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。

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“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3060。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:0902.2659arXiv:0902.2653Phys. 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26×10^9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。