可調控性。

量子模擬的強大功用

隨著超級計算機的誕生，很多科學難題迎刃而解。利用量子模擬技術，則有望解決連最快超級計算機都算不動的複雜問題。

量子模擬器是解決特定問題的專用量子計算機，其計算能力隨著可操縱粒子數的增多呈指數增長。潘建偉說，如果實現50個量子比特的相干操縱，對某些特定科學問題的處理能力就會超過「太湖之光」，因為「太湖之光」現在也不過擁有能操縱45個量子比特的計算能力。如果實現 100個量子比特的相干操縱，其處理能力將達到目前全世界計算能力總和的100萬倍。然而，要將通用的量子計算機造出來還需要很長時間，也許20年或30年。中科大潘建偉表示，正在做一些特殊的事情——量子模擬，它可以模擬出一個在經典計算機里根本無法計算的東西。

在中科大—北大聯合研究成果中，利用超冷原子，科研人員可以精確控制原子之間的相互作用，並且很好地操作原子內部的狀態，並根據研究需要來調控它們之間的相互作用，從而來有效模擬複雜的物理系統。這一關鍵突破將推動拓撲超流、拓撲超導等新奇拓撲量子物態的研究，進而給人們對物質世界的深入理解帶來重大影響。今後，中國科學家希望將超冷原子自旋軌道耦合擴展到三維，來看看有沒有一些新的量子現象存在。從長遠講，超冷原子量子模擬能夠給材料和物質科學方面的研究提供一種強有力的模擬手段，為未來發展提供了很多豐富的可能性。

潘建偉預測：「此前科學家們認為，通過10到15年的努力，人類可以實現80到100個量子比特的相干操縱。現在可以說，我們在此方向上邁出了堅實的一步。」

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