Notes on Noncloning Theorem


  前天我一位师弟通过bbs发信问我,为什么量子态如果可以克隆,那么超光速通讯就能够实现呢?当时可把我问着了。我听说量子态不可克隆定理好久了,可 是对它与超光速通讯之间的关系还是不很清楚。我思考了好久发现大脑中一片模糊。只好找了一些参考资料来看看不可克隆原理的证明是什么样子的。
其实量子态不可克隆原理很简单,就是说我们无法输入一个未知的量子态以及确定的量子态通过幺正操作输出两个未知的量子态。可它跟超光速通讯有什么关系 呢?我想不明白。于是我求助于原始文献。最早提出量子态不可克隆定理的是Wootters以及Zeruk,他们在1982年在《Nature》上发表了一 篇只有一页多一点的论文(Wootters and Zeruk, Nature 299(5886), 802 (1982)),证明了单个的量子态无法被克隆。
这篇论文一开始就讲的很清楚,如果量子态可以被克隆,那么依照EPR的论文, 超光速通讯就可以实现。我们让两个粒子处于EPR态(纠缠态),然后让他们远离。对第一个粒子测量其极化方向,它会塌缩到某个本征态,而第二个粒子也就塌 缩到与这个本征态正交的极化方向了。如果我们可以用一个克隆机器连续的克隆第二个粒子的状态,然后测量它的极化方向,那么我们就可以清楚的推知第一个粒子 的极化方向。用这个办法,不象Teleportation那样要借助经典通讯,我们就可以让信息的传输速度超过光速。当然,不可克隆定理告诉我们这个理想 的量子克隆机是造不出来的,超光速通讯也就无法实现了。
也许我们会问如果不克隆量子态,直接测量极化能行么?不行。因为对第一个粒子的测量方向是任意的,所以第二个粒子随着塌缩的方向也是随意的。我们不知 道这个方向,对它的测量就会影响它,测量后就不再是原来的量子态了。如果能够克隆,那么就没有这个限制了。我们可以测量无数的态,用这些相同的量子态我们 最终可以确定极化方向,而其量子态的信息仍旧保留。也就是说量子态不可克隆定理决定了信息的超光速传输是不可能的。

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He choose leaving!


  今天我看到王垠贴在自己主页上的《清华梦的粉碎—写给清华大学的退学申请》,我非常的吃惊!因为王垠一直是我的偶像。
当年我之所以学习Linux,之所以能够学会LaTeX,都是因为我发现了王垠的主页,从中我学到了非常多的知识,我也明白了什么叫做学习,什么叫做 研究。当时我非常的羡慕清华的学生,我以为在清华象王垠这样的真正喜欢科学,把做研究当成乐趣的人很多。现在看来,我错了。其实王垠这种人不论在哪里都很 少,在哪里都是孤独的。
我以前只知道他是一个牛人,是一个对自己喜欢的东西非常狂热的人。看完这个,我才知道他属于那种最纯粹的理想主义者。我与他不是一路人。我自认为是理 想主义者,可是我不会做出他那样极端的事情,我会向现实妥协,我在一步步的走向现实。换成我,我不会从清华退学的。我很佩服他能够如此决绝的放弃学位,寻 找自己的理想,寻找一个能够完全发挥自己研究才能的地方。我猜他也很清楚,国外并不是如同他文中写的那么完美,可是如果不这样告诉自己,他如何能够下定决 心退学?
他的文字给人的感觉非常狂妄,可是他写来也许只是自然的事情,他不觉得有什么了不起。他心中有一个更加高的标准,他向往的是真正的让人激动的研究。可 是现实要他搞些他不屑的研究。我相信他对待他人是真诚的,可他的那种叫真的个性让他与环境发生了激烈的冲突。这是个体与集体的冲突。他是一个天才,具有很 高的智商,很强的研究能力,也有很强的合作能力。这样的人如果委屈他做些小打小闹的东西,是浪费。可是现在的教育体制并没有让这样的人感到自在。出走也就 是顺理成章的事情了。
对照他的文章,审视我自己的研究,我知道自己始终还是一个俗人。有一点小进展我就喜欢显示一下,而且急于写成论文发表,因为奖学金什么的都从这里来。 我知道研究需要积累,自己做的那点小东西又算什么呢?现在回头看我做的结果,确实没有什么大的价值。可是我的天分不能和牛人相比,我的起步也只能从这个低 水平开始。我很现实,我只有一步步的提高自己的水平,慢慢的往下做,尽自己的能力。我想这个教育的体制就是为我这种人设计的,或者我在这种教育体制中适应 了它。所以王垠选择了离开清华,追求国外更加宽松和纯粹的研究环境;而我选择了报考本校的博士,在国内完成自己的学业。我知道这是目前最有利于我的发展, 又是我能力所及的一个选择。
我祝福王垠,愿他找到自己满意的学校,做出优秀的研究成果。我也祝福自己,希望自己在未来的博士生期间扎扎实实做好研究,做出真正让自己满意,而不是满足虚荣心的研究工作。

    Update:
    cathayan在他的日志中对此事的评论一评论二
    kDolphin在他的日志中对此事的评论

Only years away for Quantum Computer?


David Deutsch posted an entry on his blog recently, in which he thought there were only years away for universal quantum computer.

For a long time my standard answer to the question ‘how long will it be before the first universal quantum computer is built?’ was ’several decades at least’. In fact, I have been saying this for almost exactly two decades … and now I am pleased to report that recent theoretical advances have caused me to conclude that we are within sight of that goal. It may well be achieved within the next decade.

The main discovery that has made the difference is cluster quantum computation, which is a marvellous new way of structuring quantum computations which makes them far easier to implement physically.

I am interested with cluster quantum computation these days. I am trying to generate cluster states by atoms trapped in cavities connected by fibres. Though I know something about cluster states, I know little about cluster quantum computation. After reading Deutsch’s words, I am curious about it. I downloaded the pdf file of the article and read it. I found it illuminating and worth to be read again. Maybe I can do something in this area.

I don’t agree with Deutsch’s prediction that quantum computer is only years away. But I am sure that thanks for the developing of several technologies and thories, we are closed to the birth of quantum computer. I hope there are still many important works to be done in quantum computer. If all things have been done, what can I do? Now the key point for me is finding those important questions in quantum computer&information and solving some of them.

Notes on Single Atom Laser


  今天参加讨论,聊到了单原子激光器。我觉得有必要记录一下当时讨论的单原子激光器的基本原理。
我们知道对传统的激光器来说,输出的是相干光。这个相干光的产生的关键是粒子布居数的反转以及谐振腔对激光模式的选择。其实我们常常有一个误解,以为 在激光器中,产生激光的原子是同时发生能级跃迁的,实际上不是如此。传统激光器中的增益介质原子的跃迁也是不同步的。可是由于外部腔场对模式的限制,原子 外部有一个很强的光场,在这个光场的作用下,原子受激幅射后产生的光子会加入这个场中,对场产生增益。这个大概是传统激光器微观过程的一个粗略的定性描 述。
我们现在看单分子激光器。所谓的单原子激光器,里面的增益介质只有一个原子,那如何产生相关光呢?奥秘还是在于谐振腔。由于外部的谐振腔存在,我们假 设初始时腔场处于真空态,原子处于基态。然后我们把腔中的原子泵浦到激发态,这样它会与腔场的真空模耦合,然后幅射出一个光子跳到基态。此时腔中有一个光 子。然后非常快的将原子再泵浦到激发态,这个时间比光子在腔场中耗散的时间要短许多。此时如同传统激光器那样,原子与场模相互作用,然后发生受激幅射,幅 射出的光子与前一个光子是相干的。就这样我们获得了一个单光子激光器。
为什么我们对单原子激光器这么感兴趣?因为我们希望找到一个完美的单光子源,不仅是每次只发射一个光子,而且光子发射的间隔时间也是恒定的,可控的。这样我们做量子信息,量子计算才能继续往下走。单光子源被称为量子信息中的圣杯。

    相关联接:

  • 首次报道单原子激光器的论文:J McKeever et al. , Nature 425, 268 (2003).
  • PhysicsWeb上的报道:First light for one-atom laser

Nanomotors and Molecular Locomotive


  今天下午复旦大学的王志松教授来我们系做了名为“Physics of Nano-work Cycles” 的报告。这是一个非常有趣的报告。
王教授在报告中介绍了他提出一个原创性的想法:纳米机车。他先从卡诺循环开始讲起。当年的工程师卡诺给出了所有机器做功的一般性的原理,奠定了热力学 第二定律的基础。1959年费曼提出我们是否可以在原子分子层面上设计控制机器。费曼当年之所以有这个想法,并且抱有肯定的观点,是因为他从当时刚刚兴起 的分子生物学中得到了启发。王教授介绍说,分子生物学研究表明,在生物体内就有这样的纳米机器。近年来的研究表明,我们体内的蛋白质就是由一种名叫 “Kinesin”的生物马达运输的,其能量由ATP提供。其实在这个过程中,就有一个功循环。
2002年的《科学》上有篇论文,指出可以用光致极化效应完成一个功循环。基本的原理是分子在一定波长的激光照射下其长度会变有两种长度不等的位形, 且其弹性系数不同。把分子一端用化学键粘在基底上,另外一端粘在控制端。初始时分子处于较长的位形,拉长控制端,然后用激光照射它,分子变为较短的位形, 这时就会很快的收缩,收缩到一定程度,又用另外一束光照射,让它回到较长的位形,它又会伸张,这样就完成一个循环。
王教授在这篇文章的启发下想到,如果我们可以让一个分子的两端与轨道用化学键联接起来,用激光控制化学键的开闭以及分子不同长短的位形,那我们不就可 以得到一个分子机车了么?想象一下,就像毛毛虫在树枝上爬行一样,这个纳米级的机车也可以在碳纳米管上爬行。之所以选择化学键,是因为对纳米机车来说,周 围的热运动太剧烈了,而化学键键能很大,对热运动免疫,利于我们控制。
王教授后来还提到一些技术细节,我这里就不记录了。但是我感觉这前面的想法非常吸引人。王教授说,这看起来就象一个玩具一样,可是是在精密的计算下得 到的。他说他现在准备从理论和实验上来完善这个纳米机车,希望能够尽快实现它。后来有人问这个纳米机车有什么用。王教授回答说,比如在医学中,可以用这个 纳米机车把药物直接输送到患处,减少副作用。还有很多别的我们现在还想不到的应用。因为这个纳米机车打开了一个新的物理世界,等待我们去探询。比如纳米机 车的卡诺定律我们现在就不知道。未来纳米技术的一个关键肯定是纳米机器的研究与发展。
最后记录一下报告前我们物理学科主任介绍王教授时说的话,我们做物理的,跟着别人的发现往下做,可以做出很大的成就,可是原创性的观念不是自己发明的。而象王志松教授这样提出一个原创的东西,开启一个新的领域,才更重要,才可能获得诺贝尔奖。