在自旋暗物质材料中寻找造量子计算机

在自旋暗物质材料中寻找造量子计算机

1、左芬--金贤民--曹原--叶芳伟现象预示着什么

A、叶芳伟发现莫尔角调节下的空间光孤子

2018年3月曹原所在的麻省理工学院课题组（MIT）在~1.1°魔角扭曲的双层石墨烯中发现新的电子态，可以简单实现绝缘体到超导体的转变，打开了非常规超导体研究的大门，引来了石墨烯新的研究热潮。1+1>2，实物质与暗物质结合也能相辅相成。合作共赢成为量子材料领域比较普适的法则，前面提到的左芬、金贤民、曹原等三人，也类似合作落实做“暗物质”造量子计算机要的材料研究。

2020年11月9日《中国科学报》发表的《科学家首次发现莫尔角调节下的空间光孤子》一文，报道上海交通大学叶芳伟教授课题组在国际上，首次将莫尔晶格的研究推进到非线性光学范畴，发现莫尔角调节下的空间光孤子，引起了国际学术界的广泛关注──神奇的石墨烯莫尔角--魔角，叶芳伟教授的加盟，更有启示寻找暗物质在自旋双层石墨烯中，有扭角、魔角，还有“莫尔角”要说。

左芬──曹原--叶芳伟现象预示着什么？是暗物质→量子计算机→二维材料石墨烯→莫尔晶格更多新奇独特的物理性质的方向→莫尔角调节下的空间光孤子→量子色动化学，形成了一个可专门研究的扭曲学。石墨烯→魔角石墨烯→量子色动化学之间，环量子计算机与量子色动化学，量子色动化学与环量子计算机，是什么？

英文科技翻译，莫特（Mott）--莫尔（moiré）--摩尔（moiré），三者是不是一个人？莫特绝缘体、莫特性质；莫尔晶格、莫尔角、莫尔条纹；摩尔元胞、摩尔超晶格、摩尔纹等之间，有没有联系？中文与英文，都同音会有不同词义字的写法。从翻译来看，莫特（Mott）和莫尔（moiré）是两个不同的人；莫尔（moiré）和摩尔（moiré）是同一个人。在中文科技讨论时，为了不弄得太复杂，莫特绝缘体、莫特性质；莫尔晶格、莫尔角、莫尔条纹；摩尔元胞、摩尔超晶格、摩尔纹等之间，可以看成有联系。叶芳伟教授课题组最近在英文期刊《自然--光子学》上，发表的光子莫尔晶格就是这方面的联系。

叶芳伟教授研究大名鼎鼎的二维材料──石墨烯，即从石墨中单独取一层出来研究，发现由两层石墨烯堆迭而成的莫尔结构，在某个特定的转角下，当加以适当的偏压时，会很神奇地呈现出超导性──电流在其中流动时完全没有损耗。这种超导性是单层石墨烯所完全不能想象的 。接着叶芳伟教授研究发现并揭示了一种新的波包局域机制：基于莫尔晶格的极平带结构，利用光学诱导的办法，将两个周期晶格写入到同一块晶体中，得到了首个高度可调的光子莫尔晶格。

借助于该莫尔晶格的连续可调性，并通过大量的数值模拟和实验证实，叶芳伟教授发现了波包在莫尔晶格中，随着两个周期晶格的相对权重和它们之间相对转角的变化，波包在莫尔晶格中演化时，出现了波形散开和局域的显著变化。例如，在空间光孤子方向上，在均匀材料（非局域非线性材料）和周期结构（金属纳米线周期阵列）中，首次发现了莫尔晶格这类准周期晶格中的空间光孤子──在绝大部分莫尔角度（此时莫尔晶格呈现“不可约”相）下，激发莫尔晶格中的空间光孤子所需的阈值功率几近为零。

对于由两个方形晶格构成的莫尔晶格，这些特殊角其实是勾股角，而此时对应的莫尔晶格则回归为周期晶格（“可约”相），能带结构的曲率达到最大，因此形成孤子所需的阈值功率也达到最大。叶芳伟教授进一步研究发现孤子的功率阈值随着勾股角级次的升高急剧降低，意味着高阶勾股角下的莫尔晶格，也支持极低功率条件下的光孤子。

B、量子色动化学解读魔角石墨烯

从量子色动化学→环量子计算机，为啥光束能被莫尔晶格局域对“暗物质”造量子计算机有用？这里先说啥是“量子色动化学”？

这是指联系真空量子起伏和真空中类似两块平行金属板之间存在某种吸引力，这种吸引力被称为卡西米尔力──这样可以把原子核里的质子，按卡西米尔平板效应的系列化，编排成相似于门捷列夫元素周期表──按原子核里的质子数卡西米尔效应化造型的不同图形。

具体解读魔角石墨烯及其光孤子反应的起伏，是把碳原子核类比于卡西米尔平板，碳核的6个质子构成的五面立方体，类似形成一对卡西米尔平板效应──卡西米尔效应需要两片平行的平板，三角形平板就需要6个点，这类似碳基。如果把这些“点”看成是“质子数”， 碳基6个质子虽然比氧基8个质子用得少，而且比较量子卡西米尔力效应，氧核8个质子点的立方体是上下、左右、前后，可平行形成3对卡西米尔平板效应，它是不论方位的；而碳核6个质子点的三角形连接的五面立方体，只有一对平板是平行的。但把这种量子色动化学织造器，拟设到原子核里的量子波动起伏里，碳基则比氧基的堆垛更好更妙。如原子织造“模拟”高温超导，干脆采用层状原子堆垛的方式，来人工构造层状超晶格，会加强质子结构的量子卡西米尔力效应。

由此这种几何结构，就有量子色动化学的内源性和外源性之分。

碳，作为周期表乃至地球上最引人瞩目的元素之一，存在于我们生活中近乎九成以上的已知物质中。而关于碳的每次突破都备受关注──发现60 个碳原子组成的足球结构“巴基球”碳-60的所属的富勒烯家，获得1996 年的诺贝尔化学奖。接下来发现几厘米长，直径在 1 纳米左右，由碳原子组成的管状结构──碳纳米管。再是耳熟能详的石墨烯发现，获得2010 年的诺贝尔物理学奖。又是合成出一个由 18 个原子组成的环状纯碳分子等。

总之，从二维材料──石墨烯单独取一层或由两层石墨烯堆迭而成的莫尔结构──莫尔晶格、莫尔角、莫尔条纹；摩尔元胞、摩尔超晶格、摩尔纹来看，其实是很多碳量子色动化学的有序组合排列。

从量子色动化学→环量子计算机，回采普通的化学反应到核化学反应，都是以元素周期表中，元素原子的原子核所含的质子数，可分和不可分的变化来决定的；但都不讲大尺度结构部分子无标度性实在的量子色动化学──这类似把质子和中子等粒子，都看成是“平等的人”，但在结构的代表性上，类似社会结构中领导和其他成员，编码是不同的。把卡西米尔力效应引进到原子核，如果质子数不是一个简单的强力系统，而是有很多起伏，也就能把“碳核”包含的相当于卡西米尔力平板的“量子色动几何”科学“细节”设计出来。

C、量子色动化学解读魔角石墨烯的例子

1）首先说晶格图形。维格纳晶体图，比莫特绝缘体更类似“量子色动化学织造器” ──二维空间中三角晶格结构的维格纳晶体，图中拟设用红色三角形和蓝色方形表示晶体中的拓扑缺陷。量子色动化学的真空“暗物质起伏”，可类比想象一群人，每一个人都在一个大圆球里面，他们在一个封闭的房间里四处跑动。

如果圆球比较小，他们可以自由移动；但是随着圆球逐渐变大，他们彼此之间的碰撞会更频繁，以至于最终到了某个临界点，所有人都卡在自己的位置上寸步难行，因为任何人的一点点移动，都会被旁边的人立刻阻止。晶体基本上就是这个样子。这些人相当于电子，圆球的大小相当于他们之间的库伦排斥力的强度。这种图氧量子色动化学却不好表示。碳量子色动化学是将一层石墨烯，扭转一定角度放在另一层石墨烯上，两层蜂巢结构彼此抵消而出现摩尔纹。

通过向双层石墨烯中注入电子，能得到新的物相。这可以通过研究摩尔纹上额外掺杂的电子来理解──通过增加电子密度，可观察到，如果一个摩尔元胞中包含2到3个电子时，材料表现为绝缘态。这是莫特绝缘体的例子。 1934年尤金•维格纳，第一次预言了一种电子的晶体相──维格纳晶体很难通过实验实现，因为量子涨落的强度会超过库伦排斥作用，并迅速导致无序。

在材料科学和量子物理中，称为“魔角”扭曲双层石墨烯中的莫尔条纹，和平带相关行为，可观察到扭曲双层石墨烯中的超导性和类莫特绝缘体状态，扭转角约为0.93度。这个角度比之前研究中计算的“魔角”角度(1.1°)小15%，显示扭曲双层石墨烯的“魔角”范围，比之前预期的要大。这为破译扭曲双层石墨烯中的强量子现象提供了丰富的新信息，可用于环量子计算机中的应用──相邻范德瓦尔斯层之间的相对扭曲角，以产生石墨烯中的莫尔条纹和平带，已经成为一种新的和独特适合于显着改变、定制基于二维材料的设备属性，以实现电流流动的方法，证明了当两个单层石墨烯层以θ=1.1±0.1°的“魔角”扭转角度堆迭时，出现了非常平坦的带。

2）其次说“魔角”之奇。量子色动化学--石墨烯这种新兴的莫尔铁电特性有望实现超快速，可编程且原子级超薄的碳基存储设备。

为啥？双层转角石墨烯的谱学表征量子色动化学图，这种材料由两层碳原子堆迭而成，两层蜂窝状碳原子晶格不完全对齐。尖端和样品中的电子态分别被填充到特定的能量。在外加的电压下，这两个能量的差值可以调控并导致电子在尖端和样品之间发生“隧穿”。

这种电子隧穿现象会产生可测量的电流信号，尖端中的电子态密度可以近似认为与能量无关，此时电流关于偏压的变化（dI/dV）正比于样品中的电子态密度。实验可直接观测到双层转角石墨烯中的莫尔条纹。通过观察沿不同方向条纹之间的间距变化，可定量测量系统中的应变，还能揭示由两片石墨烯的层间相互作用所造成的碳原子在空间不同位置的位移。石墨烯以及其他相关材料的转角多层系统，具有简单的化学性质和高度可调的灵活度（比如电子密度），这些系统有希望成为关联用“暗物质”造量子计算机理论的通用测试平台。

莫尔晶格中经常可见将两个周期结构重迭在一起、并且彼此之间转过一定的角度，人们会在其上看到明暗相间的条纹，此即莫尔条纹──拿起两把梳子，将其重迭并相互转过一个小角度，便能看到明暗相间的条纹──莫尔条纹。利用两把梳子展示的莫尔条纹，这可能是最简单的莫尔条纹。实际上留心观察，会看到莫尔条纹在艺术设计、纺织业、建筑学、图像处理、测量学和干涉仪等方面都有一些独特的应用。在扭曲双层石墨烯中，实验观察到超晶格第一个微带(结构特征)在“魔角”处半填充时的绝缘相。出人意料地0.93±0.01的扭曲角，这比已经建立的“魔角”小了15%，并且显示出超导特性。

这表明新的关联态可以出现在“魔角”扭曲双层石墨烯中，低于初级“魔角”，超出石墨烯的第一个微带。为了建造这些“魔角”扭曲双层石墨烯设备，可使用“撕裂和堆迭”的方法──如封装了六边形氮化硼(BN)层之间的结构图，成霍尔棒几何形状，具有多根导线耦合到Cr/Au(铬/金)边缘触点。并在用作背栅的石墨烯层的顶部，制造整个“魔角”扭曲双层石墨烯器件。

利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 在电子端和空穴端都可观测到超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性。在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应。并且,从朗道扇形图中, 可以清晰看到磁场下形成的超晶格朗道能级。此外, 利用红外光谱的方法，观察强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙。

在此基础上, 在380meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子--电子相互作用引起的旋量势的重构。在ABC--三层石墨烯以及六方氮化硼（hBN）摩尔超晶格中，发现可调超导性特征。与“魔角”双层石墨烯不同，石墨烯是碳原子组成的蜂巢状晶体的片状石墨，但是厚度只有单个原子，是一种二维材料。单层的石墨烯在超低温下具有超导电性。如果将双层石墨烯扭转成特定角度──被称为“魔角”石墨烯──材料表现为莫特绝缘体。

然后向这种绝缘体施加微弱的电场，也就是掺杂电子，双层石墨烯就会表现出非常规超导性，类似于高温超导铜氧化物。在扭转双层石墨烯中的旋转效应：a. 当双层石墨烯被扭曲时，上层薄片被旋转使得无法与下层薄片对齐，从而让元胞得到扩展。b. 对于小角度的旋转，就会出现所谓的“摩尔纹”，其中局部堆迭的排列呈周期性变化。“魔角”石墨烯的绝缘行为并不是莫特绝缘，而是更为深刻的维格纳晶体。基于魔角石墨烯的莫尔超晶格，非常规的铁电性和磁性控制，发现超常规铁电性铁电材料通常由晶胞内正负电荷的平均中心之间的空间分隔形成，具有可电切换的电偶极子。

一般而言，石墨烯（仅由碳原子组成的材料）并不会表现出铁电性。在基于石墨烯的莫尔异质结构中发现非常规铁电性能，在两个六方氮化硼层之间的伯纳尔堆迭双层石墨烯中，实现了可切换的铁电。通过使双层石墨烯与顶部或底部氮化硼晶体对齐，引入莫尔超晶格电势后，石墨烯电阻具有明显的磁滞行为。位移场和电子填充的响应函数无比惊人，超出了常规铁电体的范围。进一步利用非局部单层石墨烯传感器直接探测铁电极化，发现在双层石墨烯/氮化硼莫尔系统中，存在一种非常规的奇偶校验电子排序。长期以来，自旋磁性只能通过电场间接控制在该磁性体系中，非平整带拓扑结构有利于轨道角动量的长程阶数，但自旋仍然存在无序。使用双层旋转堆迭的石墨烯组成的范德华异质结，作为实现狭窄且拓扑学上不重要的谷投影莫尔微带，在这些带内，每个摩尔单元晶胞填充1到3个电子时，就能观察到量子反常霍尔效应，其横向电阻大约等于h/2e2（其中h是普朗克常数，e是电子上的电荷）。当每个摩尔单位晶胞中填充3个电子时，可以通过对化学势的场效应控制来逆转量子反常霍尔效应的征兆。

这种转变具有一定的滞后性，可用来证明非易失性电场引起的磁态逆转。这种效应是由拓扑边缘状态引起的，该状态驱动磁化特征的变化，进而促进更有利的磁状态发生逆转。六角晶格，每个摩尔元胞中只有一个电子，具有金属导电性。蜂巢晶格，每个摩尔元胞包含2个电子的绝缘态，和每个摩尔元胞包含3个电子的绝缘态。在量子材料中，那些在多个自由度或能量尺度上达到微妙平衡的现象，是暗物质凝聚态物理研究的基本兴趣。当具有相似晶格常数的两个单层石墨烯垂直堆迭且略微未对准时，则会呈现出周期性莫尔图案，从而改变材料的电子态和相变，将二维莫尔超晶格推向前沿研究的制高点。

“魔角”之奇，是当两个几何规则的图案重迭的这种效果图案，曾织物和时装中流行。在扭曲石墨烯中，莫尔晶格的物理结构会产生能量状态，阻止电子分开，使电子无法相互离开，相反，它们必须处于相似的能级。这种纠缠是否与量子计算机理论及其超导性有关呢？无论是电子“引流”还是原子“积木”实践，高温超导现象并不孤单，它完全可以通过人工调控和结构织造来“模拟”再现其物理。

3）再次说孤子传播。莫尔晶格中的局域代表了一种全新的局域方式──莫尔晶格对应的准能带结构中各级能带都是极平带，因此光子在莫尔晶格里失去了动能，自然无法扩散，只能局域。

众所周知，德布罗意在其提出的物质波假设中，指出粒子具有波动性。如拿实物粒子（电子）做双缝实验，能在衍射屏上看到明暗相间的干涉条纹。反过来，波也具有粒子性。最能生动体现这一点，就要属光孤子。光孤子是指非线性效应平衡衍射或色散效应，从而在演化过程中始终保持波形不变的一束光或一个光脉冲。与经典粒子一样，光孤子之间也可以发生碰撞，并能呈现出一切可能的碰撞形式：弹性碰撞、完全非弹性碰撞、碰撞后湮灭或分裂、形成类似于DNA分子结构的螺旋运动等。光孤子具有的粒子性使其在携带光信息、实现光控光方面具有重要的应用价值，因此，光孤子一直是非线性光学领域内最为前沿的研究方向之一。

而光孤子的研究，始终和材料的发展与结构的设计紧密联系在一起。在大块材料或者均匀环境中，由于需要平衡天然的衍射和色散效应，光孤子的形成一般需要极高的激光功率。相对应地，在周期系统（如波导振列或者光子晶体结构）中，借助于能带设计，人们可以调控衍射和色散的强度，从而降低形成光孤子的阈值功率，但即便如此，阈值功率依然处于较高的水平上。光孤子具有的粒子性，使其在携带光信息、实现光控光方面具有重要的应用价值，因此，光孤子一直是非线性光学领域最为前沿的研究方向之一。光孤子是指非线性效应平衡光的散开效应，从而在演化过程中始终保持波形不变的一束光或一个光脉冲。与经典粒子一样，光孤子之间也可以发生碰撞，并能呈现出一切可能的碰撞形式：弹性碰撞、完全非弹性碰撞、碰撞后湮灭或分裂等。孤子的阈值功率随莫尔角的变化。当莫尔角约为36.8°（一阶勾股角）时，孤子的阈值功率达到最大。所涉及的莫尔晶格为两个振幅比为5:1的方形晶格迭加而成。

莫尔晶格具有高度可调特性。当莫尔角连续调节时，对应的莫尔晶格经历了从准周期晶格到周期晶格之间的连续“相变”，这使得可以在同一个平台上直接比较周期与准周期系统中的光孤子。这是由于莫尔晶格中存在着大量平带，只有极高阶能带才具有非零曲率所致。因此，莫尔晶格为极低功率条件下光孤子的激发提供了一个独特的平台，为光孤子走向实际应用突破了功率条件上的限制。通过大量的测试，发现了光子在莫尔晶格中的局域以及特殊莫尔角下的散开，其实是莫尔晶格的一种共性，广泛存在着。光子莫尔晶格：由两个方形晶格迭加且旋转一定的角度后形成。当转角是36.80度时，光束很快在晶格中散开，此时系统对应“导电态”；当转角是360时，光束始终局域在晶格中某处（此时系统对应“绝缘态”）。

莫尔晶格提供的局域方式更加简单易行──它既不需要较强的折射率反差，也不需要特殊的结构设计，更不依赖于较强的激光功率，但同时它又具有高度的可调性──通过简单的莫尔转角的调节，光子可以自由地从“静止”转为“运动”，也可将其从“缓慢”的运动转为高速的“运动”，可谓动静皆宜，快慢自由。因此，莫尔晶格为未来的光束控制、图像传输、信息处理提供了一种更加简单易行的手段，为光孤子走向量子计算实际应用突破了功率条件上的限制，也为研究低功率下的非线性光学提供了一个易于执行的量子计算平台。

D、自旋暗物质材料造量子计算思路梳理

把以上自旋暗物质材料造量子计算思路简单归纳梳理一下是：环面与球面拓扑不同伦→自旋→编码→冗余码→魔方→暗物质→元胞→石墨烯→魔角扭角莫尔角→孤子波→量子色动化学→量子计算机。

2、像人进食循环一样学造量子计算机

A、相辅相成-相反相成-相得益彰-相安无事

本文以左芬教授等的博客文章，分析比较新旧物理数学脑洞大开之间的徘徊，最终是说为啥要用“暗物质”造量子计算机？能否用“暗物质”造量子计算机？造“暗物质”量子计算机有啥用？在别人用电脑和上网用电脑时，强行“无底线打广告的坏人”，要法治吗？

回答上述问题，也许包含着相辅相成--相反相成--相得益彰--相安无事等方面的道理。这先解释成语“相辅相成”，指相互补充，相互促成的两件事物之间，互相配合，互相辅助，缺一不可。同理不说也就知道：相反相成--相得益彰--相安无事的意思和差别。

人有男和女。自然界有阴也有阳。拓扑学有球面和环面不同伦，延伸到“量子”，有球量子和环量子之分。人的口与肛门相通，吃饭、喝水。排泄、解手，再在身外生产劳动，收获后再进食再排泄，实际人体是一个“圈态”，存在线旋。这种多角度的智能“翻转”，使人也类似一个“量子计算机”──这种计算机也许暗中就有“暗物质”在起作用──“量子”一词，在20世纪以前人们并不知道，它也类似“暗物质”，但却成为百年未有之大变局的网红。

1）量子力学建立成为整个微观物理学的理论框架，带来了后者一个又一个的成功：解释了化学──元素周期表、化学反应、化学键、分子的稳定性等，都是量子力学规律所导致。帮助理解宇宙──宇宙跨越各种尺度，从光到基本粒子，到原子核，到原子、分子，以及大量原子构成的凝聚态物质。解释微观尺度上各种基本力的统一；未解之谜如暗物质和暗能量的发现；天文恒星发光、白矮星和脉冲星、太阳中微子的振荡、宇宙背景辐射，宇宙结构的起源等，都有依赖

2）量子科技成为现代技术的基础──材料性质如导体、绝缘体、磁体、超导等量子行为。原子核能、核电、太阳能和平利用，核弹影响世界历史。激光、半导体晶体管、芯片、磁盘和光盘的信息存储、发光二极管、卫星定位导航，成为可能。互联网和智能手机、材料科学、医学和生物学包括X射线、电子显微镜、正电子湮没、光学和磁共振成像等工具，成为可能；也很难找到与量子无关的新技术。

3）近年量子革命第二次高潮，迎来量子密码、量子计算和量子隐形传态等属于的量子信息。如用量子态作为信息的载体，对单个量子态的操控，提供硬件和软件基础，量子信息学国际上量子计算的发展可谓“一日千里”──2019年美国谷歌公司研制出53个量子比特的计算机“悬铃木”，对一个数学问题的计算只需200秒。霍尼韦尔力挑72位离子阱量子计算机，IBM不甘示弱也公布了千万量子比特路线图。2020年11月19日《中国科学报》，发表的《郭国平：“造出中国自己的量子计算机”》一文报道：中国科大郭国平教授2017年创办的本源量子计算公司，日前正式发布悟源超导6比特量子计算机，同步接入本源量子计算云平台，对全球用户开放使用。可以满足人们对量子计算的需要──这是未来向实用化这条路走出的第一步。

4）规范场理论是现代物理学的根基，但是各种规范场方程求解的计算复杂度之高，对超级计算机提出挑战，量子计算机被寄予厚望。于是专用量子计算机──量子模拟器应运而生──因为从实现量子模拟器的模块到对特定模型的完全模拟，从基本粒子、晶格规范场和量子信息方面的理论学家，到原子分子光学、固态物理领域的实验物理学家，这才算是迈出模拟晶格规范场理论的真正一步。

而这一步我国的量子计算机已实现算力全球领先。2020年12月4日新华社电报道，中国科技大学潘建伟院士团队成功构建76个光子的量子计算原型机“九章”，求解数学算法高斯玻色取样只需200秒。这一突破使我国成为全球第二个实现“量子优越性”的国家。

2020年6月潘建伟研究团队还发表有实现光晶格中原子的深度制冷，解决量子模拟器温度过高缺陷过多的问题，实验制备了近百个原子级别的规模化量子模拟器的成果。未来该团队还将使用量子模拟的方法研究具有其他群对称性的、更高空间维度的规范场模型，并可推广到远离平衡态的规范场系统，研究真空衰变、与拓扑角度相关的动力学过程等重要物理难题。

B、什么是无暗物质的量子计算机

从上推知，既然“量子”能成就百年之大变局之重要，那么也可想“暗物质”，在未来百年之大变局中之重要。然而量子计算机已经是在百年之大变局中推出的，那么什么是无暗物质的量子计算机呢？

量子计算是一个崭新的领域，目标是建造一台使用量子元件的计算机。目前用的计算机虽然硬件上用到了半导体，用到了量子力学，但是它的计算逻辑没有用到量子力学──传统经典计算机，虽是在材料中电子的量子行为决定的，但关键问题是要防止量子系统与周围环境，不可避免的相互作用而发生退相干。

众所周知的“量子计算机”──科学第三极“柯猜弦论”把它称为“球量子计算机”，或叫英文科技量子计算机──是在经典计算机的基础上能巧妙地操纵，量子迭加态中的每一个基本状态都在演化作为计算逻辑，超出了经典计算使用的布尔代数的范畴，实现的球量子并行，能够快速解决某些计算问题。球量子计算机能造出来，就能够有效地找到任何一个大数的因子。如因子化问题──两个整数相乘，不论这两个整数多大，经典计算机很快找到乘积；但是如果反过来，只要这个乘积不是偶数，经典计算机就不能有效地找到它的因子，即计算机花费的时间或者资源，是这个整数的二进制位数的有限幂次（1次方，2次方等）的组合。因为量子计算机的基础是基本量子比特。

量子计算机能够有效地找到任何一个大数的因子，计算速度会比经典计算机要快得多。例如像自旋；自旋可以向上或向下，对应于0或1。但这还属于球量子物理的旧脑洞大开──只能建造2或3个量子比特的电子计算机，距离10,000个量子比特还有很长一段路。

C、什么是有暗物质的量子计算机

我们真的能够建造一台有暗物质的量子计算机，或“环量子计算机”吗？因为防止一个量子态与环境发生相互作用的策略：一个是“无声”策略──将计算机的量子比特与周围环境隔绝开来，从而尽可能地降低噪音。另一个方法是建造一台“耳聋”的计算机，这里信息由拓扑性准粒子携带，拓扑性准粒子是非局域的，不能被破坏，因此不受环境噪音的影响。拓扑性有球面和环面不同伦，延伸到“量子”，有球量子和环量子“不同伦”之分。这里的问题是，“环量子计算机”和“球量子计算机”一样，也要证明存在这样的凝聚态物质系统，它们具有可以操控的拓扑激发态。

但环量子三旋编码分出的避错码和冗余码，比球量子多得多。避错码在类似陀螺自旋整体式的球量子身上，是自然实现的，类似“明物质”。而球量子类比“魔方”，虽也是整体式，但“魔方”还可以同时作正反两种同样的自旋，类似“冗余码”。当然操作这种“冗余码”是要人工智能。环量子自旋的体旋、面旋、线旋（包括平凡线旋和不平凡旋）等三旋，“避错码”是62个，实现距离10, 000个量子比特容易得多。环量子联系DNA基因结构，在高等动物身上已进化构造出DNA量子计算机。那么有自然类似环量子的分离形态吗？有。

据2020年12月1日《中国科学报》，发表的《新研究首次发现磁涡环》一文报道：英文期刊《自然--物理》上的论文，揭秘磁性材料钆钴制成的小柱子内发现磁性结构，其秘密在于磁化在材料内部以一种明确的方式排列。这种磁化纹理技核心类似硬盘，通过观察亚微米的环状结构，已确定为磁涡旋环。这方面的研究仅限于观察表面下的浅层，要引入一种新的x射线方法，用于块磁体的纳米断层扫描。

早在瑞士光源SLS的实验中，演示有这种方法。目前在钆钴微柱样品中，之前曾检测到类似水从水槽螺旋流走时的那种结构──由漩涡和反涡旋组成的复杂磁场构型。如今还发现了由成对的旋涡和反涡旋组成的环状结构──旋涡环，而且磁涡环结构是非常稳定的。其实甜甜圈形状类似磁场磁力线南极出北极进的旋涡，众所周知：用铁屑粉也能演示观察到，只是看不到线旋，类似“暗物质”作用。

D、为啥要造“暗物质”环量子计算机

球量子和环量子不同伦之分，也许是相辅相成，相反相成。相得益彰、相安无事发展。解释揭示为啥要造“暗物质”环量子计算机？也许真还离不开2020年全球新冠肺炎疫情蔓延的例子好说明。

1）新冠疫情防护防控，人们旅游、出行，过关通行查验需要亮出“健康码”，这是与每个人身份证号码对应。这在14亿人口的中国是个“大数据”；电脑联网加上互联网，在每个关口短暂时间要很快处理这个的问题，离不开很多指挥中心的很多计算机中心站，以及大型计算机、超算计算机的建立和功劳。这也体现了对“球量子计算机”的要求。因为新型的量子计算机的正式出现，可以让计算机中心站，以及大型计算机、超算计算机，变小变更方便、更快、更准确。

正是这种对“球量子计算机”要求的升级、普遍，显示出端倪的是对处理更大更复杂数据的未来“暗物质”环量子计算机的需要。

2）2020年全球新冠肺炎疫情蔓延，已快一年，在我国以外的全球各国的政府、新闻媒体，包括世卫组织，每天只公布本国或全球感染新冠疫情的总人数，以及感染新冠疫情死亡的总人数，从来没有公布过每天本国或全球感染新冠疫情治疗好出院的总人数。为啥？

除开敏感的因素不说外，就是因为没有超过计算机中心站，以及大型计算机、超算计算机，甚至“球量子计算机”等计算、处理、收集、储存、检索、分析超大数据的计算机。以上这些计算机的原理，都还停留在“元胞自动机”的基础上的。“元胞”是拟设为一个正立方体的8个顶点装有灯泡所示的那种阵列──每个灯有“开”和“关”两种状态；“元胞”的中心即正立方体的中心的灯泡与周围的8个灯相连。那么多个“元胞”组合，每个灯与周围的8个灯相连──这样所有灯都与8个灯相连。部分灯开，部分灯关，元胞自动机像中央处理器一样一步一步地进行计算。这也像全球各国的政府、新闻媒体，包括世卫组织，每天只公布本国或全球感染新冠疫情的总人数，以及感染新冠疫情死亡的总人数，只类似需要每个灯有“开”和“关”两种状态──感染，还是没有感染？死了，还是没有死？很好处理。

但公布每天治疗好出院的感染新冠疫情病人的人数，却没有这样简单──感染住院，治疗好的时间各个人有各个人的长短，以及还有复发，转院，转换医生等特殊或复杂情况，这不是每个灯有“开”和“关”两种状态，或每个电子自旋有朝“上”和朝“下”两种状态，能编码的。也许需要类似环量子自旋的体旋、面旋、线旋（包括平凡线旋和不平凡旋）等三旋的62个状态，才能升级为量子比特标示。

3）公布重大敏感新闻，是控制在有权的政府、新闻媒体机构，包括国际组织等某一时期、某一团体手中的。因此即使像央视新闻，也难区分国外新闻的准确，而出现前后不一致的情况，不能公开纠错。

例如，2020年11月27日伊朗核科学家法赫里扎德遇杀身亡──谋杀是不对的。收看2020年11月30日央视新闻报道，伊朗已发布杀害伊朗核科学家的四名嫌疑人的照片，还称伊朗情报人员正在全国各地的旅馆分发这些男子的照片，并要求旅馆老板立即告知他们是否看见了他们。但2020年12月2日央视新闻又报道，法赫里扎德是遭远程操控的自动机枪射击身亡的，现场没有凶手。可见复杂。

3、能用“环量子”造出量子计算机吗？

A、量子比特、众特、多特、囚特与三旋初探

量子计算的研究路线目前尚未收敛，量子计算机的研发，需要多种不同学科、不同产业方向的融合协作，全社会的共同努力。读2020年《环球科学》2月号上，乌尔巴西•辛哈教授写的《三维量子比特：量子计算新可能》一文，我们觉得很新鲜，特别是她说的“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”，我们感到特别亲切──因为2002年5月四川科学技术出版社出版的约70万余字的《三旋理论初探》一书，其中的第19章《生命与量子计算机》和第19章第3节《双螺旋结构与量子计算机》，实际讲的已超越传统的电子计算机和球量子计算机的“比特”和“量子比特”概念，在介绍环量子自旋存在“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”的原理──只是全书中还没有出现辛哈教授定义的“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等最新概念。

如果说辛哈教授提出了“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等理论，但辛哈教授团队以及人类还没有研制出名副其实的可运行的高维量子比特计算机的话，那么对人类自身来说，每个正常人及其思维着的大脑，则是名副其实可运行的高维量子比特计算机──这是自然界生命在起源进化的过程中得到的解决。

B、量子众特从三缝实验到环量子自旋编码

辛哈教授说的“三缝实验”涉及“量子众特”，是指当一个光子穿过狭缝板时，通过每条狭缝的概率相等。一个经典的粒子只能穿过某条狭缝，但是一个量子粒子却可以同时穿过三条狭缝形成迭加态。这个处于迭加态的光子可作具有三个基本态的“量子众特”──一个量子众特具有三个基本态，总可能态数为3n，因此2个量子众特就有32=9个可能态。这是从量子比特指一个量子比特与经典计算机中一个比特有两个基本态一样，也具有两个基本态，可以同时处于这两个状态推证得出的新概念。计算的公式是可能态数为2n ，n为量子比特的数量。三个量子比特就有2n =8个可能态。

那么《三旋理论初探》一书，是如何解读环量子自旋的三旋具有三个基本态的“量子众特”的呢？这首先要弄明白环量子自旋的三旋起源的分析。这是从拓扑几何和微分几何的环面与球面不同伦定理出发，推证类圈体模型最具有自旋操作的特色──类圈体的三旋即面旋、体旋、线旋不仅可以用作夸克的量子色动力学编码，而且也可以用作量子计算逻辑门的建造。这个中的道理是量子理论，虽然把任何事物包括光、物质、能量甚至时间都看成是以大量的量子形式显现的，并且这些量子是粒子和波的多种组合，以多种方式运动，但量子的拓扑几何形状抽象，却长期没有得到国民普及教育支持下的认知统一。

一种认为量子是质点，如类粒子模型；一种认为量子是能量环，如类圈体模型。电子计算机属类粒子模型，因为它的微处理器是以大规模和超大规模半导体集成电路芯片为部件，这是以晶体能带p--n结法则决定的电子集群粒子性为基础得以开发的。而量子众特计算机则属于类圈体模型，因为即使是球量子计算机，基本元件如核磁共振分光计，它操纵的也是量子的自旋。

即量子计算机是以量子态作为信息的载体，人们已提出用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋以及超导体中的库柏对等物理系统作为量子比特的方案，这使量子行为与经典物理的联系更紧密，从而为科学的发展提供了机遇。这是因为它揭示出经典物理概念天生的不足，从而，非引入三旋概念莫属。

例如，物体动量概念渊源于人们的日常语言交流，然而人们对自旋、自转、转动等旋转概念的区分不大。这些概念都隐含有对称性，现用对称概念，对自旋、自转、转动作语义学定义：

a、自旋：在转轴或转点两边存在同时对称的动点，且轨迹是重叠的圆圈并能同时组织起旋转面的旋转。如上面讲的三旋。

b、自转：在转轴或转点两边可以有或没有同时对称的动点，但轨迹都不是重叠的圆圈也不能同时组织起旋转面的旋转。如转轴偏离沿垂线的地陀螺或回转仪，一端或中点不动，另一端或两端作圆周运动的进动，以及吊着的物体一端不动，另一端连同整体作圆锥面转动。

c、转动：可以有或没有转轴或转点，但都没有同时存在对称的动点，也不能同时组织起旋转面，但动点轨迹是封闭的曲线的旋转。如地球绕太阳作公转运动。

自旋的定义把进动和公转区别开来，同时又丰富了三旋的内容：

（1）用一系列平行的截面来切一个作自旋的物体，如果能在每个截面内找到一个不动的转点，且仅有一个转点的旋转，称为面旋。如果这些转点组成的转轴与截面正交，这些截面就称为面旋正面，这条转轴就称为面旋轴，也称面旋Z轴。

（2）物体作面旋，面旋轴只有一条，然而物体还可以绕面旋正面内的轴作旋转，这称为体旋。而这个面旋正面就称为体旋面，这根转轴称为体旋轴。过面旋转点的体旋轴可以有许多条。在体旋面内选定一条作体旋X轴，那么体旋面内过转点与它垂直的那一条轴就称为体旋Y轴。绕体旋X轴转90度，体旋面就与原先的位置垂直，体旋Y轴这时也与原先的位置相垂直，如果体旋绕X轴再转90度，体旋面就翻了个面。其次，体旋面还可以从开始位置转90度垂直起来时，停下来绕体旋Y轴作旋转；旋转到一定时候又可以停下来，再绕体旋X轴转90度从而回到开先的位置。

从上可以看出，体旋实际比面旋复杂。而这一点却让量子计算机原理研究的专家所忽视，例如NeilGershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图时，对量子位不动的几种陀螺旋转，就分辨不清，明显的错误是把陀螺绕Y轴的体旋称为“进动”，这是不确切的。

（3）磁场同线旋有关。用一系列体旋轴与面旋轴构成的截面去切一个作自旋的物体，每个截面能呈现宏观或微观闭封运动的涡线旋转，称为线旋。每个截面上的不动转点组成的圈线轴，称为线旋轴。线旋一般不常见，例如固体物质一般只有存在电磁场时才显现。即使如此，肉眼也不能看见磁力线转动，并且也难看见表面的分子、原子、电子等微观物质的运动。

其次，线旋还要分平凡线旋和不平凡线旋。不平凡线旋是指绕线旋轴圈至少存在一个环绕数的涡线旋转，如墨比乌斯体或墨比乌斯带形状。同时，不平凡线旋还要分左斜和右斜。因此，不平凡线旋和平凡线旋又统称不分明自旋。反之，面旋和体旋称为分明自旋。

把辛哈教授说的“三缝实验”涉及的处于迭加态的光子具有三个基本态的“量子众特”，与环量子自旋的三旋具有基本态的“量子众特”比较，其实只在对应只能作平凡线旋类圈体的三种自旋──即面旋（A、a）、体旋（B、b）和线旋（G、g）。

能作不平凡线旋类圈体中的两种不平凡线旋，如左斜不平凡线旋（E、e）和右斜不平凡线旋（H、h），不包括在内类似“量子囚特”。

C、从量子囚特量子多特到环量子三旋编码

辛哈教授说：高维量子计算机的优势，是能摆脱二进制代码──从一场足球赛通常只想到两个结果：“赢”或者“输”，到再加两个结果“弃权”和“平局”，那么一个量子比特就不足以描述所有的结果，而需要两个量子比特。但在四态系统中，一个量子就够了──在量子计算机中被称为“量子囚特”。对于相同的数据量，高维量子比特又称为“量子多特”──只需要更小的系统就能满足计算需求。

这都是《三旋理论初探》一书解读的内容，因为类圈体的三旋根据排列组合和不相容原理，可构成三代62种自旋状态，并且为量子的波粒二相性能作更直观的说明：在类圈体上任意作一个标记（类似密度波），由于存在三种自旋，那么在类圈体的质心不作任何运动的情况下，观察标记在时空中出现的次数是呈几率波的，更不用说它的质心有平动和转动的情况。这与量子行为同时处于多种状态且能同时处理它的所有不同状态是相通的。

而这正是高维量子比特计算开发的理论基础──再识“比特”、“量子比特”、“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等三旋共轭编码场，如果从高维量子比特计算机的角度看人类社会和自然界，到处又构成的是一种计算网络，这正是今天的信息时代也能理解的。利用类圈体三旋模型的“比特”、“量子比特”、“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等多态性和同时性的演示，就能教育普及类似量子计算机到高维量子比特计算机的量子逻辑。同时，这还可能为科学提供21世纪里广泛认识自然、生命、社会现象的数学思维。

所以解读“比特”、“量子比特”、“量子众特”、“量子囚特”、“量子多特”和“高维量子比特”等计算，就是解读生命，解读人工智能、解读深度学习、解读机器学习。而解读生命，解读人工智能、解读深度学习、解读机器学习也就是解读计算。因此生命的解读，为量子信息学打开了广阔的大门，而量子信息学的进展，又为人类认识生命提供了钥匙。

4、量子退火机解读三旋量子比特计算实现

读2018年《科学世界》第3期山田久美写的《新型量子计算机》一文，他提到西森教授说：“量子退火机的特点是实现了超导体圆环的连接，整个系统变得更加稳定”。西森秀稔教授说的利用“超导体圆环”实现量子比特，指的是超导电路利用的是铌（Nb）这种金属元素构成的微小圆环──这种微小的圆环在常温下达不到超导状态，电流呈逆时针流过时，会产生向上的磁场；顺时针流过时，会产生向下的磁场。通过电流产生磁场与电磁铁是同样的道理。在温度降低到大约绝对零度的极低温之后，由于铌的特性，圆环达到超导状态，也就是能实现顺时针和逆时针流动的电流的迭加状态了。这时有电流经过的圆环就会产生极小的磁场线束──磁通量量子。此时的磁通量量子也处于向上和向下的迭加状态，这种磁通量量子就被用作量子比特。例如，把向上的量子比特当作“0”；向下的量子比特当作“1”。

其实《三旋理论初探》一书，和其中的第19章《生命与量子计算机》和第19章第3节《双螺旋结构与量子计算机》中，都在阐释类似超导体圆环的环量子的面旋和线旋──类似电流呈逆时针或顺时针流过超导体圆环，属于面旋；电流呈逆时针流过超导体圆环产生的向上磁场线束循环，和电流呈顺时针流过超导体圆环产生的向下磁场线束循环，属于线旋。但三旋理论的环量子还能产生体旋。

A、超导体圆环向生命双螺旋DNA延伸

辛哈教授的《三维量子比特：量子计算新可能》的文章中说：量子众特计算机关注的不仅是能进行“门操作”任务的光学元件的设计，还要关注将整个系统小型化──其实“小型化”也是D-Wave公司开发的量子退火计算机还没有解决的问题──它的外观很大，与普通的超级计算机相似。原因是它的里面有一个圆筒形的冰冻箱，相当于量子退火计算机心脏部分的“超导电路”就严密地保存于这个冰冻箱里。

而《三旋理论初探》书中讲到“生物超导”却是一种高温超导，在常温下我们人类不仅能好好地活着，而体内也存在“生物超导”体DNA结构。打开一把有两位的号码锁，在电子计算机中一位的状态由0或1规定，两位就构成4种不同，即0与0，0与1，1与0，1与1；随着计算过程的进行，数据位很有秩序地在众多的逻辑门间移动，因此可能需要进行4次尝试才能打开。而一台由极少量的氯仿（CHCl3）构成的两位量子计算机中，一个量子位可同时以0和1的状态存在，两个量子位也构成类似的4种不同状态，但量子位不需移动，要执行的程序被汇编成一系列的射频脉冲，通过各种各样的核磁共振操作把逻辑门带到量子位那里，该锁只用一步就被打开。

这一切用三旋理论很好理解：类圈体同时能作三旋，设体旋为0状态，面旋为1状态；线旋类似原子核磁场和外加磁场，它既能作方向定位又能对体旋和面旋方向进行操作，而且是远距离瞬时缠连的同时作用。这如花样游泳运动员在水中除能作各种表演外，还能听令于岸上的指挥。虽然人工制造三旋很难，但三旋却与物质的各个层次都有联系。例如在分子层次可以把DNA双螺旋结构看成多重类圈体，在原子层次可以把原子被看成单个类圈体。

在量子计算机中，至少要用到两个原子，其中一个除起逻辑测定外，这个额外的位还能起内部量子误差自动校正纠错的作用。例如利用氯仿中氢核和碳核类圈体似的三旋之间的相互作用，建造一个量子受控非门：用一个振荡频率为400兆赫（即射频）的磁场，可以使被置于10特斯拉的恒定磁场（设箭头沿垂线）内的一个氢原子核圈发生体旋。设氢圈的面旋轴向不是朝上就是朝下，即圈面在垂直于恒定磁场的水平方向；设碳圈的面旋轴向确定地朝上，即圈面也在水平方向，当一个适当的射频脉冲加上之后，可以使碳的圈面绕水平方向轴体旋到垂线方向，然后碳圈将绕着垂线方向轴继续体旋，其体旋速度将取决于氯仿分子中氢圈的面旋轴向是否恰巧朝上。

而经百万分之一秒的时间，碳圈的面旋轴向将不是朝上就是朝下，这取决于邻近的氢圈的面旋轴向是朝上或朝下。因为在那一瞬间再发射一个射频脉冲，使碳的圈面再绕水平方向轴体旋90度，这样，如果相邻的氢圈的面旋轴向朝上，此操作就使碳圈的面旋轴向朝下；而如果相邻的氢圈的面旋轴向朝下，它就使碳圈的面旋轴向朝上。可见量子计算是借助于类圈体的三旋转动及“受控非门”的操作，因为作为这种逻辑门三旋基础的面旋轴向可以处于朝上和朝下，以及体旋可以绕水平和垂线轴向转动这两种状态的迭加中，因此，量子计算可以同时对一组似乎互不相容的输入进行操作。

六、结束语

量子计算是一场持久战，有很多问题有待突破和解决。造出中国自己的量子计算机能行吗？一定行！57年前“柯猜弦论”虽然按下“暂停键”，但已指明“科统”的方向，只是“武统”和“文统”还没有认识够。2020年的新冠肺炎病毒“0”号病人，全球至今还未能找到，为啥？说明防控虽然“武统”和“文统”是不可缺少的手段，但最终治愈，说明“科统”参加武统”和“文统”，才是相辅相成──相得益彰--相安无事的根本“定神器”。

用“环量子”造出量子计算机与传统计算机的应用过程一样，必须从一开始就要有构建生态体系的意识，模式应该是政府牵头引导、企业为主攻关、科研院所参加、资方辅助监督、市场检查评价。只有越来越多不同行业的企业加入研发，才能让量子计算有更多应用场景，极大地推动量子计算机的研制效率。

参考文献      

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