沉痛悼念钱学森学长

突然听到这个消息，非常震惊！从10年前我进入西安交大念书，接受新生教育，他就一直是我的偶像。他的一生，波澜壮阔；他的事业，流芳千古。他一直是我们
交大人的旗帜和榜样。什么是以身许国，他就是！他能够把自己的一生投入到这么一个伟大的事业中来，是多么幸福的事情啊！人民科学家，钱学森当之无愧。

回国一月

我回国差不多一个月了，有一小半的时间在家度过，剩下一半在学校度过，另外还在北京住了几天，真是非常忙碌的一个月。

我一出机场，就看到了女朋友，她特意来北京接我。我在北京住了两天，陪女朋友逛了逛街，在朋友那里做了个学术报告。
正值国庆前夕，北京到处是节日气氛。我们还特意去看了看天安门，去奥运场馆看了看，参观了鸟巢。然后我们一起坐火车回家，不过她家在武汉，我家在孝感。我
在家过了国庆才到学校。在家的这十几天我去了两次女朋友家，看到武汉到处都在修路，日程表已经排到了2012年。我们去看了场电影《风声》，谍战片，值得
一看。而孝感也有了不小的变化：换了新路灯，整修了道路，看起来好多了。

回到学校，也有不小的变化。我们研究组的办公室搬了，组里的人大部分都不认识了，导师开始发展实验，正在修实验室。学校旁边的沙坡和黄埔庄都拆了，
正在修高楼。
超市的瓜子和花生都涨价了，还好冰红茶没有涨价。食堂的饭菜也涨了一些，不过还在可承受的范围内。最大的变化是我寝室的床变了，跟本科时一样下面书桌上面
床铺。我在美国睡了两年地铺，实在有点不习惯这么高的床。不过我没有时间来发感触，现在最重要的是毕业。在学校的这十几天一直在填各种表格，做答辩前的准
备。但愿一切顺利。

再见安娜堡，再见美国！

再过一天，9月22日早晨我将搭乘美联航的飞机，返回中国。两年的留学生活，结束了。此刻的我，归心似箭。再见了美丽的安娜堡，再见了美国！

通向生命体的量子叠加态?

量子叠加态最大能够在多大的系统中存在？目前已经在光子，原子，以及cooper对中看到了薛定谔猫态。下一步是什么，当然是微型的机械系统了。通过光 （纳米）机械振子技术，我们可能很快就可以看到振子系统的薛定谔猫态了。可是，我们能够真的在生物体中看到薛定谔猫态么？似乎不可能，但最近的理论工作告诉我们这是可行的^[1]。通过光镊技术，可以把几十个纳米大小的振子束缚在光势阱中。这个振子几乎是完全与环境脱耦的，有可能通过光驱动冷却到基态，从而制备出 薛定谔猫态出来。要知道，很多病毒是能够在真空中生存的。因此如果我们把病毒束缚在振子中，我们就可能制备出具有生物活性的系统的量子叠加态。这种量子叠 加态与薛定谔当年提出的薛定谔猫态就几乎一模一样了。同样的技术也可能用于其他基于光学机械振子系统的各种量子信息处理过程^[2]。
[1] Oriol Romero-Isart, Mathieu L. Juan, Romain Quidant, & J. Ignacio Cirac (2009). Towards Quantum Superposition of Living Organisms, arXiv: 0909.1469v1
[2] D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, & P. Zoller (2009). Cavity optomechanics using an optically levitated nanosphere, arXiv: 0909.1548v1

科学美国人网站上也报道了这个结果,里面的解说更加详细和具体.

论文被接收了

我六月份投稿的论文已经被PRA接收了，这也将是我博士期间发表的第四篇PRA。这篇论文研究了相位噪声这个激光冷却机械振子的技术问题，提出了一个解决方案，可以缓解这个技术问题，帮助我们冷却振子到基态，然后讨论了测量量子区域附近的机械振子热声子数的一个理论方案。

这个工作源自冷却机械振子的一个困难。人们发现， 冷却机械振子时，驱动光的相位噪声影响很大。初步估计，如果希望冷却振子到基态，需要驱动光的谱线宽度远小于1赫兹。这在实验上是不可能的。我们发现，如 果引人两个腔模与同一个振子模耦合，腔模的频率差正好等于振子模的频率。那么在边带可分辨条件满足的情况下，相位噪声被压缩了(ω_m/γ)²倍。这里的ω_m是振子频率，γ是光学腔的衰减率。由于这种改善，相位噪声的影响被大大压缩。根据估计，目前实验上可以买到的带宽1000赫兹的激光其相位噪声应该不会妨碍我们冷却振子到基态。这个结果对提高冷却效率，降低冷却温度应该有所帮助。

接下来，我们也讨论了如何测量量子区域的热声子数。目前已经有成熟的实验方案来测量振子冷却后的声子数。为什么我们还要提出一个新的方案呢？因为现 有的技术要求测量声子的噪声谱，要比较初始和末了时的噪声谱，从而得到声子的温度。这个方案有一个最低的可测量温度，由背景噪声限制而得。我们提的方案类 似于离子阱系统中测量声子的技术。我们测量的是红边带和蓝边带的散射输出光的强度。根据这个强度之比，我们可以算出热声子数。我们的方案不需要知道环境的 温度，也不需要测量噪声谱。更关键的是，我们的方案只在振子降温到量子区域附近后才变得精确和可靠。虽然目前还没有实验把振子降温到量子区域，但是我们希 望未来实现这个目标后，我们的测量方案能够在实验中发挥作用。

生离死别

还有一个月就要回国了，如果要形容我现在的心情的话，就是生离死别。

在美国的这两年，我经历好几次生离死别之苦。出国前，外婆就已经是癌症晚期了。出国后一个来月，外婆就走了。我实在不忍回忆最后一次见到外婆时的情形。外婆已经病了好久了，我多少也有一些心理准备。爷爷的突然故去却是让我无法接受的。爷爷身体一直比较好，可是去年中风之后，就大不如前了。就在上个月底，爷爷突然再次中风。在医院抢救了十几天后，由于并发症，去世了。古人为什么说“父母在，不远游”，以及为什么把生离与死别放在一起，都作为人生最大的痛苦，我今天终于明白了。

上大学后每回放假回家，我都会去爷爷家，外婆家给爷爷奶奶，外公外婆问好。因为我知道，这样的机会不多了。确实不多了，现在已经没有这样的机会了。我回国后想跟爷爷和外婆问好，他们又在哪里呢？只能在坟头祭拜，哭泣。现在相互挂念之苦，可以通过打电话，视频聊天来消解。生离之苦，在于人生的无常：生离化作死别，也许就是一瞬间。然后我只能无奈的从话筒中听到亲人故去的消息。收殓，出殡，火化，埋葬，这一切都只能听着，想象着。因为我与家乡隔了一个太平洋，不可能马上回来。

回国后，又何尝不是另外一次生离死别呢。我得跟在安娜堡这两年所结识的朋友说再见。此次一别，再会真是遥遥无期！

离子阱中的声学激光

早在激光发明后不久，人们就在寻求其在其他系统中的对应物，比如说，声学激光，或者我们可以称之为“激声”。固体中的震动，一般是处于杂乱无张的状态的，比如热平衡态。声学激光，需要外加驱动引起振子的受激震动（对应于激光器中原子的受激辐射）。多年来，有关激声的理论方案有很多，比如离子阱，半导体系统，纳米机械系统，纳米磁系统，等等。实验上在半导体超晶格等系统中也看到了有关声学激光的某些标志。最近，在《自然 物理学》的网络版中，发表了一篇名为《声子激光器》的论文，来自德国和美国的作者们在Paul离子阱系统中用镁离子实现了一个可控的声学激光器。

我们都知道，在离子阱系统中，如果用红失谐光照射，会给系统降温，而用蓝失谐光照射会加热系统。但是详细的实验与理论发现，蓝光照射并不总是在加热振子的，也有可能引起振子的受激震荡。当驱动光超过一定的阈值后，振子的运动就从纯粹随机的布朗运动转化为相位相干的震动。不过与通常的激光器不同的地方在于，这个离子激声并没有输出，激声始终束缚在离子中，与外界没有耦合。论文把这称为一个零维的激声系统。这篇论文只描述了含有一个离子的实验。实际上，离子阱中可以含有多个离子，包含多个震动模式。通过驱动，我们可以让这些震动模式耦合起来，同时也可以激发出激声来，我们可以看到激声在这些震动模之间的传播。于是，通过这种可控的方式，我们可以看到激声系统从零维到高维的转化。

Vahala, K., Herrmann, M., Knünz, S., Batteiger, V., Saathoff, G., Hänsch, T., & Udem, T. (2009). A phonon laser Nature Physics DOI: 10.1038/nphys1367

Party与音乐会

我上周六参加了一个party，里面的主要节目是音乐会，我觉得非常精彩。

Party的由来是北大密歇根州校友会为了欢迎北大暑期交换生而举办的。据说这次北大化学系来密歇根大学的交换生有二三十人，密歇根大学的学生乐队T.R.I.摇滚乐队被请来助兴。我因为认识乐队的一位成员，所以被他邀请参加。聚会是在北大的一位校友家举行的。她们家房子很大，后面还有一个满大的草坪，正好供乐队演出。我去后才发现，居然来了这么多人，粗略估计在70人以上。我们组的小师弟因为是北大校友，所以也参加了。另外我还认识几位物理系的学生。但其他更多的人我是一个也不认识。不过主持人我倒是认识的，他是一位非常活跃的人，主演过密大春节晚会的小品《谁动了我的笔记本》，非常精彩。这个小品的其他演员也都参加了这次聚会。

互相介绍和吃午饭什么的就不说了。下午两点多，乐队表演正式开始。T.R.I乐队只有5名成员，四名中国人，最后一个键盘手是美国人。演出的过程算是一波三折。刚开始半个小时，突然阴云密布，下起了小雨。这时主唱说，我们下一首歌是《不语》，希望大家都吼出声来，把雨给吼回去。也奇怪，一曲之后，雨居然就停了。过了十几分钟，居然出太阳了。还有一个好玩的事是，乐队主唱正在表演时，突然头顶传来嗡嗡声，几秒后，三架飞机编队从我们头顶低空飞过，似乎是为我们的音乐会助兴。到了演出的后期，又有一架直升飞机从我们头顶飞过。

乐队表演的曲目一半是翻唱经典曲目，一半是原创歌曲，还有一曲朋克曲子。我在喇叭旁边听，感觉非常震撼。这种感觉比起我6年前在交大思源活动中心门口听到的摇滚乐演出又有不同。那时我像是一个局外人一样，隔着老远在旁观。这次可是近距离欣赏。乐队的主唱是最有音乐人气息的，留着一头飘逸的长发。其实他的主业是西安交大的生物博士生，目前在密歇根大学访问。另外几位乐队成员也大都是密歇根大学的博士生。其中有一位已经毕业了，即将离开安娜堡到旁边一个州某大学担任助理教授。看到这些人的多才多艺，我不禁自惭行愧。他们的博士生活可过得真是多姿多彩！

美国同学Jason

上周末，Jason毕业答辩毕业了。他是我们组仅剩的一位美国人了。他毕业后会去马里兰大学做博后，跟随我们组去年毕业的一位博士的脚步。今天我又在办公室碰到了他，他是来找导师讨论修改论文的。于是我向他所要了他的博士论文电子版，他很愉快的答应，并很快发给我了。

Jason是一个很友好的人。每周来办公室时，总是跟我们所有人打招呼，离开时也会跟所有的人告别。偶尔也 会跟我们聊聊天，讨论一下美国大选，如何找博士后什么的。我由此得知他的经历比较奇特：他从未上过正规的学校，从小他都是在家里接受家庭教育长大的。也许正是因为如此，他与父母的关系很密切。直到现在他一直住在父母家，没有搬出来租房子。他家在密歇根州的另外一座城市，开车到安娜堡需要一个多小时，所以他每个星期只来一次，跟导师讨论报告最新进展。

Jason很善于做报告。在组会上，他总能用非常清晰和简明的语言来讲述他所看到的论文。这次的博士答辩也是一样。他的答辩报告中，几乎没有一个公式，全部用图和表格来说明自己的结果。我觉得效果很不错。我希望自己以后答辩时也能做的这么好。祝福Jason，以后能在学术上有更大的成绩。

芝加哥之行

上个月底我去芝加哥玩了3天，刚刚拿到照片。我觉得芝加哥是非常漂亮且很有特点的大城市，很适合旅游。

背景和原罪

最近的一个热门新闻是29岁的清华研究生，工作5年后当上了县级市市长。这样的新闻总能让人产生自卑感，也就会有很多人挖他的负面材料，比如是否有后台，有家庭背景什么的。现在发现，都没有，他唯一的背景就是他是清华毕业的高材生，所以地方上很重视他。接下来，更重量级的负面材料来了，有人发现，他硕士期间发表的一篇论文超过50%抄袭了他人的文章。这就是出名的代价，也是他的原罪。如果清华按照规章制度的话，论文抄袭最严重的处罚是可以追回学位的。那么这条原罪就直指周市长的硕士学位以及清华背景。问题是，清华敢这么做么，这个先例能开么？官员中的那些硕士博士有几个的学位论文是自己写的，又有多少是抄袭而来的，大家都心知肚明。

最近出了很多类似的新闻，什么80后的副厅级干部，80后的教授博导。少年成名，虽然是意气风发，却也少不了被人盯上，挖出原罪来。说实话，有背景的人，耳濡目染，从小立志，就会很注意约束自己。而没有大志向的人，往往对自己也没有高要求，容易犯些小错误。这对一般人来说，什么也不是。可是对于名人来说，就是原罪。人们常说的从小立志，立大志，果然是有道理的。另外，我妈妈从小教育我不要当第一，第一太辛苦了，当第二就很好了。立大志，少出风头，这就是我的体会。

New paper: cooling limits and measurement of optomechanical oscillator

New paper dance now.

arXiv:0906.1379

Title: Phase noise and laser cooling limits of opto-mechanical oscillators
Author: Zhang-qi Yin

Abstract: The noise from laser phase fluctuation sets a major technical obstacle to cool the nano-mechanical oscillators to the quantum region. We propose a cooling configuration based on the opto-mechanical coupling with two cavity modes to significantly reduce this phase noise. After optimization of the cavity parameters, we show through simple arguments that the intrinsic cooling limit of the opto-mechanical oscillator is set by $T_{\text{env}}/Q$, where $T_{\text{env}}$ is the environment temperature and $Q$ is the mechanical quality factor. We also discuss detection of the phonon number when the mechanical oscillator is cooled near the quantum region and specify the required conditions for this detection.

Update in 17th June: Today I found a similar paper published in PRL: Three-Mode Optoacoustic Parametric Amplifier: A Tool for Macroscopic Quantum Experiments, by Chunnong Zhao and et al.. The earlier version of the paper was posted in arXiv:0710.2383v3, which didn’t investigate the phase noise in detail and was already cited in my paper.

Several interesting papers in the last months

It has been for a long time since my last post on quantum physics. Here I select some interesting papers on cavity and optomechanics.

One most interesting paper I read in the last month is from Prof. Vahala and Prof. Painter’s groups. They demonstrated that micro-mechanical oscillator can be driven and cooled by the optical gradient force, other than traditional scattering radiation pressure. This approach makes it possible that photon momentum to be transferred over a length scale approaching the wavelength of light. They use double-disk structure, which provides back-action several orders larger than the previous one. They also demonstrate the cooling factor of 13 dB under heavily damped conditions (mechanical Q=4).

Another paper is discussing the proposal for a search for the cosmic axions using an optical cavity.  Axions, which were postulated 30 years ago, remain an attractive candidate for the cold dark matter of the universe. The proposal uses some stokes-like processes to detect the axions. The axions are absorbed by an optical cavity field of frequency . The sidebands appear on the carrier. The displacement of the sidebands is the axion frequency . The proposal is very sensitive.

The last one is discussing the possibility of realizing the strong coupling between a mechanical oscillator and a single atom, from Prof. Kimble’s group. The strong coupling between a cavity mode and a single atom has been accomplished for about 10 years. Once the strong coupling between a mechanical oscillator and a single atom was realized, there are countless application the the technique. Everything you have done in the Cavity-QED systems can be transferred to the optomechanical plus atomic systems. It allows us to coherent manipulation, preparation and measurement  of micromechanical objects.

虚惊一场

前几天室友告诉我，他们系隔壁的一栋楼里面发现猪流感疑似病例了。我心说，终于来了，看来安娜堡也跑不掉了。不过美国人并没有多么紧张，大家该干什 么干什么，仍旧照常上班，我也就随大流了。昨天室友又说，疑似病例被排除了，是虚惊一场。不过看到国内对猪流感如此大的阵仗，我还是觉得很有趣。一朝被蛇 咬，十年怕草绳。非典之后，中国政府就对这类传染病特别敏感。实际上也是值得的，基本上把病例都挡在了国门外没有引起国内的大流行。日本就是一个反面的例 子。这个流感确实蛮邪乎，都已经是初夏了，温度也接近30度了，仍旧在广泛的传播。虽然美国人现在都有些不在乎，可我不能掉以轻心。但愿能早日平息，如果 到我9月回国仍旧如此，那我不是可能被隔离1周！

开始写博士论文

9月份就要回国了，我现在已经开始写博士论文。我的做法是把以前发表的论文，以及写出的草稿一股脑的拷贝到文章中去，然后开始翻译。第一章和最后一章结论 留到最后写。目前比较头痛的事情是论文页数可能不够，正文部分（包括附录）只有60页。一旦我翻译成中文，肯定还会缩水。现在的想法是，增加附录，把以前 的一些算稿尽量加到附录中去。这样，加上我最后再写的绪论与结论两章，论文主体部分应该可以凑到70页以上。整理以前的算稿，发现有两个完整的工作并未发 表，这次也准备加一个到博士论文中去。每周都写一点，翻译一点自己的论文，争取在回国前就写出一个初稿来，交给导师修改，回国后就基本定稿，然后申请博士 答辩。