玻色

玻色凝聚态下，量子行走的路线是可编程的。

因为光也好，微波脉冲也好，都不是一成不变，可以随时调整。

因此，它也许能够催生可扩展的量子计算机。

我写过不少关于量子计算的文章，实际上主要是两类：一类是基于量子门的计算，另一类是绝热量子计算。

其实还有第三种，叫做“量子行走”。

所谓量子行走，用自然界的例子来说，就是光合作用过程中电子转移的工作原理。

当前，研究者已经能够催动整块的原子云“齐步走”，实现量子行走。

光可以实现量子行走，但需要配备一台新式计算机来算出每一步。

不过，在玻色-爱因斯坦凝聚态下，光和物质的关系都反过来了。

研究人员就是通过这个原理实现了玻色凝聚态下的量子行走。

图为计算机中的玻色-爱因斯坦凝聚模型，类似波的特点清晰可见。

三类量子计算机进入正题之前，我想先对不同类型的量子计算机做一番简要的比较。

量子门是大家最熟悉的，就是通过一个量子门的集合来完成严谨的逻辑运算，末端读出结果。

绝热量子计算则不涉及严谨运算，而是将问题转化为实现某一能量景观的最低能耗，打个比方，解决方案就在丘壑地区的深谷之中。

思路是这样的：先从一片平滑的碗状地带入手，逐渐制造出“山陵”，直至量子位落入最深的“谷底”，计算结束。

读出量子位的值，问题就解决了。

而量子行走跟量子门、绝热计算都不一样。

对于量子行走来说，问题转化为一系列的线路。

一个量子态将同时出现在所有可能的线路中，但各条线路会相互干涉，而包含了答案的那条线路出现量子态的概率更高，其他线路的概率则较低。

换而言之，先放进一个微观物体——比方说一个光子，然后测量光子出现的位置，就能找到答案。

此时的思路是这样的：制造一套相互关联的线路，将有待解决的问题编入其中。

如果说一个光子是一个量子位，那么光纤就是实现上述方案的材料。

先使光纤相互耦合，确保量子位沿多条线路游走并自我干涉。

耦合的强度决定了每一根光纤中光子的“数量”，而光纤的长度决定了干涉的性质是有益还是有害。

光的量子行走固然好，但每一根光纤须得维持不变：光纤的长度以及不同光纤之间的耦合强度无法及时调整。

说到底，这种基于光学量子行走的计算机，缺少可编程的因素。

像光一样流动的物质在玻色-爱因斯坦凝聚态下，光和物质扮演的角色可以互换。

所谓玻色凝聚，指处在同一量子态的冷原子的集合。

简而言之，该集合的行为就像单个粒子一样整齐划一。

这时候如果用脉冲光对其加以轰击，这颗“粒子”将以一定频率震颤，导致漂移。

至于漂移的方向，取决于玻色凝聚的内部状态。

玻色凝聚的内部状态是由微波脉冲设定的。

比方说，适当的微波脉冲会令玻色凝聚态处在两种量子态的叠加态。

此时如果再用激光脉冲加以轰击，玻色凝聚就必然因叠加态而同时向两个方向移动。

研究者证实，只要依次施以微波和激光脉冲，就能像经验丰富的d球玩家一样，随意控制玻色凝聚的空间线路。

不同的是，这里是量子d球——每当玻色凝聚撞到反d杠，就会同时向多个方向反d，再撞到更多的反d杠。

更复杂的是，量子d球会穿越不同的线路，再在各类节点重新组合。

线路交叉之处，玻色凝聚发生自我干涉。

干涉会导致在某些线路上找到玻色凝聚的概率降低，而在另一些线路上的概率上升。

量子计算恰好需要这个。

把光变成固体光的量子行走尚且需要玻璃纤维以固定的方式、（在交汇点上）以固定的长度相互耦合，而玻色凝聚则更为灵活。

脉冲光可以推动玻色凝聚在自由空间行动，而微波脉冲则如同各条线路之间的耦合器。

脉冲光的数量，决定了行动线路的长度；而微波脉冲的强度，则决定了各条线路的耦合性。

这是重点。

玻色凝聚态下，量子行走的路线是可编程的。

因为光也好，微波脉冲也好，都不是一成不变，可以随时调整。

只不过，这样的计算机还没造出来。

科学家虽已证明了对单个玻色凝聚实现量子行走的可能，但还没有证明他们能够在量子行走中对某个问题进行编码。

据我所知，在量子行走中对问题进行编码，难度不小。

必须设定好各个微波脉冲、分别对应不同行走线路，才能造出计算机。

再以光纤为例。

在光学量子行走中，如果光子同时进入左右两条线路，那么左边那条线路就会受制于右边那条线路的长度和耦合度。

但是，在玻色凝聚中，不同线路之间相距无几，根本不能使微波脉冲对准具体任何一条。

换句话说，微波源将不可避免地修改整个玻色凝聚的内部状态。

话说回来，现在毕竟有了好的开端。

玻色凝聚态下的量子行走，有利于将量子门和绝热计算的优势结合起来。

其一，玻色凝聚是在真空洁净环境下，靠的是中性原子，有可能形成高度可靠、长期存在的量子位。

在这个意义上，玻色凝聚更像是离子阱量子计算机。

其二，它既有望解决更复杂的难题，又不必专门处理大量的量子位，倒更像是绝热量子计算的方法，发展前景可期。

本文作者Chris Lee系荷兰方堤斯应用科学大学教师。

翻译：李芜校对：李莉编辑：漫倩来源：arstechnica造就：剧院式演讲，发现创造力

谢邀。

首先要搞清楚什么是波色-爱因斯坦凝聚给大家科普一下，波色-爱因斯坦凝聚是爱因斯坦根据印度物理学家波色提出的以不可分辨的n个全同粒子的新观念，使得每个光子的能量都满足爱因斯坦的光量子假设，也满足玻尔兹曼的最大几率分布统计假设，将波色对光子（粒子不守恒）的统计方法推广到原子（粒子不守恒），预言当这类原子温度足够低时，会有相变，新的物质状态产生，所有的原子会突然聚集到一种尽可能低的能量状态，这就是所说的波色-爱因斯坦凝聚。

简称BEC。

然而波色-爱因斯坦凝聚直到20世纪90年代才由美国科学家，在实验上发现波色爱因斯坦凝聚现象。

BEC最主要的应用是在原子激光上，例如“原子激光器”，原子激光器实际上是“相干原子束发生器”（这正好类比激光是相干光波发生器），即它发射的原子束具有高度的相干特性，束中所有的原子处于同一种量子态上，同时，束中所有原子的能量处于单模，从能量分布的角度来说具有极好的“单色性”，另外，由于发射的粒子都是处于同一量子态上，因此可以准直行进相当长的距离而无明显发散，即“指向性好”，从这三点看，与激光相似，因此被称为原子激光器。

目前，原子激光器的研究还处于起步阶段，在理论方面，已经有了几种理论模型，但是还没有比较完善的原子激光器理论。

此外，它的光学性质的研究也有着特别的意义，随着BEC的实现，超冷原子物理学必将迅猛发展，可以说，BEC的实验实现，打开了一扇通往未知领域的大门。

感兴趣的同学可以加个关注，点个赞哦！！