用热光照射冷却机械振子


最近PRL上有一篇论文,讨论了一个违反直觉的冷却机械振子的方案:热光照射机械振子,也可能冷却它。

这个方案的其实很简单:一个光机械振子系统,其中有一个机械振子模,两个光学腔模。腔模的频率只差正好等于机械振子的频率。用热光场照射频率较低的光学腔模,由于光力之间的耦合,会同时引起两个效应,一个是对机械振子的加热效应,另外一个是机械振子耦合到频率比较高的腔模,会引起机械振子振动的减弱。当热光场小于一个阈值时,总的效应是引起机械振子热振动的减弱,温度的降低。

我要指出的是,这篇论文是受到我以前一篇论文的启发下写的。在我的论文中,也讨论了一个完全一样的冷却机械振子的方案。我也考虑了冷却驱动光带有相位噪声时的情况,发现这个双共振的方案能够极大的压缩相位噪声的影响。只不过我的研究也就仅止步于此了。他们显然是在此基础上,进一步的考虑到如果冷却光的相干性完全消失时,也就是热光情况下,冷却效应是否存在。最终他们给出了一个反直觉的结果,发现冷却效应还是存在的。他们估计,在现有的实验条件下,从室温冷却到液氮温度以下是可能的。

生命可以量子态吗?薛定谔病毒告诉你


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刘慈欣在《球状闪电》中描写过变成量子态的人,他们被观察时会坍缩消失,独处时又会幽灵般出现,不生亦不死。量子态的生命有没有可能存在呢?如果可能,会不会像小说中那样不生不死呢?这要从薛定谔家那只著名的猫说起……

薛定谔猫带来历史难题

既生又死的薛定谔猫。 图片来源:huangmai8.wordpress.com既生又死的薛定谔猫。 图片来源:huangmai8.wordpress.com

薛定谔猫是由伟大的物理学家薛定谔提出的一个理想实验,为了指出量子力学哥本哈根解释的不完备性。设想在一个封闭的盒子里面,放着一只猫。在箱子的 一角有一个装有毒气的瓶子,瓶子是封闭的。另外,还有一个放射性原子核与瓶子连接起来,毒气瓶的封口会被放射性原子核衰变发出的粒子给打破,放出毒气,杀 死猫。在一定的时间范围内,放射性物质发生衰变放出粒子的概率是一定的。比方说,在1个小时内,放射性原子核将有50%的概率发生衰变,有50%的概率不 发生衰变。那么在我们打开箱子观看猫的死活之前,我们是不知道其是生是死的。我们可以说,猫处于既是生、又是死的量子叠加态。一旦我们观察了猫,它就会塌 缩到“生”或者“死”之中的某个状态。

量子叠加态的概念在微观的量子世界是很具备说服力的,是解释诸多实验现象必不可少的理论。可是当薛定谔把这个概念借由“薛定谔猫”这个理想实验推广 到宏观世界后,就与我们的常识产生了极大的冲突。我们何曾在生活中看到过既死又活的生物呢?如果我们否认薛定谔猫的存在,就是把世界运行的规律给硬生生的 割裂开来了:微观世界只适用量子物理规律,而宏观世界适用经典物理规律。在避开了这个麻烦之后,又给我们引入了另外一个深刻的问题:量子与经典的界限在哪 里?我们可以在多大的系统中找到薛定谔猫态呢?争议存在了很多年,一直没有定论。

用量子自杀验证多重宇宙,并非易事

尽管薛定谔猫提出后带来了诸多争议,但是这个绝妙的想法还是给了人们很多灵感,于是各种薛定谔猫的变种和后代不断涌现。其中最重要的是艾弗雷特 (Evertt)的多世界理论,或者说波函数从不塌缩的假设。这个理论可以概括为薛定谔方程在所有时刻都成立;也就是说,宇宙的波函数从不塌缩。在艾弗雷 特的理论中没有提到平行宇宙或者世界分裂,它们蕴涵于理论中,而不是事先假定的。他天才的洞察力在于,这个无塌缩的量子理论实际上与实验观测是一致的。通 过艾弗雷特的理论,我们发现描述一个经典实在的波函数会逐渐演化,最终变为描述多个经典实在(即多个世界)相互叠加的波函数。对观察者而言,就是一个确定 的物理系统,随着薛定谔方程的演化,变为一个按照一定几率分布的随机性系统,其几率与波函数塌缩办法算出的一致。

把艾弗雷特的理论稍微推广一下,我们就可以得到另外一个反直觉的推论:量子自杀假说,或者说量子永生。什么叫做量子自杀呢?很简单,我们重新思考一 下薛定谔猫的实验,这一次我们把实验的视角变换到猫身上。对于猫来说,尽管有一半的概率生,一半的概率死,可是只要猫还意识到自己活着,那么它一直处于生 的那一边,它就不会死去。让我们把这个例子变得更加极端一点。假设有这么一个人,一心寻死,第一次选择上吊,可是总有一定的概率绳子断裂而不死。于是宇宙 分裂为两个,一个宇宙中,这个人由于上吊而死;另外一个宇宙中,他由于绳子断裂而活下来了。接下来他继续寻死,选择了跳楼,但总是有很微小的几率由于某些 原因他跳楼也死不了。由于量子多世界理论,在某个世界中,他总是活着,怎么也死不了,于是从某种意义上而言,他“永生”了。

“量子自杀”将产生一定概率的不死的你。“量子自杀”将产生一定概率的不死的你。

从上面的论述我们可以知道,多世界理论是根本不可能被证实的,准确地说只有很小的概率被自证。比如你是一个具有献身精神的物理学家,致力于证实多世 界理论,就可以不断地尝试自杀。多次尝试之后,在绝大部分宇宙中,你都死了,可是对于那些活下来的你来说,你依靠多次自杀未死而证实了多世界的存在。但这 只能说服你自己,一旦你把这套说辞公之于众,肯定被当做神经病。而且代价太大了,完成这个实验,你得把绝大部分宇宙中的自己都杀死才行。

薛定谔病毒出场

物理学家是具有百折不回的精神的,既然从逻辑推理上无法给薛定谔猫做出定论,那就用实验来说话。他们继续创造薛定谔猫的新后代。从小到大,从易到 难,我们慢慢来。人们首先创造出来的是原子的叠加态,让一个原子处于相距80纳米的两个位置之间的叠加态。然后我们创造出多个粒子之间的叠加态。但是这些 实验的对象都是不具备生命的粒子团,与猫这种生命体有本质的区别。

终于在2009年,科学家们提出可以把某些病毒制备到量子叠加态,他们称之为薛定谔病毒。这是首次有人提出可以把生命体制备到量子叠加态(如下图所 示),并给出了实验上可行的方案描述。这是一个突破性的进展。通过光镊技术,可以把几十个纳米大小的病毒振子束缚在光势阱中。这个病毒振子的运动几乎是完 全与环境脱耦的,有可能通过光驱动冷却到基态,从而制备出薛定谔猫态。要知道,很多病毒是能够在真空中生存的,且不会吸收光波的能量,适合被光镊操控。因 此如果我们把病毒束缚在真空光镊中,我们就可能制备出具有生物活性的系统的量子叠加态。这种量子叠加态与薛定谔当年提出的薛定谔猫态就几乎一模一样了。

把有生命的病毒制备到量子叠加态。图片来源:iopscience.iop.org/1367-2630/12/3/033015/fulltext/把有生命的病毒制备到量子叠加态。图片来源:iopscience.iop.org/1367-2630/12/3/033015/fulltext/

在这篇论文发表不久,美国德州奥斯丁大学的李统藏等人就在实验上实现了对微米小球的光镊操控和测量。一年后同一个组又把小球的温度冷却到了1.5毫 开尔文。这一系列的实验证实了,把病毒冷却到接近量子基态,然后制备出薛定谔猫态是可行的。接下来要做的就是进一步冷却到量子基态,然后用病毒代替微米小 球,制备出薛定谔猫态来。有了薛定谔病毒之后我们能做什么呢?让我们来完成量子自杀这个疯狂的实验吧。我们可以用激光来杀死处于薛定谔病毒态中“死”态的 病毒,然后重复制备薛定谔病毒态,用激光杀死处于“死”态的病毒。多次重复后,至少在实验室里这个狭小的量子世界中,可以找到一个“永生”的病毒。

量子机器,量子计算化学,核聚变


在最近的一期《科学》中,报道了量子机器,实际上就是微型机械振子系统,冷却到量子基态,然后用于精密测量或者展示一些量子世界的奇妙现象。这篇报道对这个方向很乐观,估计到明年就将有差不多6个实验组同时实现这个目标。同一期中,也有一个音频采访,讨论了这个有趣的话题。

量子计算机提出了十几年了,但如何能够做出比经典计算机更好的工作,还没有实现。最近有两个实验组分别利用单光子系统NMR系统完成了对氢分子基态能量的计算,精度非常高。这个代表了未来量子计算的一个发展方向,也许意味着量子计算化学的诞生。

另外的一个有趣的进展,是利用192束激光点火,完成核聚变的项目有了很大的进展,相关论文已经在网上公开了,科学杂志也对此作了一个详细的报道。核聚变是人类能源的最终极来源,能够做出可控核聚变,人类才能有光明的未来。

通过博士答辩


12月5日,我完成了博士论文答辩。值得指出的是,与我一起答辩的,还有我们组的一位留学生,这也应该是交大物理学科第一位留学博士生Patrick,他来自马达加斯加。答辩一切顺利。我念博士期间已经发表和接收了6篇SCI论文,其中有四篇第一作者的论文,均发表在Phys. Rev. A上。论文发表以来已经被正面引用四十余次。非常感谢导师李福利教授多年来对我的帮助、支持和指导,也感谢留学基金委对我留学的资助。

从十年前九月进入西安交大,念本科,硕士,再到博士,今天终于要毕业了。十年大学,宛如一梦。我已经在中科院武汉某个研究所找到一份工作,将会回武汉定居。等月底学校学位会通过后,就准备对交大说再见了。我等待这一天已经很久了,曾经无数次设计过要怎么纪念这天。但是如今真的到了这一天,我却觉得很平静。新的人生阶段即将开始,我期待着。在未来的工作岗位上,将开展怎样的研究,还需要我好好计划和思考一下。

通向生命体的量子叠加态?


ResearchBlogging.org量子叠加态最大能够在多大的系统中存在?目前已经在光子,原子,以及cooper对中看到了薛定谔猫态。下一步是什么,当然是微型的机械系统了。通过光 (纳米)机械振子技术,我们可能很快就可以看到振子系统的薛定谔猫态了。可是,我们能够真的在生物体中看到薛定谔猫态么?似乎不可能,但最近的理论工作告诉我们这是可行的[1]。通过光镊技术,可以把几十个纳米大小的振子束缚在光势阱中。这个振子几乎是完全与环境脱耦的,有可能通过光驱动冷却到基态,从而制备出 薛定谔猫态出来。要知道,很多病毒是能够在真空中生存的。因此如果我们把病毒束缚在振子中,我们就可能制备出具有生物活性的系统的量子叠加态。这种量子叠 加态与薛定谔当年提出的薛定谔猫态就几乎一模一样了。同样的技术也可能用于其他基于光学机械振子系统的各种量子信息处理过程[2]
[1] Oriol Romero-Isart, Mathieu L. Juan, Romain Quidant, & J. Ignacio Cirac (2009). Towards Quantum Superposition of Living Organisms, arXiv: 0909.1469v1
[2] D. E. Chang, C. A. Regal, S. B. Papp, D. J. Wilson, J. Ye, O. Painter, H. J. Kimble, & P. Zoller (2009). Cavity optomechanics using an optically levitated nanosphere, arXiv: 0909.1548v1

科学美国人网站上也报道了这个结果,里面的解说更加详细和具体.

论文被接收了


我六月份投稿的论文已经被PRA接收了,这也将是我博士期间发表的第四篇PRA。这篇论文研究了相位噪声这个激光冷却机械振子的技术问题,提出了一个解决方案,可以缓解这个技术问题,帮助我们冷却振子到基态,然后讨论了测量量子区域附近的机械振子热声子数的一个理论方案。

这个工作源自冷却机械振子的一个困难。人们发现, 冷却机械振子时,驱动光的相位噪声影响很大。初步估计,如果希望冷却振子到基态,需要驱动光的谱线宽度远小于1赫兹。这在实验上是不可能的。我们发现,如 果引人两个腔模与同一个振子模耦合,腔模的频率差正好等于振子模的频率。那么在边带可分辨条件满足的情况下,相位噪声被压缩了(ωm/γ)2倍。这里的ωm是振子频率,γ是光学腔的衰减率。由于这种改善,相位噪声的影响被大大压缩。根据估计,目前实验上可以买到的带宽1000赫兹的激光其相位噪声应该不会妨碍我们冷却振子到基态。这个结果对提高冷却效率,降低冷却温度应该有所帮助。

接下来,我们也讨论了如何测量量子区域的热声子数。目前已经有成熟的实验方案来测量振子冷却后的声子数。为什么我们还要提出一个新的方案呢?因为现 有的技术要求测量声子的噪声谱,要比较初始和末了时的噪声谱,从而得到声子的温度。这个方案有一个最低的可测量温度,由背景噪声限制而得。我们提的方案类 似于离子阱系统中测量声子的技术。我们测量的是红边带和蓝边带的散射输出光的强度。根据这个强度之比,我们可以算出热声子数。我们的方案不需要知道环境的 温度,也不需要测量噪声谱。更关键的是,我们的方案只在振子降温到量子区域附近后才变得精确和可靠。虽然目前还没有实验把振子降温到量子区域,但是我们希 望未来实现这个目标后,我们的测量方案能够在实验中发挥作用。

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

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 \omega_o. The sidebands \omega_\pm = \omega_0 \pm \omega_a appear on the carrier. The displacement of the sidebands is the axion frequency \omega=E_a=m. 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.

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。