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1 湖南 2009 年 7 月 固体 / 宏观系统量子态操纵 : 概览 孙昌璞 中国科学院理论物理研究所

2 报告内容 1. 从麦克斯韦妖到量子操纵 2. 固态量子操纵和量子相变 3. 宏观量子态与超导量子比特 4. 基于固态系统的单光子操纵 5. 纳米机械冷却与量子热力学

3 报告内容 1. 从麦克斯韦妖到量子操纵 2. 固态量子操纵和量子相变 3. 宏观量子态与超导比特 4. 基于固态系统的单光子操纵 5. 纳米机械冷却与量子热力学

4 参考文献 2: 固态量子操纵和量子相变 1. C. P. Sun, Y. Li, and X. F. Liu, Phys. Rev. Lett. 91, (2003) 2. S. Yang, Z. Song, and C. P. Sun, Phys. Rev. A 73, (2006) 3. X.-F. Qian, Y. Li, Y. Li, Z. Song, and C. P. Sun, Phys. Rev. A 72, (2005) 4. Z. Song, P. Zhang, T. Shi, and C.-P. Sun, Phys. Rev. B 71, (2005) 5. T. Shi, Y. Li, Z. Song, and C.-P. Sun,Phys. Rev. A 71, (2005) 6. Y. Li, T. Shi, B. Chen, Z. Song, and C.-P. Sun, Phys. Rev. A 71, (2005) 7. R. Xin, Z. Song and C.P. Sun, Physics Letters A, 342,, 30 (2005) 8. H.T. Quan, Z. Song, X.F. Liu, P. Zanardi, C.P.Sun, Phys. Rev. Lett (2006) 9. 9:X.-F. Qian, T. Shi, Y. Li, Z. Song, and C. P. Sun,Phys. Rev. A 72, (2005) Review Article: Song Z, Sun CP,LOW TEMPERATURE PHYSICS 31 (8-9): 686 (2005)

5 参考文献 3: 宏观量子态与纳米机械 1.P. Zhang, Y. D. Wang, and C. P. Sun, Phys. Rev. Lett. 95, (2005) 2. Y.-x. Liu, J. Q. You, L. F. Wei, C. P. Sun, and F. Nori,Phys. Rev. Lett. 95, (2005) 3. C. P. Sun, L. F. Wei, Y.-x. Liu, and F. Nori, Phys. Rev. A 73, (2006) 4. Y. B. Gao, Y. D. Wang, and C. P. Sun,Phys. Rev. A 71, (2005) 5. Y. D. Wang, Z. D. Wang, and C. P. Sun,Phys. Rev. B 72, (2005) 6. Y. D. Wang, P. Zhang, D. L. Zhou, and C. P. Sun, Phys. Rev. B 70, (2004) 7.Y. D. Wang, Y. B. Gao and C. P. Eur. Phys. Jour. B 40, (2004). 8. P. Zhang, Z. D. Wang, J. D. Sun, and C. P. Sun, Phys. Rev. A 71, (2005)

6 参考文献 4: 基于固态系统的单光子操纵 0. L.Zhou, Z. R. Gong, Y.X., Liu, C. P. Sun, F. Nori,Phys. Rev. Lett 101, (2008) 1. Intrinsic Cavity QED and Emergent Quasi-Normal Modes for Single Photon H. Dong, Z. R. Gong, H. Ian, Lan Zhou, C. P. Sun,arXiv: Observable Topological Effects of Mobius Molecular Devices Nan Zhao, H. Dong, Shuo Yang, C. P. Sun, Sub. PRB Lehmann-Symanzik-Zimmermann Reduction Approach to Multi-Photon Scattering in Coupled-Resonator Arrays T. Shi, C. P. Sun, PRB, Controlling Quasibound States in 1D Continuum Through Electromagnetic Induced Transparency Mechanism Z. R. Gong, H. Ian, Lan Zhou, C. P. Sun, PRA Quantum super-cavity with atomic mirrors Lan Zhou, H. Dong, Yu-xi Liu, C. P. Sun, Franco Nori. PRA 2009

7 参考文献 5: 量子操纵的物理极限与量子热力学 1. H. T. Quan, P. Zhang, and C. P. Sun,Phys. Rev. E 72, (2005) 2. H. T. Quan, P. Zhang, and C. P. Sun,Phys. Rev. E 73, (2006) 3. L. Zheng, C. Li, Y. Li, and C. P. Sun,Phys. Rev. A 71, (2005) 4. F. Xue, S. X. Yu, and C. P. Sun, Phys. Rev. A 73, (2006) 5.H.T. Quan,Y.X. Liu, C.P. Sun, F. Nori, Phys. Rev. Lett. 96, (2006)

8 More 定律的物理极限 ψ More 定律 : 18 个月 CPU 速度加倍, 单位面积上集成的晶体管数目加倍 量子计算 : 计算机发展的历史必然?

9 信息 量子化 的故事 Rolf Landauer ( ) Charles H. Bennett Peter Shor Landauer 原理, 1964 擦出一个比特信息要消耗能量 量子密码学 1984 量子离物传态 1993 大数因子化量子算法 1993 计算步数 = P( n) kt ln2 IBM J.R.D 3,183 (1961)

10 Keyes 曲线与可逆计算 Keyes, IBM J.Res.Develop.32,24-28 存 1 个比特信息所需电子个数 ( 二极管中杂质个数 ) 为什么在小尺度上不能进行经典计算? 根据 Landauer 原理 : 由于耗热限制, 必须每一个基本计算是可逆的 ( 没有热耗 ), 如果量子计算中每个操作是幺正的, 从而是可逆的, 但是量子测量和初态制备是不可逆的

11 麦克斯韦妖 PK 热力学第二定律 James Clerk Maxwell, Theory of Heat, 1871 Maxwell s demon 热力学第二定律开尔文表述 : 通过一个热力学循环不可能从一个单一热源提取能量做功, 而不对外界产生影响 低温 高温

12 希拉德表述 : 单分子热机 Leo Szilard, 1932 麦克斯韦等的旧观点 : 在宏观层面上破坏热力学第二定律是不可能的, 因为要区分大量分子的个体速度是非常困难的 这个佯谬的提出只是表明热力学第二定律的原则上只能描述大量粒子组成的宏观物体, 是一个统计性的原理, 不能简单地应用到有限粒子系统 W V / 2 V / 2 = PdV = V V KT V dv = KT ln 2 错误的观念 : 确定系统在哪一个态上是物理上的一个测量过程, 这种测量是一种不可逆过程, 因此需要消耗能量

13 信息擦除是需要耗能的物理过程 香农信息 n S = P k lnp k = 1 k 分子开始以 50% 的几率分别处于 A 和 B 区域, 信息量是 S=ln2, 或称为 1 个比特的信息 信息擦除后分子在确定的左态, 体系的熵由 S=ln2 变为 0

14 Landauer 信息擦除原理保护热力学第二定律 Bennett,1979 (a) (b) (c) 麦克斯韦妖作为热机 整体的循环过程 (f) (e) (d) 妖必须是热机物质的一部分, 必须要擦除自己信息, 才能参与热力学循环, 这需要额外的能量

15 麦克斯韦妖作用的可能实验 Quan, Liu, Sun, Nori, Phys. Rev. Lett. 96, (2006) 模型 System s bath T S 超导电路实现 1 S Δ S S 0 S 1 D D Δ D 0 D Demon s bath T D η= 1 ςδ / Δ d s 没有违背热力学第二定律的现象

16 基于可控 2 态量子系统的量子信息 经典比特 量子比特 = 可以操控的二能级系统 e g 0 or Quantum Bit = Qubit

17 量子力学的世界图景 没有经典对应 粒子束 0 + 1? 量子相干叠加 Φ u + Φ u

18 奇妙的量子相干叠加 Superposition ψ = C C 1 1 量子纠缠 :Entanglement ψ = C C1 1 0 量子并行 : Parallelism U ψ = C U 0 + C U 存在 超光速 通讯? 否!

19 薛定谔猫的理论与实验 Joos, Zeh, 1985, C. P. Sun 1993, 2001 e 1 猫 = 死 Π d j + 活 Π lj 2 j= 1 j= 1 g 1 1 ρ = Tr内 ( 猫猫 ) = 死死 + 活活 + Π d j l j 2 2 j 0 内部态 内部环境 1 1 猫态 = 死猫 e + 活猫 2 2 g C70 的量子退相干 Nature 427, (2004)

20 什么是量子信息? 量子信息 以量子力学基本原理为基础 充分利用量子相干性的独特性质 ( 如量子并行 量子纠缠和量子不可克隆 ) 探索以全新的方式进行计算 存储 编码和传输信息的可能性 密码学 量子力学 计算机科学 信息论

21 量子计算 = 可控时间演化 + 量子测量 基本量子逻辑门 = 可控哈密顿驱动的时间演化 0 H Φ 2Θ Φ + 2 iφ (cos Θ 0 > + e sin Θ 1 > ) Φ H π 1 0 B( Φ) = iφ e x> x y y> Φ iφxy e x y 量子网络的基本定理 Phys.Rev. A52,3457 (1995) 任何一个 L比特的逻辑门可以用少于 n Ο (4 n) 个基本逻辑门构造出来

22 核心科学问题 1. 长时间保持相干性 量子计算机 与环境隔离 : 量子闭系统? 读数 : 量子测量 协调开 - 闭双重作用选择适当的物理体系作为量子比特兼顾两者 2. 控制演化 读出结果可控外部耦合 : 量子开系统? 逻辑门 : 量子操纵 根据不同尺度分离系统和环境变量 : 量子绝热近似 系统和环境相互作用 : 量子退相干 系统 - 内外耦合 : 集体准激发

23 量子比特的物理实现 量子点, 量子阱 固体核自旋等 相干性 原子, 囚禁离子 液态 NMR, 光子 可规模化 易控制 超导约瑟夫森结,SQUID 2002 年以来, 超导比特的相干性得到极大改进

24 报告内容 1. 从麦克斯韦妖到量子操纵 2. 固态量子操纵和量子相变 3. 宏观量子态与超导量子比特 4. 基于固态系统的单光子操纵 5. 纳米机械冷却与量子热力学

25 用 数据总线 连接量子比特 Jaynes-Cummings 模型 数据总线 e g Δ ω e g 量子比特 量子比特 wσ σ [1] [2] z z 有什么新的物理现象?

26 固态系统量子信息处理要解决的原则问题 Other Condensed Matter System Seems to Beat QIP for Long Distance Operations Quantum Information Meets Condensed Matter Physics? Or Condensed Matter Physics Beats Some QIP Protocols Such as quantum state transfer (QST) in solid states systems

27 基本原理的挑战 for Generic Solid State Systems e.g., well engineered semiconductors QI Transfer from A to B = Dynamic Entangling A and B States A qubit N Data Bus L Correlation length L<N B qubit a long range order? ϕ ϕ 1 or 1/N δ 0 x x ' Ψ ( x) Ψ ( x ') exp( ), L ζ Δ L Finite Correlated Length vs. Decaying Entanglement Due to the decreasing effective coupling

28 Quantum State Transfer via Spin Ladder A typical gapped system H = JS S+ JS S I 0 A 1 0 B N H = J G = x S S ( ω ) 2 zz int 0 0, A B Li, Shi, Chen, Song, Sun, Phys. Rev. A 71, (2005)

29 一个可调制的自旋链 M. Christandl et al, PRL, 92,187902(2004) J n = J = in ( i) i n = J z = J, J = 1 J, J = N i= N 1 H = J ( S S + S S ) i= i i i+ 1 i i+ 1 i= N 1 + = i i i+ 1 + i= 1 H J ( a a hc. ) x J, M = J + M + 1 J, M ' = J + M ' + 1 z Time Evolution = SO(3) Rotation Y

30 Key Point : Commensurate Spectrum: Shi, Li, Song, and Sun, Phys. Rev. A 71, (2005) Our discovery : Ut ( 0 ) = P 0 Time evolution=parity Reflection

31 量子相变诱导动力学敏感性 Quan, Song, Liu, Zanardi, Sun, Phys. Rev. Lett. 96, (06) Sachdev s book 横场 Ising 模型 ε k ( λ ) e Finite N Large N λ = λ c = 1 j x z z ( j j j 1 ) H = J gσ + σ σ + k 2 e ( ) ε ( λ ) = 2J 1 +λ 2 λ cos ka

32 一个推广的量子退相干模型 H = H μj σ. x e g j j e g H = J [ σ σ + λσ ] z z x g j j j+ 1 j Reduced Density matrix () ( ) [ ρ t ] = c c D t s eg g e () ( ) ( ) L( λ, t) = D t = ϕ t ϕ t 2 2 g e ( k) ( e ) 2 2 k = [1 sin 2α sin ε t ]. k> 0 α ( t) exp[ ihαt] G g ϕ = Decoherence Factor Loschmidt Echo In Quantum Chaos

33 动力学敏感性与量子混沌 Classical Chaos: Butterfly Effect( 蝴蝶效应 ): Slightly different initial conditions leads to exponential divergence of trajectories Same Dynamics Largely different Final State Slightly different initial condition Zurek,Nature,412,712(2001); PRL, 89, (2002)

34 量子混沌的基本概念 ϕ e (0) ϕ g (0) Unitary Transformation ϕ e() t ϕ g () t ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ ϕ g( t) e( t) = g(0) U ( t) U( t) e(0) = g(0) e(0) Peres, Conception of Quantum Mechanics,1995 E () t 1 Dynamic Sensitiveness E U e Loschmidt echo U g E () t 0 ϕ ϕ ϕ ϕ g() t e() t = Ug () t Ue() t 0

35 量子相变环境导致退相干增强 near the critical point Far from critical point Small N Large N 由于联系了凝聚态物理中的量子相变 非平衡统计物理中的量子混沌和量子信息中的量子退相干, 立即得到不同领域科学家的重视, 引发一系列后续的工作 ( 如由保真度描述量子相变和经典相变 ), 引用已经超过 100 次

36 理论预言的实验证实之一 2008 年德国 Suter 小组的核磁共振实验

37 理论预言的实验证实之二 2009 年加拿大 Laflamme 小组的新实验

38 报告内容 1. 从麦克斯韦妖到量子操纵 2. 固态量子操纵和量子相变 3. 宏观量子态与超导量子比特 4. 基于固态系统的单光子操纵 5. 纳米机械冷却与量子热力学

39 Circuit QED : 超导量子电路 Superconducting Transmission Line +Charge Qubit Δ ω n = 1 Normal Metal Supercond. with Qubit? n = 0 out 二能级系统 C J E J E J C J DC +6 GHz in 5 μm Vg Cg

40 超导线传输线约瑟夫森量子比特的强耦合 把两个超导量子比特连接起来, 实现两比特量子逻辑门 ~1cm Blais, A., et al., Phys. Rev. A 69, (2004).]

41 微 ( 纳 ) 米机械振子 Micro (nano)-mechanical Resonator Doubly-clamped Cantilever A.N. Cleland and M.L. Roukes, APL, 1996 Purdue University Harmonic oscillator: for fundamental flexural mode

42 纳米机械探测单自旋 Nature 430, (15 Jul 2004) 测量单自旋

43 GHz 的机械振荡 Phys. Rev. Lett. 98, (2007)

44 逼近量子极限 Why mechanical resonator (MR)? Small size: sub-micron High frequency: 10 2 MHz ~ 1 GHz High quality factor: 10 2 ~10 5 Approaching quantum limit: 4.3 zero-point fluctuation Main obstable: temperature Dilution refrigerator: 10 ~ 100 mk KT B < ω 1 GHz ~ 50 mk Khaled Karrai, Nature, 2006

45 力光冷却的一个类比 F Khaled Karrai, Nature, 2006 F

46 纳米机械共振器的超低温冷却 Zhang, Wang, Sun, PRL, (2005), Γ( ω) ω π ( ω) 2 αgω Γ = coth 1 + 2kT B ω = E J Φ cos π Φ x 0 V g V X Φ X s ( ) 1 n p N r κ s 1 th a / N th 1.7; gτ = π /8; r a / κ = 133 Our result : Cooling efficiency vs. initial state

47 德国 Shoen 小组类似实验 2008 年, Nature Phys 4,612 采用了一样的原理

48 从热三极管到 声子 计算机 Lei Wang and Baowen Li, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) 耦合纳米振子模型 怎样走向单声子水平控制?

49 报告内容 1. 从麦克斯韦妖到量子操纵 2. 固态量子操纵和量子相变 3. 宏观量子态与超导量子比特 4. 基于固态系统的单光子操纵 5. 纳米机械冷却和量子热力学

50 Single Photon Transistor D. E. Chang et al, Nature Physics, 3,807(2007)

51 Couple Resonators Array Based Transistor for Single Photon Lan Zhou, Z. R. Gong, Yu-xi Liu, C. P. Sun, Franco Nori, Phys. Rev. Lett 101, (2008) e g Фx H c j a j a j a j a j 1 j h. c. H I e e J a 0 g e e g a 0,

52 Simulating waveguide in low energy limit CRA Linear waveguide H + ( a a + 1 h c ) =... ξ +.. c j j j H = v g + dx[ ϕ ( x) ϕ ( x) hc] L x L Ωk = ω 2ξ cosk Low E Higher E sin k k cos k 1 k 2 / 2 H = E + dx[ ϕ ( x) ϕ ( x) hc] L xx L

53 Discrete Coordinate scattering equation Stationary eigen-state + E = u ( j) a 0g + u 0e H k k j ke j Ω = E Ω k k k Single-photon amplitude Vacuum state of the cavity field Excited state amplitude ( Ω ω V( E )) u ( j) = ξ u ( j+ 1) + u ( j 1) k k k k k Resonance Potential V( E ) k = J E k 2 δ j0 Ω

54 Quantum supercavity with atomic mirrors" 超腔 Super-cavity: e g e g Zhou, Dong, Liu, Sun, Nori Phys. Rev. A 78, (2008)

55 Feshbach Resonance

56 Wave Equation of Single Photon E a u a j J a u a j 1 u a j 1 g au a 0 g b u b 0 E E b u b j J b u b j 1 u b j 1 g au a 0 g b u b 0 E g a j,0 g b j,0 sexp( ikj ), j> 0 ua () j = exp( ik j) + rexp( ik j), j < 0 Bound state u b j B exp ikj, j 0 B exp ikj, j 0 s 1 B g a g b J b J a sin k sin k.

57 Physics of Feshbach Resonance: E a1 A scattering state in chain a ω + 2J a a and a bound state chain b ω a E b1 ω 2J a s g g BE Ω a b. E a2 g = + 2 = 0 E Ω 2 b a ik b E ω b J b e ω + 2J b ω 2J b ω b b b S=0, Total Reflection E b2

58 Finite- difference time-domain (FDTD) 1

59 Basic unit of systems we studied Quantum control at single particle level e g Our approach : Discrete Coordinate Scattering Equation Quantum Devices Photon transistor Quantum switch Quantum storage Photonic logic device Physics: Lee-Fano-Aderson model Quasi-Normal Mode Quasi-Bound State Feshbach Resonance BEC in Cavity and excitation Physical Implementation Superconducting Q-Bit Circuit QED Transmission line cavity Photonic Crystal Defect cavity Coupled quantum dot array

60 拓扑光子器件的初步构想 电子 : 有自作用 ( 库仑作用 ), 可用电场 磁场多参数操纵 光子 : 无直接自作用,( 弱光非线性 ) 用于操纵的外部参数少, 如 磁场 我们构想 : 边界拓扑 新的操纵参量 Aharonov-Bohm effect

61 AB 效应与波函数的单值型 i Ψ ϕ Ψ ( ϕ) = Ψ( ϕ + 2π ) Periodic single-valued 2 ϕ 2 ψ ( ϕ ) = E Ψ ( ϕ ) ( ϕ ) = E ψ ( ϕ ) ( ϕ) = ψ ( ϕ + π ) ψ 2 anti-periodic multi-valued Ψ φ =1 ϕ periodic BC, singlevalued wave function ϕ / 2 ( ϕ) = e i ψ ( ϕ) gauge transform anti-periodic BC, multivalued wave function 2

62 Tight binding model Mobius boundary condition: x z j j j j j j V V V σ σ ε ε ε + = = M = b a b a N N

63 From strip to molecule Mobius strip NbSe 3 Nature (2002) wikipedia Tetrahedron Lett. (1964) J. Am. Chem. Soc. (1982) How does the Mobius structure affect the quantum system? Chemical Reviews (2006)

64 Observable effects suppression of the conduction band transmission

65 Topology induced entanglement factorized or entangled state? ψ () t ϕ ( t ) + ϕ ( t ) = locally factorized globally entangled

66 后量子信息时代 物理与未来器件 Emergent Quantum Phenomena in Artificial Structures and Metamaterials Quantum Information Quantum Simulations Quantum Coherent Devices Black Hole Radiation in AMO Photonic Feshbach Intrinsic Cavity QED with QNM Based on whole wave function Rather than state density only

67 Our Open Team 5 Students +2 Post Doc. + Many Visitors Students: Zhi-Ri Gong, Hui Dong, Tao Shi, Shuo Yang, Yue Chang, Post Docs Dr. H.R.Zhang Dr. J.Q.Liao

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幻灯片 1 科 学 人 讲 坛, 中 国 科 学 院 图 书 馆 2009 年 3 月 未 来 量 子 器 件 与 量 子 态 操 纵 孙 昌 璞 中 国 科 学 院 理 论 物 理 研 究 所 http://www.itp.ac.cn/~suncp 海 阔 天 空 : 孙 昌 璞 之 科 普 网 站 演 讲 内 容 1. 导 言 : 奇 妙 的 量 子 世 界 2. 基 于 量 子 隧 道 效 应 的 传 统

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