超低阈值的声子激光


我们知道,自从有了激光,人类在精密测量空间与时间上面就步入了新的时代。激光在真空或者透明介质的精密测量中,有广泛的应用。而对不透明的固体系统,如果我们要对其内部结构进行无损的精密测量,使用超声波是一种很好的方式。所以,如果我们能够做出声子激光来,未来就有可能用于固体内部缺陷或者微结构的精密测量。

近些年来,随着光力学的发展,声子激光也在光力学实验平台上获得了展示。我们知道光力学研究的立足点一直都是精密测量,所以声学激光被看成是光力学系统的一个很有潜力的应用。之前的工作使用了两块芯片上的微盘腔,相互靠近后耦合起来,构建一个可调节的耦合光力学系统。但是此时系统的光学与力学特性收到加工工艺的限制,并未达到最优,所做出的声子激光需要比较高的泵浦光功率阈值。

最近,南京大学工学院的姜校顺副教授与肖敏教授领导的研究组在实验上实现了低阈值的声子激光,此系统同时具有很高的光学和力学品质因子。力学模式的频率为59.2 MHz,品质因子18000,泵浦光阈值为1.2微瓦。我作为理论合作者也参与了这个工作。这个工作发表后,被杂志选为封面论文,且被媒体报道

我与姜校顺教授认识很多年了,早在他刚刚开始搭建自己的实验室的时候,我们就商量着以后要做声子激光的实验。姜校顺是对自己要求非常高的研究者,经过这些年不断的优化实验系统,他的实验室已经能够做出综合品质世界一流的固态光学微腔。基于这个系统,最近几年他在微纳光子学上面完成了一系列一流的研究工作,其中包括两篇Nature子刊。正是在这一系列实验技术突破的基础上,他们才能完成这个漂亮的实验。

我相信,这个只是一系列研究工作的开始,未来基于此系统有望完成许多更有趣的研究。比如说,目前的声学激光都是用激光进行泵浦的,而未来我们希望能够设计并作出一个直接利用热能泵浦的声学激光,更进一步的提升此系统的实用性。这个系统也可以用来实现对力学振子的高效冷却,甚至用来实现“加热导致冷却”的新奇现象。

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为什么绝热量子计算与D-Wave量子计算机吸引人


最近量子计算机引起了人们很大的关注,在发表在Science Bulletin上的评述论文中,我与魏朝辉博士对绝热量子计算和D-Wave计算机进行了简要的概述。

在研究量子计算的时候,经典计算的研究经验给人们带来很大的启发。比如可以参考经典计算机所用的电路和逻辑门,用量子电路模型来研究量子计算机,此时逻辑门被量子逻辑门所代替。经典计算包含很多等价的模型,比如图灵机与电路模型的计算能力就是等价的。在量子计算中,绝热量子计算就是与量子电路等价的模型。考虑一个物理系统,其哈密顿量是可以调控的。初始哈密顿量的基态是所有量子比特都为零的直积态。绝热地改变此哈密顿量,只要哈密顿量的基态与激发态之间具有有限的能隙,量子绝热定理就可以保证系统的末态也是最终哈密顿量的基态。通过调整最终的哈密顿量,可让最终基态输出量子计算的结果。

由于系统始终处于基态,只要保证环境温度所对应的能量小于绝热量子计算时最小的能隙,绝热量子计算就对控制误差及环境的热噪声都不敏感。正是利用了这一特性,D-Wave公司在2011年推出了第一台基于量子绝热量子计算的D-Wave One,这台计算机包含有128个相互耦合的超导量子比特,可以运行量子退火算法。利用量子隧穿效应,量子退火算法将比经典的模拟退火算法更加高效。但这台计算机没有包含量子纠错模块,且无法保证其计算时的能隙小于环境温度对应的能量,人们对其是否算是量子计算机产生了广泛的争议。

最近几年, D-Wave公司不断升级其计算机,使得量子比特的数目增加到2048个,谷歌公司等机构对D-Wave计算机进行了广泛的测试,发现对某些问题量子退火算法比模拟退火算法快一亿倍。越来越多的人倾向于相信D-Wave计算机是一台具有量子加速效应的专用量子计算机。最近人们把D-Wave计算机用到了更加实际的问题中,比如说北京出租车路径的优化问题,以及图像识别问题等,均取得不错的效果。我们认为,从长远来看,要进一步发展绝热量子计算机,必须把引入容错的技术,确保计算结果不受噪声的干扰。