星际英特网,长寿命的量子比特


最近一个爆炸性的新闻是美国科学家验证了用中微子来做通讯的可行性。有关这方面的细节,可以读读这篇论文。把中微子用于通讯,最大的优势在于其穿透性,所以可以直接穿透地球实现任何两点间的通讯。最大的劣势也是源自穿透性,所以中午探测器就必须非常庞大。在我看来,这就是未来人类星际因特网的第一步。不同于电磁波,中微子在星际间传播的衰减是非常小的,因此有可能用来作为星际间信息传输的载体。有关这个疯狂的提议,可以读读A Zee的论文

另外一个重要的工作,是哈佛大学的科学家把金刚石中量子比特的寿命延长到几秒钟,未来可能会延长到小时这个量级。他们把量子比特存储在核自旋中,通过特殊的操控,把核自旋与外界的耦合去掉,这样就得到了一个非常完美的量子比特,可以长时间的存储量子信息。秒量级的量子比特已经可以完成很多重要的工作了,而如果真的做到小时量级,显然会更加强悍。

一篇PRA快讯论文接收了


最近总是访问不了wordpress的登陆页面,很恼火。
最近一篇第二作者的论文发表了。投稿到接收花了大半年,从APL转到PRA快讯,换了N个审稿人,最好居然还是接收,很幸运。这也是我第一篇PRA快讯论文。
我们这个工作讨论了一个理论方案,用金刚石作为量子信息的存储单元,与超导电路腔耦合,可以把量子信息从量子处理单元中传输过来存储起来。另外也可以用来把多团金刚石系综纠缠起来。在这里金刚石就类似于经典计算机中的内存,可以拓展未来量子计算机的计算能力。

http://arxiv.org/abs/1106.2909

updated: 论文已经发表了:Phys. Rev. A 84, 010301(R) (2011)

为什么离子阱中可以制备声子纠缠而机械振子不行?


ResearchBlogging.org
最近看到NIST的Winland组成功的在四离子阱系统中的声子模之间制备出 了量子纠缠态。这是一个很有意思的工作,因为在声子系统中制备纠缠态以及其它非经典态一直是量子物理学家的梦想。当然,现在这个梦想只是实现了一部分。人 们的最终梦想是在微机械振子系统中制备出纠缠态来。为了达到这个梦想,人们正在努力的冷却机械振子的振动模,希望能够把声子数降低到0。

我们也曾经想过这个问题,但发现理论上几乎无法做什么,主要困难来自实验。实际上,振子的质量因子直接限制了其作为量子存储器的功效。目前机械振子 的质量因子最高值在10^5到10^6之间,声子的相干时间只是微秒量级以下,即使声子模的平均声子数只有0,也是如此。这个时间尺度比对振子状态进行探 测所需的时间还短,因此根本无法完成实验。对离子阱系统来说,其振子的质量因子Q实验上超过10^10,声子相干时间达到毫秒乃至秒的量级,是一个比较好 的量子存储器。因此,首先在离子阱系统中观察到声子间的纠缠态也就是一个顺理成章的事情。

为了提高微机械振子的质量因子,有人(应该是Peter Zoller)提出用光势阱(电势阱?)束缚那个纳米级别的振子。把振子悬在真空中,能够极大的减小阻尼,增大振子的品质因子。不过这个设想暂时还只是一 个梦想,有什么样的光电势阱能够束缚这样一个介观物体呢?最近一个有关Casimir力的实验也许为这个设想铺平了道路:人们终于在实验中看到了Casimir斥力。我个人认为利用Casimir斥力有可能把微机械振子束缚到半空中,提供一个比较高Q值的振子势阱。事实是否如此,还需要理论计算以及实验验证。

update: 我再解释一下Q与振子相干时间的关系。

Q实际上就是零温时声子产生后在衰减前的振动周期数。如果声子接触的热库温度是T,那么声子的相干时间正比于Q/T。当T不变时,我们只有增大Q,才能获 得更长的相干时间。目前用液氦冷却等办法,可以把环境温度降低到1K附近。即便如此,对Q值只有10^5的微机械振子来说,相干时间也只在1微秒。用光学 手段对机械振子测量所花的时间也在微秒两级。任何量子态都无法从机械振子中读出来,也无法储存进去。而对Q值达到10^10以上的离子阱系统来说,声子相 干时间在0.1秒以上。这是一个非常好的量子系统,声子的量子态存储时间很长。
Jost, J., Home, J., Amini, J., Hanneke, D., Ozeri, R., Langer, C., Bollinger, J., Leibfried, D., & Wineland, D. (2009). Entangled mechanical oscillators Nature, 459 (7247), 683-685 DOI: 10.1038/nature08006

有及:最近有实验表明,微球也可以被光势阱捕捉和束缚住。在这个光机械系统中,机械振子Q也能够超过10^10,因此理论上也是可能在这个系统中制备出机械振子的量子纠缠态的。

有关量子机器人的遐想


最近一个月,我觉得arXiv上最有趣的一篇论文题目就是“I, Quantum Robot“。我没有深入的读这篇论文,但是这个题目让人遐想联翩。

机器人是一个自主控制的系统。能够接收外界信息,加以处理,然后调整自己的活动。在进行分析处理的过程中,逻辑分析是必须的。所以我们需要人工智能来帮助机器人完成任务。对于量子机器人来说,它面对的是量子力学掌控的世界,所以我们也需要一个量子逻辑体系来实现量子机器人的独立运行。为什么需要量子机器人?目前似乎还看不到量子机器人的用武之处。量子计算的用处最早在于量子模拟,解决凝聚态系统的强关联问题。后来才在Shor算法中找到了更强大的应用。如果没有优越性,量子机器人也就是一个好玩的理论概念。

目前来说,我觉得最简单的量子机器人模型应该就是麦克斯韦妖了,也有一些实验报道实现了部分麦克斯韦妖的功能。另外,生物中是否也存在现成的量子机器人呢?比如光合作用的叶绿素,能否看成是一个量子机器?从某种意义上说,分子生物学也许能够给量子机器人的研究许多启发,让量子机器人早日从理论概念变成实验室的现实。

肉眼观测纠缠


今天看到的一篇很cool的论文是讨论用肉眼能否看到纠缠,结论是多个人合作,用肉眼是可能”看到”纠缠的。这真是一个很有趣的题目,想人所不愿意想,把”不可能”变成可能。

Possible entanglement detection with the naked eye

Nicolas Brunner, Cyril Branciard, and Nicolas Gisin

Group of Applied Physics, University of Geneva, CH-1211 Geneva 4, Switzerland

The human eye can detect optical signals containing only a few photons. We investigate the possibility to demonstrate entanglement with such biological detectors. While one person could not detect entanglement by simply observing photons, we discuss the possibility for several observers to demonstrate entanglement in a Bell-type experiment, in which standard detectors are replaced by human eyes. Using a toy model for biological detectors that captures their main characteristic, namely, a detection threshold, we show that Bell inequalities can be violated, thus demonstrating entanglement. Remarkably, when the response function of the detector is close to a step function, quantum nonlocality can be demonstrated without any further assumptions. For smoother response functions, as for the human eye, postselection is required.

逆转量子测量


量子力学数学表示告诉我们,量子测量时,量子态塌缩,最后会稳定到系统的量子本征态上面,无法逆转。这实际是量子测量的冯.诺伊曼表示,对应的一种很强的量子测量过程。

但是实际测量一个量子系统没有这么简单。比如,我们通过测量也许只能得到量子系统的部分信息,量子态并没有完全塌缩,那么我们还是可以翻转这个量子测量过 程的。假设一个量子阱中束缚了一个电子,只有它自旋向上时才能被测量到,但是探测器的效率并不是100%。那么当探测器没有测量事件时,电子可能是自旋向 上,也可能向下,并没有完全塌缩。然后对这个量子态旋转180度,再次测量。如果仍旧没有测量事件发生,那么我们实际上就把量子态恢复到测量前的状态了。 当然,这个方案只能以一定的概率实现。

最近的物理评论快报报道了在超导量子比特中实现了这个方案。为了验证方案的可靠性,他们最后用了量子全息术来测量量子态,得出量子态的保真度。他们发现,当测量概率小于等于0.6时,量子态的保真度大于0.7。更高的测量成功率会破坏这个方案。更加详细的分析讨论,见下面的这个评述

两篇试图解释纠缠本质的论文


事先声明,这两篇论文与通常的观念是很不一样的,甚至从某种意义上说是疯狂的想法。如果不是如此,我也不会在这里介绍它们。

第一篇论文是quant-ph/070106。 这篇论文提出了一个模型,试图说明EPR粒子可以通过“虫洞”来相互通讯,于是EPR对的关联特性也就能够得到解释了。这个想法我不是第一次见到。不过我已经忘了上次见到这个想法是在哪里了,也许是在某blog上。可是从这种正式的学术论文中看到有人严肃的讨论这个问题,还是头一次。

另外一篇论文是quant-ph/0701101。这篇文章提出的想法也许比前面那篇更加疯狂,而且野心也更大。作者试图用d+1维的经典理论来代替d维的量子理论。具体来说,就是用经典的关联来处理量子纠缠问题。作者进一步的得到一个推论,我们所处的3维的量子世界是不是可以用3+1维的经典世界来代替。甚至我们所看到的量子力学规律,不过是更高维的经典宇宙的投影?作者并没有对他的想法做严密的探讨,只是提到他正在全身心的做这个问题,会用另外一篇论文详细的说明他的想法。

我觉得这两篇论文探讨量子纠缠本质的想法是有相通的部分的,那就是通过再加一个维度(或者虫洞)来解释我们看到的量子关联。这两篇论文想法是否正确,我不想谈。但这种带有原创性的想法确实能够给人以启迪,让我们知道这些新想法是怎么产生的。我想这才是我们读这种论文最大的收获。