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。

代发广告：肖云峰研究员招收博士生和博后

北京大学人工微结构与介观物理国家重点实验室肖云峰系北京大学“百人计划”特聘研究员，博士生导师，创立了微纳光子学研究组。他们组现在的研究方向是芯片上的光学微腔的理论与实验研究。该类光学微腔可以应用于低阈值激光器、高灵敏度生物/化学/运动微型传感器、量子光学、非线性光学和量子信息处理等前沿交叉学科的研究。

肖云峰研究员，2007年中国科学技术大学博士毕业。攻读博士期间，他曾到美国俄勒冈大学，加州理工学院和哥伦比亚大学访问。2007-2008年在美国华盛顿大学(圣路易斯)电子工程系从事博士后研究。近五年来，在国际期刊Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. A, Appl. Phys. Lett., Opt. Lett.，Opt. Express等共发表学术论文30余篇，共被引用超过百次。被邀请为以下期刊的审稿人：Physical Review A, Phys. Review B, Applied Physics Letters, Physical Review Letters, Applied Optics, International Journal of Modern Physics B 和 Central European Journal of Physics.

下面是他们组招人的广告。

Opportunities for postdoctoral scholar and graduate students

We are looking for self-motivated postdoctoral scholars and graduate students who are interested in studying fundamental optical physics and exploring interesting phenomena in micro/nano-scale photonic devices. We are interested in scholars and students with background in physics, applied physics, electrical engineering, biology and material science. Currently interests of our group are ultra-high-quality optical resonators and their applications for low-threshold lasing, bio/chem sensing, nonlinear optics and quantum information processing. Scholars and students are also encouraged to extend our ultra-high-quality microresonators in more areas.

Opportunities for undergraduate students

We welcome undergraduate students who have passion in science and new technology in optics and photonics to join our group. Interesting projects in the areas of microfluidics, sensing, and nano/micro-fabrication are available for undergraduate students.

Communications should be sent to Professor Yun-Feng Xiao through yfxiao [at] pku [dot] edu [dot] cn

打网球，写饭否

安娜堡的冬天终于过去了。上个星期还下了雪的，本周终于阳光明媚了。接下来就是美好的夏季了，又是适合打网球和烧烤的时节。其实我们早就忍不住，上周去打过一次网球，坚持十分钟，被冻回来了。第二天就开始下雪，简直难以相信，4月了还会下雪。最近我在玩饭否，摘录几条我在饭否的胡言乱语，算是这几天的记录。我在博客的边栏上加上了我的饭否胡言乱语，这里还是保持谈论学术为主。

天气明媚，春光灿烂，是打网球的好时节啊！ 2009-04-10 06:25 通过 QQ
今天居然能够在10点之前醒，我自己都佩服自己了！ 2009-04-10 22:24 通过 FanFox
来实验室的公交车上，听到一位女孩说她马上毕业答辩，然后回国休息2个月。不禁泪从中来，我还有5个月才能回国啊！答辩还不知道什么时候呢。2009-04-10 23:23 通过 FanFox
听说清华离家出走的物理系副教授月工资只有三四千，连房租都只是勉强够，买房子就更别想了。如此残酷的事实，坚定了我出国做博后的信念！以后找工作，首先排除北京和上海。 2009-04-11 00:31 通过网页
分享《我的ResearcherID》：把自己的研究论文收集起来，一目了然。 http://www.researcherid.com/rid/B-145… 2009-04-12 03:38 通过饭否分享
以清华物理系出走的副教授为戒！ 约 18 小时前 通过 QQ 签名
刚刚给家里打电话，听到外面一直在放鞭炮。想了想，才知道，是复活节。现在怎么这么时兴过洋节呢？ 约 18 小时前 通过 FanFox

减小核自旋引起经典噪声的办法

对量子点系统来说，电子周围的原子核环境是经典噪声的主要来源。原子核的有效温度一般远远高于其居里点，所以可以认为他们处于一个完全混合态。其磁场的去向是完全杂乱的。但同时也是变化缓慢的。因此对电子来说，我们认为这是一个准静态的经典噪声。要消除这个噪声的影响，人们可以用回声法(echo)。另外人们发现，通过主动的驱动控制，是可以冷却核自旋，从而减小噪声的。

一种给核降温的办法是极化。当所有原子核都极化后，它就处于一个特定的状态，等效于零温。那么经典噪声就没有了。要实现这个，我们需要很强的驱动，对系统进行高效的极化，只有达到90％以上的极化后，才能有效的提高相干时间。在量子点系统中，极化率只达到了一半左右。在钻石NV系统中，极化率高很多，差不多有90%以上。因为NV系统的核自旋很少。另外一种办法，就是加强磁场，强迫核自旋极化。但是所需的磁场强度远远高于目前的技术所能实现的磁场。

最近，人们发现，通过巧妙的控制量子点与环境的耦合，我们可以把经典噪声压缩。或者说在外加控制下，核自旋感受到一个有效的势阱，能把核自旋产生的有效磁场聚焦到某个点上，大大减小这个噪声的分布宽度。虽然各个方案产生势阱用到的物理机制各有不同，但是用于计算相干时间所用的数学公式都是一样的，都是Fokker-Planck 方程，一个用于计算非平衡态的经典方程。在各种理论以及实验方案中（比如Phys. Rev. Lett. 99, 036602 （2008），arXiv:0902.2659），相干时间都能延长一个量级以上。这类方案是很有好处的，因为核自旋的取向能够维持若干秒钟，因此一次制备核自旋状态后，能够管很久。回声技术需要持续不断的加脉冲进行控制，这里就给免了。这个想法，也许能够帮助我们理解另外一个相关的实验，在那里核自旋只不过极化了1％，可是相干时间延长了70倍以上。

面积定理很有趣

从量子信息的角度出发，人们在多体系统中发现了所谓的“area law”， 这是一个非常重要的定理，一个很重要的应用就是解释为什么DMRG算法对一维的凝聚态系统会那么有效。因为除了相变点附近，系统两个部分间纠缠的增长随着 系统增大是多项式增加的。或者说这个多体系统只有一点纠缠，我们可以用经典的算法来高效的模拟它的行为。另外也是从量子信息角度研究多体物理相变的一个重 要工具。我虽然不做这个方向，但是今天跟同学交流了一下，觉得它非常有意思。记下来，以后有时间了，可以研究一下。

update：再记录几篇有用的综述文献，一篇是有关麦克斯韦妖的，另外一篇是关于量子噪声与量子测量的。 前者比较短，二十多页，可以浏览浏览。后者极长，达100多页，其中一半是附录，可以作为工具书来参考。

转载一条新闻

“非平衡物质结构及量子调控”教育部重点实验室建设启动

3月21日下午，“非平衡物质结构及量子调控”教育部重点实验室建设启动大会在理学院中2-1200教室召开。宋晓平副校长、程光旭副校长出席启动会，理学院各部门领导和物理、化学学科的全体教师、研究生参加会议。会议由校长助理、科研院常务副院长席光主持。

作为“非平衡物质结构及量子调控”教育部重点实验室主要负责人，宋晓平副校长从实验室发展历程、已有成绩、存在差距和发展目标与建设任务以及拟采取 的措施等详细介绍了实验室的基本情况。他指出，重点实验室的建设不仅是理学院物理、化学、材料学科在学科交叉与融合方面一次新的跨越，同时也是我校理科基 地建设的又一突破，标志着我校理科研究平台又有了一个新的起点。

程光旭副校长希望理学院借助学校“985”三期工程对物理、化学学科的良好支撑，使实验室成为理科人才培养的基地。

理学院李福利院长指出，重点实验室建设对于推动理学院物理、化学学科建设具有重要作用，学院将以重点实验室建设为契机，通过学科交叉与融合，形成我校物理和化学学科的特色。

会上，实验室四个研究方向的学术带头人分别围绕各自的研究领域做了精彩的报告。“非平衡物质结构及量子调控教育部重点实验室（筹）”依托物理、化学 和材料物理与化学三个学科建设。实验室充分体现理工结合的特色，倡导科学与技术相结合，促进学科交叉、创新与进步，强调原始创新与重大突破。在非平衡态物 质结构和量子调控领域，已开展了纳米科学与技术、亚稳微结构电接触材料、纳米磁学与磁功能材料、非平衡态铁电功能陶瓷、非平衡态光学材料、先进功能材料及 介观物理的基础理论等方面的研究。

继续梦想冷却镜子

一年前，我写过一篇blog，叫《冷却镜子的梦想》，稍微介绍了一下这方面的理论与实验进展。这一年来，实验上已经有了很大的进展，相关的理论也更加深入了。一年前，在光机械振子系统中，从室温开始冷却后的平均热声子数是5000多。现在，通过把系统浸泡在液氦环境中，初始环境温度2K附近，人们已经实现了把振子的平均热声子数降低到30到60。距离人们的梦想，平均声子数1以下只剩下一个量级多一点了。

这是一个进展十分迅速的领域，我相信人们能够在最近两三年内实现把镜子冷却到量子区域的梦想。一旦实现了这一梦想，将会产生广泛的影响，有很多激动人心的应用。比如制备机械振子的宏观量子纠缠态，压缩态等非经典态，探索量子力学与经典力学的边界;比如制备超过量子极限的探测器，用于探测极微小的位移和力的变化。这一技术对于观察引力波极为重要。我也想在这个领域留下自己的印记。去年我们曾经尝试过，后来放弃了，因为感觉可做的理论基本被人做完了。后来调整研究题目，写了一篇把光机械振子作为连续变量纠缠光源的理论方案。最近我重拾这个梦想，找了一个比较特殊的角度来做一点理论方案。希望这次能够做出一个完整的，对实验有参考价值的工作。

有关减小量子点退相干的理论与实验方案介绍，我会等一段时间再写。对此有兴趣的，可以先参考下面几篇文献：arXiv:0902.2659，arXiv:0902.2653，Phys. Rev. Lett 100, 056603 (2008)。

更新：有关冷却镜子应用于探索经典与量子的边界，见格致最近的一篇翻译文章，写得极好。

自然选择的量子特性

S Lloyd在最近的一期《Nature Physics》上写了一篇评述《A quantum of natural selection》。我读完后觉得这是一篇极好的文章。把其中的要点给大家介绍一下。

量子力学给了自然选择丰厚的礼物。主要有五件礼物：稳定性，可数性，信息，信息处理和随机性。在Lloyd眼中，自然选择包括从宇宙大爆炸到现在世界变化 的整个过程。正是有了量子性，我们的原子才是稳定的。正是因为观察宇宙的是分立的粒子，我们才可对这些粒子的构成，性质进行分析，因为它们是可数的。量子 系统中，两种正交的状态构成一个比特。量子比特，由于量子相干性，其可能状态是指数递增的。DNA分子中包含6×10⁹ 个比特，而它可能处于的状态是2^{6×10^9}个。这是一个天文数字，要知道宇宙粒子总数只有2³⁰⁰个。 信息处理包括把1变成0或者其它逻辑操作。在自然界中，每次两种物质通过化学反应生成第三种物质，就算一个信息处理过程。对DNA分子的信息处理更加复 杂，但是基本原理是类似的。随机性，这种特性人们一般认为是坏的，但是对量子力学来说，天然存在。正是有了随机性，才有了生物多样性。

人们一般以为量子特性只能在实验室低温情况下存在。因为高温会带来极快的退相干。 但是2007年人们在某种大分子中也发现了量子特性。这种大分子是一种细菌用于完成光合作用的。实验是在几十开尔文下做的。但是人们相信在室温下这种量子拍特性仍旧会存在（译注：2009年已经证实），理论计算表明量子传输效率在290开尔文下达到最大。这种量子特性完美的解释了为什么光合作用时能量传输效率超过99%。从经典的统计物理是无法解释这一现像的。

最后，作者对物理基本定律也做了一点评述。我们所知的物理定律也可能是自然选择出来的。Lee Smolin提出宇宙可能有很多个，从婴儿宇宙慢慢发展到我们这个成熟的宇宙。这些婴儿宇宙很类似，但也有小的差别。在这个过程中，有一些宇宙会被自然选 择出来，因为它们的物理定律支持生命，而其它表兄弟宇宙不支持。或者通过景观(landscape)理论，应该存在10⁵⁰⁰ 个不同的物理定律，都可能用于构造我们现在的这个宇宙。量子力学本身也是这些可能的物理定律之一。它之所以被自然选择出来，原因很简单，正如我们所见，它为生命出现提供了如此之多的条件。

量子点的主要退相干机制

量子点中的电子自旋作为量子比特是一个很有意思的实现量子计算的路径。它直接与现有的半导体技术对接，有很好的可扩展性。一个重要的技术与理论问题就是理解量子点的退相干机制，从而克服强退相干带来的不利影响。

要研究这个问题，我们首先要理解量子点这个模型，包含了哪些部分，且相互作用如何。构成量子点的材料一般是GaAs或者InAs。我们可以用自组织 法或者界面涨落来制备量子点。量子点一般是一个直径几十纳米，厚几纳米的圆面，电子可以被束缚在里面。我们可以认为电子是被束缚在一个二维的间谐势阱中， 其电子波函数应该是高斯型的。在量子点中，还存在着很多的原子构成的晶格。很显然，电子与原子核直接有相互作用，是自旋间的超精细耦合作用。临近的核自旋 间也有互相耦合。另外以电子作为媒介，能够诱导出两个相互远离的原子核直接的耦合作用。另外，在量子点周围加上磁场，可以控制量子点内部的能级分裂。

在 实验室中，我们一般是在液氦的低温区进行实验，这样能够减小晶格热噪声。可是对原子核自旋来说，它的居里点大概在μK量级，因此核自旋是完全杂乱无章的。 核自旋与电子自旋的耦合会引起一个有效的磁场。可由于核自旋取向完全无方向，因此这个有效磁场平均值为零，但根方差大概为几个毫特斯拉。 这是一种经典的噪声，能够引起电子自旋中的退相干。这种退相干对应的特征时间叫做T2*，一般为1-10纳秒。实际上电子自旋的相位信息并未完全丢失，我 们可以用回声技术把相位从新从核自旋中收回来。所谓回声技术，就是在时间T对电子自旋做一个X操纵，相当于让它进行时间反演运动。那么再过相同的时间后， 经典的有效磁场噪声的影响就被消除了。理论上，通过这个技术可以把退相干时间增加1000倍，达到10μ秒。

把经典噪声消去后，核自旋之间 的直接相互作用就占主导了。它的特征时间就是微妙量级，用T2表示。要提高T2，我们必须让核自旋完全磁化。为此必须降温到居里点一下，或者外加强磁场迫 使它磁化。可惜这二者技术上都不可行，超过了现有的技术。另外还有一种相互作用叫做自旋轨道耦合，能够直接引起电子自旋之间的跃迁。这种机制带来的退相干 时间也是微秒量级。

目前人们最感兴趣的就是如何把T2*延长到T2。虽然回声技术很强大，但是它也有弱点，我们需要很多脉冲来控制自旋，会 增加实验难度，也会引入新的噪声。为此，我们希望能够用某种机制减小核自旋的经典噪声。比如我们可以通过驱动光或者驱动电流来极化核自旋，当核自旋完全被 极化时，自然就减小了有效磁场的噪声。或者我们也可以通过测量等手段，把核自旋制备到某个磁量子数固定的状态上，也能有效的减小噪声。最近一个有趣的进展 是通过自稳定的办法，把核自旋舒服在某个磁量子数附近，可以有效的延长T2*达到几十倍。而且由于核自旋的有效磁场衰减时间很长，达到几秒钟。这这个时间 尺度内，电子退相干时间都能够被有效的延长几十倍，而不需要额外的控制操纵。在下一篇blog里，我会大致讲讲这类工作的主要思想，以及相关实验。

近期论文

最近放春假，我休息，看到了一些论文，觉得有意思，推荐给大家。

第一是Xiao-liang Qi等人提出的在三维拓扑绝缘体系统中探测到磁单极子的理论方案，刚在《Science》上发表。 他上星期来我们这里做报告时提到了这个工作，我完全听不懂。不过这个工作对物理学家来说，显然是具有广泛的兴趣的。

另外一个是跟光合作用有关的两个工作。 第一个工作，测量了光和作用中的量子效应。这个工作是对2007年一篇发表在Nature上的工作的 进一步发展。这篇论文中应用了四波混频的技术，能够同时测量不同频率的光与叶绿素分子之间的反应过程。所谓四波混频，意味着有三束光固定了角度与频率，射 入样品。第四束光是宽频的激光，且使得分子发射的光包含垂直与水平偏振两种成分。由于能量守恒与动量守恒，我们可以通过出射光的光谱，偏振反推出光合作用 时分子内部能量是如何传输的。比如是否是相干传输，哪些波段的光能量是被相干传输的等等。在APS的焦点新闻的最后，作者Mercer 说这个工作有可能 对模拟光合作用设计更加高效的太阳能电池有促进作用。不久后，《物理世界》报道了一个提高太阳能电池效率的方案，他们的灵感也是来自光和作用。他们利用量子点模拟光合作用中的非幅射能量传输过程，理论上预计可以把太阳能电池的效率从18%提高到31％。

新的一周，新的报告周

02/16/2009: Faculty Candidate Seminar
Topological Effects in Time Reversal Invariant Insulators
4:00 PM to 5:00 PM, 335 West Hall
Speaker: Dr. Xiao-Liang Qi (SLAC)
02/17/2009: CM-AMO Seminar
Collective Biphoton Emission from Atomic Vapors
Speaker: Michael Moore (Michigan State University)

02/18/2009: Physics Colloquium
The Polarization of the Cosmic Microwave Background Radiation

4:00 PM to 5:00 PM, 340 West Hall
Speaker: Bruce Winstein (University of Chicago)
02/19/2009: Faculty Candidate Seminar
Polarized Fermi Superfluids

4:00 PM to 5:00 PM, 335 West Hall
Speaker: Dr. Meera Parish (Princeton University)

这些报告也准备都去听听。尤其是第一个报告人，是我前室友的同班同学，1999年考入清华基科班，2007年清华博士毕业，一定要仔细听听。