幻灯片 1
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- 难奚 繁
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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 海 阔 天 空 : 孙 昌 璞 之 科 普 网 站
2 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 量 子 器 件 3. 量 子 信 息 启 发 的 新 一 代 量 子 器 件 4. 单 光 子 量 子 器 件 及 其 物 理 模 拟 5. 量 子 操 纵 的 物 理 极 限
3 量 子 物 理 纵 览 原 子 分 子 激 光 光 纤 量 子 力 学 凝 聚 态 晶 体 管 集 成 电 路 信 息 现 代 科 学 的 两 大 支 柱 : 光 电 磁 场 原 子 核 量 子 场 论 超 导 核 能 放 射 性 能 源 相 对 论 规 范 场 标 准 模 型 天 体 宇 宙 起 源 量 子 引 力? 超 ( 对 称 ) 弦?? 大 统 一 黑 洞
4 量 子 物 理 : 当 代 技 术 的 基 础 原 子 能 激 光 半 导 体 CT 核 磁 共 振 未 来 新 高 技 术 的 源 泉 量 子 信 息 量 子 计 算 量 子 通 讯 量 子 力 学 不 断 的 发 展 巨 大 的 应 用 潜 力 宏 观 量 子 态 半 经 典 物 理 量 子 密 码 量 子 点 \ 线 纳 米 材 料 \ 结 构 高 温 超 导 波 色 爱 因 斯 坦 凝 聚 相 干 原 子
5 奇 妙 的 量 子 世 界 海 阔 天 空 - 孙 昌 璞 之 科 普 网 站
6 量 子 革 命 的 前 奏 19 世 纪 走 向 统 一 的 经 典 物 理 学 苹 果 落 地 月 亮 环 地 球 运 动 电 磁 热, 功 分 子 运 动 牛 顿 定 律 万 有 引 力 麦 克 斯 韦 经 典 电 动 力 学 统 计 热 力 学 经 典 物 理 学
7 量 子 力 学 诞 生 的 两 条 思 想 脉 络 普 朗 克 : 光 具 有 量 子 性 爱 因 斯 坦 : 光 电 效 应 卢 瑟 福 : 原 子 有 核 模 型 玻 尔 : 原 子 光 谱 于 量 子 跃 迁 德 布 罗 意 : 物 质 波 索 墨 菲 推 广 绝 热 过 程 薛 定 谔 波 动 力 学 海 森 堡 等 人 矩 阵 力 学 量 子 力 学
8 从 卢 瑟 福 - 玻 尔 原 子 有 核 模 型 到 量 子 力 学 海 森 堡 矩 阵 力 学
9 波 动 力 学 与 矩 阵 力 学 d i ψ = dt ( x, t) Hψ( x, t) 量 子 物 理 的 第 一 次 盲 人 摸 象 薛 定 谔 方 程 [ X, P] = i 量 子 力 学 海 森 堡 矩 阵 力 学
10 第 五 次 Solvay 会 议 (1927) Electrons and photons Quantum Theory Quantum Wave Mechanics - takes flight
11 量 子 的 世 界 图 景
12 经 典 物 理 学 光 空 气 : 运 动 着 的 分 子 Atomic constituents 粒 子 与 波 的 严 格 分 野
13 经 典 的 粒 子 理 论 粒 子 由 坐 标 和 速 度 两 个 物 理 量 表 征 位 置 速 度
14 经 典 世 界 的 波
15 听 到 波 的 干 涉 = 声 音 增 大 = 无 声
16 看 到 波 的 干 涉 激 光 Electromagnetic waves
17 爱 因 斯 坦 : 波 像 一 个 实 物 粒 子 光 电 效 应 光 的 粒 子 性 : E=hν, p=e/c=h/λ
18 光 电 效 应 与 传 统 量 子 器 件 从 电 动 门 到 火 星 探 测 器
19 德. 布 罗 易 : 实 物 粒 子 像 一 种 波 物 质 波 : ν=e/h λ=h/ p click
20 粒 子 的 双 缝 实 验 粒 子 束 粒 子 探 测 器
21 粒 子 束
22 粒 子 束 单 粒 子 探 测
23 粒 子 束?
24 实 际 粒 子 的 双 缝 实 验 电 子 原 子 Hitachi Carnal, Mlynek 1991
25 奇 妙 的 量 子 相 干 叠 加 相 干 叠 加 : Superposition ψ = C C 1 1 量 子 纠 缠 量 子 并 行 ψ = C C1 1 0 U ψ = C 0U 0 + C 1U 1
26 海 森 堡 测 不 准 关 系 或 不 确 定 性 关 系 位 置 精 确 知 道 粒 子 在 哪 里, 但 不 知 速 度 为 何? 位 置 不 知 道 粒 子 在 哪 里, 却 能 精 确 计 算 速 度
27 物 质 波 的 奇 妙 性 中 子 干 涉 : 一 旦 通 过 测 量 发 现 中 子 是 沿 着 哪 条 路 路 径 到 达 屏 上, 干 涉 条 纹 将 不 复 存 在 海 森 堡 测 不 准 关 系 不 可 控 制 的 扰 动 ΔXΔP /2
28 基 于 量 子 隧 道 效 应 的 传 统 量 子 器 件 晶 体 三 极 管
29 崂 山 道 士 的 量 子 实 现 因 为 粒 子 也 是 波
30 1973 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 以 下 三 位 科 学 家 从 不 同 侧 面 发 现 和 发 展 了 宏 观 隧 道 效 应, 分 享 了 1973 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖
31 从 电 子 晶 体 管 到 单 电 子 晶 体 管
32 1956 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖 发 明 人 威 廉 姆 肖 克 莱 (William Shockley) 沃 特 巴 丁 (Walter BraTtain) 约 翰 布 拉 顿 (John Bardeen) 三 位 科 学 家 共 同 获 得 了 1956 年 度 的 诺 贝 尔 物 理 学 奖
33 从 STM,AFM 到 SRFM 扫 描 隧 道 显 微 镜 (STM), 原 子 力 显 微 镜 (AFM), 自 旋 共 振 力 显 微 镜 (SRFM) Iron atoms on the surface of Cu(111)
34 扫 描 隧 道 显 微 镜 (STM) 原 理 量 子 隧 道 效 应
35 扫 描 隧 道 显 微 镜 装 置 na e - e - e - e - 探 针 R e - e - e - e - e - < 1nm x-y stage
36 量 子 信 息 启 发 的 新 一 代 量 子 器 件
37 量 子 力 学 的 世 界 图 景 回 顾 没 有 经 典 对 应 粒 子 束 0 + 1? 量 子 相 干 叠 加 Φ u + Φ u
38 奇 妙 的 量 子 相 干 叠 加 及 其 威 力 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!
39 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
40 为 什 么 需 要 量 子 信 息? ψ More 定 律 : 18 个 月 CPU 速 度 加 倍 量 子 计 算 : 计 算 机 历 史 发 展 的 必 然
41 基 于 量 子 比 特 的 量 子 信 息 经 典 比 特 量 子 比 特 二 能 级 系 统 e g 0 or 1 Quantum State 0 1 Quantum bit = Qubit
42 原 子 : 一 个 基 本 的 量 子 比 特 激 发 态 π 脉 冲 基 态 原 子 核 电 子 State 0> State 1> π 2 脉 冲 State 0> + 1>
43 量 子 比 特 的 物 理 实 现 Nuclear Spins in Semiconductors 相 干 性 Ion Traps, Photons Liquid NMR 可 规 模 化 易 控 制 Cooper-pair box,squid, Single Juction 约 瑟 芬 森 结 年 JJ Q- 比 特 的 相 干 性 得 到 极 大 改 进
44 走 向 固 态 量 子 计 算!!! 人 工 原 子 : 量 子 点 与 纳 米 器 件 1 可 控 性 2 集 成 性
45 Schrodinger s other cat here ~40nm 0 1 there Cadmium Cd + quantum bits Ψ = 0 here + 1 there
46 用 数 据 总 线 连 接 量 子 比 特 Jaynes-Cummings 模 型 数 据 总 线 量 子 比 特 量 子 比 特 中 国 科 学 院 理 论 物 理 研 究 所 有 什 么 新 的 物 理 现 象?
47 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
48 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
49 纳 米 机 械 量 子 电 动 力 学 (0,0,z) z m (0,0,m) x z y x B tip ( a, b, c) = (a,b,c) μ0 3( n m) n m 3 4π d 铁 磁 颗 粒 在 自 旋 处 产 生 的 磁 场 中 国 科 学 院 理 论 物 理 研 究 所
50 纳 米 机 械 探 测 单 自 旋 Nature 430, (15 Jul 2004) 测 量 单 自 旋
51 原 子 力 显 微 镜 (AFM)?? photodiode laser photodiode laser probe magnetic tip piezoelement piezo-element 磁 力 显 微 镜 (MFM)
52 接 近 量 子 极 限 GHz 的 振 荡 Why mechanical resonator (MR)? Small size: sub-micron Main obstable: temperature High frequency: 10 2 MHz ~ 1 GHz High quality factor: 10 2 ~10 5 Approaching quantum limit: 4.3 zero-point fluctuation Khaled Karrai, Nature, 2006 Dilution refrigerator: 10 ~ 100 mk 1 GHz ~ 50 mk
53 力 光 冷 却 的 类 比 F F
54 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
55 接 近 GHz 的 机 械 振 荡 Phys. Rev. Lett. 98, (2007)
56 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? 纳 米 机 械 共 振 器 的 超 低 温 冷 却
57 单 光 子 量 子 器 件 及 其 物 理 模 拟
58 单 光 子 晶 体 管 D. E. Chang et al, Nature Physics,3,807(2007) Single Photon Detection
59 我 们 的 设 计 : 超 腔 单 光 子 三 极 管 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, Lan Zhou, Z. R. Gong, Yu-xi Liu, C. P. Sun, F. Nori, PRL, in press (2008): Controllable scattering of photons inside a one-dimensional resonator waveguide
60 离 散 坐 标 散 射 方 程 the 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 the vacuum state of the cavity field the excited state amplitude ( Ω ω V( E )) u ( j) = ξ u ( j+ 1) + u ( j 1) k k k k k 色 散 共 振 势 V( E ) k =+ J E k 2 δ j0 Ω
61 全 反 射 的 物 理 机 制 和 束 缚 态 Transition energy inside the band Ω E k E k Energy dependent barrier < Ω ω Ω 两 个 束 缚 态 E k > Ω 0 E k = Ω
62 Quantum supercavity with atomic mirrors" 超 腔 Super-cavity: e g e g Zhou, Dong, Liu, Sun, Nori Phys. Rev. A 78, (2008)
63 1D 单 光 子 Feshbach 共 振 Chain a Xu( 徐 大 智 ),Shi, Dong, Sun,2008 束 缚 态 Chain b e g 比 较 : 原 子 Feshbach 共 振
64 原 子 玻 色 爱 因 斯 坦 凝 聚 Feshbach 共 振
65 Finite- difference time-domain (FDTD) 1
66 量 子 操 纵 的 物 理 极 限
67 信 息 量 子 化 时 代 的 开 始 Rolf Landauer ( ) Peter Shor Charles H. Bennett Landauer 原 理, 1964 大 数 因 子 化 量 子 算 法 1993 擦 出 一 个 比 特 信 息 要 消 耗 能 量 kt ln2 计 算 步 数 = Pn ( ) 量 子 密 码 学 1984 量 子 离 物 传 态 1993
68 麦 克 斯 韦 妖 PK 热 力 学 第 二 定 律 James Clerk Maxwell, Theory of Heat, 1871 Maxwell s demon 低 温 热 力 学 第 二 定 律 开 尔 文 表 述 : 高 温 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
69 Landauer 信 息 擦 除 原 理 保 护 热 力 学 第 二 定 律 香 农 信 息 n S = P k lnp k = 1 k 麦 克 斯 韦 妖 作 为 热 机 整 体 的 循 环 过 程 (a) (b) (c) (f) (e) (d) 信 息 擦 除 需 要 耗 能 的 物 理 过 程 分 子 开 始 以 50% 的 几 率 分 别 处 于 A 和 B 区 域, 信 息 量 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 于 是, 体 系 的 由 S=ln2 变 为 0 妖 必 须 是 热 机 的 一 部 分, 参 与 热 力 学 循 环 必 须 要 擦 除 自 己 信 息, 需 要 额 外 的 能 量 (Bennett,1979)
70 麦 克 斯 韦 妖 参 入 的 量 子 热 力 学 循 环 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 Quan, Liu,Sun,Nori,Phys. Rev. Lett. 96, (2006) η= 1 ςδ / Δ 没 有 违 背 热 力 学 第 二 定 律 的 现 象 d s
71 Challenges from Basic Principle 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
72 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
73 Quantum Phase Transition (QPT) Induced Dynamic Hypersensitivity in Spin Systems Quan, Song, Liu, Zanardi, Sun, Phys. Rev. Lett. 96, (06) Sachdev s book Quantum chaos results from the sensitiveness of quantum dynamics near the critical point due to quantum fluctuation from the uncertainty relation. This will enhance quantum decoherence ε k ( λ ) e j x z z ( j j j 1 ) H = J gσ + σ σ + Finite N Large N λ =λ c = 1 Ising model in a transverse field k 2 e ( ) ε ( λ ) = 2J 1 +λ 2 λ cos ka
74 最 近 德 国 的 实 验 证 实 了 我 们 的 理 论 预 言 中 科 院 理 论 物 理 所 小 组 研 究 了 单 个 量 子 比 特 与 临 界 环 境 的 相 互 作 用, 2006 年 发 现 了 量 子 相 变 导 致 退 相 干 增 强 的 量 子 混 沌 效 应 其 理 论 预 言 在 2008 年 被 德 国 Suter 小 组 核 磁 共 振 实 验 的 证 实
75 量 子 相 干 器 件 宏 观 量 子 器 件 : 超 导 量 子 电 路 物 质 波 激 射 器 纳 米 量 子 器 件 : 量 子 点 人 工 原 子 GHz 纳 米 悬 臂 量 子 存 储 和 传 输 : 全 光 量 子 操 纵 电 光 量 子 控 制
76 未 来 量 子 技 术 的 基 本 特 征 1 人 们 在 量 子 尺 度 上 操 控 量 子 态 的 能 力 2 人 们 设 计 更 小 尺 度 人 工 原 子 的 本 领 量 子 态 工 程 纳 米 技 术 3 保 持 整 体 的 量 子 相 干 性, 把 数 目 巨 大 的 量 子 个 体 有 机 的 集 成 起 来, 形 成 宏 观 量 子 系 统 应 用 新 型 量 子 态
77 References : Some of Our Recent Publications Topic 1. Circuit QED and Superconducting Qubits 1. Zhang, Wang, Sun, Phys. Rev. Lett. 95, (05) 2. Liu, You, Wei, Sun, Nori,Phys. Rev. Lett. 95, (05) 3. Sun, Wei, Liu, Nori, Phys. Rev. A 73, (06) 4.Wang, Zhang, Sun, Phys. Rev. B 70, (04) Topic 2. Quantum State transfer in Spin Chain 1. Quan, Song, Liu, Zanardi, Sun, Phys. Rev. Lett (06) 2. Shi, Li, Song, Sun,Phys. Rev. A 71, (05) 3. Li, Shi, Chen, Song, Sun, Phys. Rev. A 71, (05) 4. Yang, Song, Sun, Phys. Rev. B 73, (06) Topic 3. Quantum Storage: 1. Sun, Li, Liu, Phys. Rev. Lett. 91, (03) 2. Li, Sun, Phys. Rev. A 69, (2004) 3. Song, Zhang, Shi, Sun, Phys. Rev. B 71, (05) 4. Song, Sun,LOW TEMPERATURE PHYSICS (05) (Review ) Topic 4. Remarks 1. Quan, Wang, Liu, Sun, Nori, Phys. Rev. Lett. 97, (06) 2. Xue, Yu, P. Sun, Phys. Rev. A 73, (06) 3. Quan, Zhang, Sun,Phys. Rev. E 72, (05) 4. Liu, Sun, Lett. Math. Phys. 33,77(05)
78 从 量 子 信 息 到 人 工 量 子 物 理 现 象 量 子 力 学 激 光 半 导 体 量 子 信 息 量 子 相 干 器 件 人 工 量 子 现 象 : 黑 洞 辐 射 的 光 模 拟 单 光 子 单 声 子 效 应 原 子 反 射 镜 内 蕴 的 腔 QED 传 统 量 子 器 件 : 单 粒 子 量 子 器 件 : 后 量 子 信 息 时 代 基 于 态 密 度 和 能 谱 基 于 波 函 数 位 相 的 量 子 物 理 学
79 国 家 自 然 科 学 基 金 委 员 会 最 近 批 准 的 重 大 研 究 计 划 项 目 单 量 子 态 的 检 测 及 相 互 作 用 2008 年 8 月 1.5 个 亿 (2008 年 12 月 年 12 月 ) 数 理 科 学 部 化 学 科 学 部 信 息 科 学 部 工 程 材 料 科 学 部
80 从 物 理 学 的 发 展 趋 势 看 单 量 子 态 研 究 上 世 纪 : 被 动 特 征 量 子 力 学 揭 示 了 物 质 运 动 的 基 本 规 律, 而 且 导 致 了 激 光 半 导 体 和 核 能 等 高 新 技 术, 也 引 发 了 分 子 生 物 学 等 革 命 性 的 发 展 本 世 纪 : 主 动 特 征 人 们 开 始 通 过 单 量 子 态 的 构 筑 和 高 精 密 测 量, 在 单 量 子 态 的 水 平 上 认 识 物 质 运 动 的 基 本 规 律, 实 现 量 子 世 界 的 高 精 度 控 制, 发 现 各 种 新 奇 的 量 子 效 应 美 国 自 然 科 学 基 金 委 美 国 科 学 院 美 国 工 程 院 医 学 研 究 所 (2007 年 ) 与 信 息 科 学 交 叉 : 量 子 信 息
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