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

线性方程组的量子算法

[0811.3171] Quantum algorithm for solving linear systems of equations

这篇论文中提出了一个非常漂亮的量子算法，把求解稀疏矩阵方程的复杂度由O(n)降低到log(n)。我们现有的量子算法，比如Shor算 法，Grover算法大都只能对经典算法作出多项式性的改进，可这个算法把最好的经典算法效率作出了指数性的提高。更加重要的是，这是第一个解决了我们科 学和工程中最常见的问题的量子算法。像Shor算法那样破解密码毕竟用途有限。在实际的工程和科研中，我们遇到最多的问题就是解线性方程组，且我们遇到的 大部分线性方程组都是稀疏的，维度也非常高。经典算法为了解决这个问题，作出了诸多努力，但是现在最好的算法也只能达到O(n)的复杂度。这个量子算法告 诉我们，利用量子计算机解我们经典世界最常遇到的线性方程组，会非常非常快，我们可以解近乎无限维的稀疏线性方程组。我相信这会帮助我们解决以前无法解决 的问题，长期天气预报，更加有效的网络检索处理。问题只在于，我们什么时候才能造出真正实用的量子计算机。

Two experiments in CQED system

记录一下最近的两个很重要的CQED系统实验。

第一个实验是 刚刚发表在《Science》上的，在这个实验中，单个光子与单个原子纠缠了起来，这个过程是确定性的，而不是概率性的。原子是束缚在腔中的，把光子导出 腔，成为光脉冲，有可能把不同节点中的原子纠缠起来。这是实现量子计算，量子通信的很重要的一步。基于这个实验进展，段路明2004年提出的利用光子被束 缚原子的腔反射，可以实现光子的量子相位门的那类理论方案很可能在最近一两年内实现。这是分布式量子计算的一个很重要的进展。

第二个实验刚刚在arXiv上公布，讲的是在微波腔中对光子数进行非破坏性测量。两个多星期前，Glauber的报告中曾经提到过这个实验。这个实验第一次对相干光的粒子数分布进行了测量，理论与实验非常吻合(见论文中的图3)。这个实验也是第一次对光子从粒子数为5的粒子数态通过量子跃迁到4,然后是3,2,1,直到衰减到0个光子的过程进行了实时检测。

压缩真空强度达到10dB

前两天看了一篇论文，报道说他们制备出了压缩度为10dB的压缩真空源。更加通俗的说，这个压缩真空场可以把共轭的两个算符中的一个的噪声压缩到真空噪声的1/10，同时另外一个的噪声就被大大的放大了。由此可以更加精确的测量它，突破海森堡量子极限的限制。这个压缩真空源可以作为压缩真空实验的一个指标性的工作，因为经过了20多年的研究，这还是头一次实现如此高的压缩真空。

这个技术可以用于探测引力波，比如正在进行的LILO计划，也可以用于连续变量的量子隐形传态。人们估计通常的引力波引起振子的振动比真空噪声振幅还低，因此必须压缩真空噪声才可能观测到引力波。在探测引力波的研究中，宽频的压缩真空照射在探测器的本地振子上。通过锁定和调整二者的相位差，可以大大的降低真空噪声，从而可能观测到引力波的影响。这里的压缩真空实际上代替了一般的真空，成为探测器振子所感受到的量子库环境。我前不久的那个工作想法也是类似的，希望用宽带的压缩真空来实现一个有效的压缩真空库环境。不过与这里不同的是，我希望这个压缩真空库的参数比如压缩真空度，压缩相位，是完全可控的，这一点目前可能还比较困难。

写到这里，我想应该花点工夫对压缩真空做一点点解释和科普。现在我没有空，准备也不充分，等我下一次写日志时，我再好好写写。

Recent interesting papers

Paring Without Superfuidity: Ther Ground State of an Imbalanced Fermi Mixture, by Ketterle’s group, report s that the mixture of Fermions system, with the majority in the same spin state, doesn’t become superfuid even at zero temperature, though the minority atoms are pairing. This discovery may enable insights to high- temperature superconductivity. More news on the article are from Science Magzine, PhysicsWeb.

Toward achieving a low energy state of a gram-scale mirror oscillator, reports that on use of a radiation pressure induced restoring force, the optical spring effect, 1 gram mirror, with 10^22 atoms, is optically cooled to a minimum temperature of 6.9 mK, which is 100 factor lower than the experiments previously reported. The authors are comfident that they can cool the gram mirror approach to ground state with the present technologies.

Quantum Correlation Without Classical Correlations?, by Dagomir Kaszlikowski, Aditi Sen (De), Ujjwal Sen, Vlatko Vedral, and Andreas Winter, shows that genuine multipartite quantum correlations can exist for states which have no genuine multipartite classical correlations, even in the macroscopic systems. This may have important implications in quantum information and phase transitions. For example, it opens up the possibility of phase transitions that are detectable by quantum correlations only.

Generating Entangled Photons from the Vacuum by Accelerated Measurements: Quantum Information Theory Meets the Unruh-Davies Effect, by Muxin Han, S. Jay Olson, Jonathan P. Dowling, shows that projective measurement by a uniformly accelerated observer can excite real pariticles from the vacuum in the inertial frame. They also show that the maximally entangled partical states in the inertial frame of reference can be created within this process.

Quantum origin of quantum jumps, perfect lens

In the paper “Quantum origin of quantum jumps: Breaking of unitary symmetry induced by information transfer and the transition from quantum to classical“, M. H. Zurek discussed origin of quantum jumps. He showed how to derive the collapse postulate when a transfer of information essential for both measurement and decoherence is modeled as unitary quantum porcess. The paper contains fruitful ideas and is very easy to read.

As PhysicsWeb reported, two groups in USA showed how to realize sub-wavelength lens through negative refraction materials. Their works reveal the possibility of optical imaging proteins, viruses and DNA, because in principle, the negative refraction lens can rsolve objects only a few nanometers across. I have no idea on negative refraction materials. But I think it is cool! So I download the papers and plan to read it thoroughly.

SciRate.com

Dave Bacon刚刚公布了一个新的科学网站：SciRate.com。这是一个基于digg.com，arxiv，以及开放获取的网站。

据Bacon说，他之所以建这个网站，是因 为arxiv中的论文越来越多，但是质量并不都那么好。从中找好的论文，是很费工夫的。比如通过关键字搜索，并不全面。通过引用率来找好的论文，又实在太 慢了。利于SciRate中的投票系统，得票高的论文将排在前面，就象digg.com网站中的新闻排序规则一样。他相信，依靠这种人工的过滤系统，最后 能够把好的论文给留下来。现在SciRate只覆盖了arxiv中的quant-ph部分，因为Bacon自己只读这部分的论文。他希望以后能够扩展到其 它方向。

现在的SciRate.com还只是一个雏形，实现了最基本的投票功能。Bacon说他将会很快的来完善它。我觉得目前这个网站更象是一个实验。我希望它能够成功，能够最终成为一个强有力科研的工具。如果你对这个网站感兴趣，可以去网站的blog留言。

Slow measurement in quantum computation

In “Effective Fault-Tolerant Quantum Computation with Slow Measurements“, David P. DiVincenzo and Panos Aliferis discussed a very important problem in fault-tolerant quantum computation, does the speed of measurement influences the quantum accuracy threshold greatly? As all investigation on the threshold was based on fast measurement, which is no longer than a few gate operation times, they considered the slow measurement case, that is a measurement takes 1000 gate operations. They found that the slow measurement has a very minimal effect on the quantum accuracy thresold. Their results may be a good news for solid-state quantum computing, where the measurement canot be as short as gate operation times.

Nature Physics开始发表科幻小说

从2007年一月这期杂志开始， Nature Physics开始了一个新的栏目：Future，专门用来刊登与物理学有关的科幻小说。去年Nature上刊登过科幻小说，今年科幻小说转移阵地到了Nature的子刊Nature Physics。一月份这期上刊登的科幻小说名字叫“The dancing flea”，我看完后不知道它到底说些什么。希望下一期能够更好一点。

Ultrahigh quality cavities

Recently, two groups reported their progresses in manipulating ultrahigh Q cavities.

Ivan S. Grudinin et al. demonstrated a record quality factor of (6.3 pm 0.8) times 10^10 in crystalline whispering gallery mode resonator, corresponding to cavity ring-down time of tau approx 36 {mu}s. They found for a 100 {mu}m LiNbO3 cavity, a single photon would shift the cavity resonance by as much as 6 Hz. Such shift could be detected with optical techniques. This allows the quantum nondemoliion measurement for the number of photons in a cavity. I hope the shift can be enlarged in future. If the shift is large enough, this resonator may be used as a device to entangle photon qubits.

S. Kuhr et al. built a Fabry-Perot supeconducting resonator with quality factor Q = 4.2 times 10^10 and finesse 4.6time 10^9. The demping time T_c of the cavity is as long as 130 ms at resonante frequency 51 GHz and temperature 0.8 K. In previous experiments, T_c was limited to 1 ms. The field damping time of their cavity is 100 times longer than previous ones. I think this microwave F-P resonator is very powerful for realizing quantum information processes. The coupling strength g between atom and cavity is about 310 kHz, which is 4 orders larger than cavity decay rate. As I discussed before, realizing a entangling gate in this system only requires time of 1.7/g, and realizing a nearly perfect controlled-Z gate only needs 3.4/g.. Therefore, the effects of cavity damping can be neglected. Besides, for Rydberg atoms with quantum number 51 and 50, the spontaneous emission rate is of the order 10^2 which is 3 orders lower than time needed in quantum processes. Therefore, a almost perfect quantum logic gate (with fidelity larger than 0.99) may be realized in this cavity.

arXiv will change its identifier

预印本网站arXiv发表了一个声明，说从明年1月1日开始更改它的文件名规则，可以去这个网页上看看。现在看来，某些领域一个月的新文章已经超过了1000篇，所以arXiv才不得不更改文件名规则。网页上还说，如果按照现在的趋势继续增长的话，那么10到15年之后一个月的新文章就会超过一万篇，当然也许有一天也能够达到10万篇/月。那是怎样的一个情景呀！我的天呀，这不就真的成了bbs上灌水了。但愿那一天不要到来。

我也来学一点量子黑洞

最近一期的《Nature Physics》上发表了Leonard Susskind的一篇综述(Nature Physics 2, - pp665 – 677 (2006))，详细讨论了量子黑洞佯谬的来龙去脉，以及弦论中对量子黑洞佯谬的解释。我昨天晚上花了近两个小时来读这篇十几页的综述，感觉是一读就停不下来了，Susskind的描写很吸引人，公式很少，但对公式的解释很详细，也很易懂，让我这个外行也了解了一个大概。

我对里面那些精妙的理论印象非常深刻。比如，当光子的波长比黑洞视界的线度还要大时黑洞就无法吸收这个光子而是反射它，利用这个可以推导出黑洞是有熵的，且与视界的面积成正比；黑洞是有温度的，是会对外做黑体幅射的，真是不可思议，理论的威力一至于斯。在弦论中为了解释黑洞所做的许多努力也很有意思。比如封闭在一个有限区间内的弦被认为是黑洞，为了计算这个黑洞的熵，需要得到其中的微观态的数目，可是无法直接计算这种形态下的弦，于是用到了量子绝热定理，将它绝热的变为自由的弦，绝热 变换不会改变系统的状态数，因此就可以算出黑洞中的微观态的数目，由此得到黑洞的熵。这样计算出的熵正好也是满足与黑洞视界面积成正比的关系的。另外，这篇综述还用了大量的篇幅来讨论霍金的黑洞信息丢失佯谬问题，通过引入黑洞的互补原理，解决了这个问题。对这个问题的讨论我是很感兴趣的，因为我看过一篇文章，宣称通过类似teleportation的手段使得进入黑洞的信息高保真度的跑出来了。这应该算是量子信息与黑洞理论的一个结合点。如果我想更加详细的了解黑洞理论，从这里切入是比较合适的。

我也注意到，整篇综述没有提到实验，也没有正面提到天文观测。但是所有的插图都是天文观测中可能是黑洞区域的图片，似乎以这种方式提醒人黑洞并不仅仅是理论。

BEC的新实验

这一期的Nature上有两篇关于准粒子BEC的实验文章，一篇宣称在二维激子系统中发现了高温BEC，转变温度为17k，另外一篇宣称在半导体的磁振子系统中发现了室温BEC。简直让人难以相信！Nature还刊发了一篇评论文章，提到了这两个实验与传统BEC概念的区别，它认为这也许不能被当作是BEC，因为粒子数不守恒，不过可以看成是某种凝聚现象。实验上能够观测到凝聚，也可以看到自发的相干性，可以看到粒子的干涉。

说起BEC，我们知道，在冷的费米子气体中，利用Feshbach共振我们已经能够得到费米子对，且可以观测到相应的BEC现象。我的问题是，在二维的任意子系统中我们能不能找到类似的办法把两个自旋为1/4的任意子结为对然后看到任意子对的BEC？注意，两个自旋为1/4的任意子对的整体自旋应该为2^2 \times 1/4 = 1，正好是一个玻色子。也许BEC理论禁止了这种凝聚的出现，也许不会，谁知道呢！

牛顿桶中美丽的漩涡

如果一个盛满水的圆柱体底部快速的旋转，会出现什么现象？这就是最近一篇PRL所研究的问题。当我刚从PhysicsWeb上看到这篇新闻时，我感觉这很象是高中物理中的实验。可是当我仔细的看完论文中的图片后，我得承认这是一个非常漂亮的实验。当旋转速率足够大时，会出现明显的多边形漩涡，图案非常美丽。看到这么美丽的图案，我甚至想自己试试来做这个实验，因为它看起来真的非常简单。

从左到右分别是三角形，四边形，五边形的漩涡。

角落处相互垂直的漩涡。

更多的图片可以从这个网址看到。

Artificial Gravity?

欧洲航天局的研究人员宣布他们在实验中发现了”Gravitomagnetic London Moment”，他们又称之为“重力感应磁场”（gravitomagnetic field）。Slashdot上对此的报道题目是“First Steps Toward Artificial Gravity”。不过公布这个发现的研究人员并没有肯定说他们的发现就是人工引力，在他们的论文最后他们希望能够有其他的实验组重复他们的实验来确认他们实验的正确性。对于这个发现，许多blog中的评论都是对此很怀疑，希望能够看到更多更好的数据。

实验论文：gr-qc/0603033
理论分析：gr-qc/0603032

相关的报道：The Quantum Pontiff ，Uncertain Principles

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