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 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
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
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
奇 妙 的 量 子 世 界 海 阔 天 空 - 孙 昌 璞 之 科 普 网 站 http://power.itp.ac.cn/~suncp/quantum.htm
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
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
从 卢 瑟 福 - 玻 尔 原 子 有 核 模 型 到 量 子 力 学 海 森 堡 矩 阵 力 学
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
第 五 次 Solvay 会 议 (1927) Electrons and photons Quantum Theory Quantum Wave Mechanics - takes flight
量 子 的 世 界 图 景
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
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
经 典 世 界 的 波
听 到 波 的 干 涉 = 声 音 增 大 = 无 声
看 到 波 的 干 涉 激 光 Electromagnetic waves
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
光 电 效 应 与 传 统 量 子 器 件 从 电 动 门 到 火 星 探 测 器
德. 布 罗 易 : 实 物 粒 子 像 一 种 波 物 质 波 : ν=e/h λ=h/ p click
粒 子 的 双 缝 实 验 粒 子 束 粒 子 探 测 器
粒 子 束
粒 子 束 单 粒 子 探 测
粒 子 束?
实 际 粒 子 的 双 缝 实 验 电 子 原 子 Hitachi Carnal, Mlynek 1991
奇 妙 的 量 子 相 干 叠 加 相 干 叠 加 : Superposition ψ = C 0 0 + C 1 1 量 子 纠 缠 量 子 并 行 ψ = C0 0 1 + C1 1 0 U ψ = C 0U 0 + C 1U 1
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
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
基 于 量 子 隧 道 效 应 的 传 统 量 子 器 件 晶 体 三 极 管
崂 山 道 士 的 量 子 实 现 因 为 粒 子 也 是 波
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
从 电 子 晶 体 管 到 单 电 子 晶 体 管
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
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)
扫 描 隧 道 显 微 镜 (STM) 原 理 量 子 隧 道 效 应
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
量 子 信 息 启 发 的 新 一 代 量 子 器 件
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
奇 妙 的 量 子 相 干 叠 加 及 其 威 力 Superposition ψ = C 0 0 + C 1 1 量 子 纠 缠 :Entanglement ψ = C0 0 1 + C1 1 0 量 子 并 行 : Parallelism U ψ = C U 0 + C U 1 0 1 存 在 超 光 速 通 讯? 否!
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
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
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
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>
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 2002-2003 年 JJ Q- 比 特 的 相 干 性 得 到 极 大 改 进
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
Schrodinger s other cat here ~40nm 0 1 there Cadmium Cd + quantum bits Ψ = 0 here + 1 there
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?
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
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
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
纳 米 机 械 探 测 单 自 旋 Nature 430, 329-332 (15 Jul 2004) 测 量 单 自 旋
原 子 力 显 微 镜 (AFM)?? photodiode laser photodiode laser probe magnetic tip piezoelement piezo-element 磁 力 显 微 镜 (MFM)
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
力 光 冷 却 的 类 比 F F
纳 米 机 械 共 振 器 的 超 低 温 冷 却 Zhang, Wang, Sun, PRL, 097204 (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
接 近 GHz 的 机 械 振 荡 Phys. Rev. Lett. 98, 123901 (2007)
从 热 三 极 管 到 声 子 计 算 机 Lei Wang and Baowen Li, Phys. Rev. Lett. 99, 177208 (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
单 光 子 量 子 器 件 及 其 物 理 模 拟
单 光 子 晶 体 管 D. E. Chang et al, Nature Physics,3,807(2007) Single Photon Detection
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
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
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
Quantum supercavity with atomic mirrors" 超 腔 Super-cavity: e g e g Zhou, Dong, Liu, Sun, Nori Phys. Rev. A 78, 063827 (2008)
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
原 子 玻 色 爱 因 斯 坦 凝 聚 Feshbach 共 振
Finite- difference time-domain (FDTD) 1
量 子 操 纵 的 物 理 极 限
信 息 量 子 化 时 代 的 开 始 Rolf Landauer (1927 99) 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
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
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)
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
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
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
Quantum Phase Transition (QPT) Induced Dynamic Hypersensitivity in Spin Systems Quan, Song, Liu, Zanardi, Sun, Phys. Rev. Lett. 96, 140604 (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
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
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
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
References : Some of Our Recent Publications Topic 1. Circuit QED and Superconducting Qubits 1. Zhang, Wang, Sun, Phys. Rev. Lett. 95, 097204 (05) 2. Liu, You, Wei, Sun, Nori,Phys. Rev. Lett. 95, 087001 (05) 3. Sun, Wei, Liu, Nori, Phys. Rev. A 73, 022318 (06) 4.Wang, Zhang, Sun, Phys. Rev. B 70, 224515 (04) Topic 2. Quantum State transfer in Spin Chain 1. Quan, Song, Liu, Zanardi, Sun, Phys. Rev. Lett. 40604 (06) 2. Shi, Li, Song, Sun,Phys. Rev. A 71, 032309 (05) 3. Li, Shi, Chen, Song, Sun, Phys. Rev. A 71, 022301 (05) 4. Yang, Song, Sun, Phys. Rev. B 73, 195122 (06) Topic 3. Quantum Storage: 1. Sun, Li, Liu, Phys. Rev. Lett. 91, 147903 (03) 2. Li, Sun, Phys. Rev. A 69, 051802 (2004) 3. Song, Zhang, Shi, Sun, Phys. Rev. B 71, 205314 (05) 4. Song, Sun,LOW TEMPERATURE PHYSICS 31 686 (05) (Review ) Topic 4. Remarks 1. Quan, Wang, Liu, Sun, Nori, Phys. Rev. Lett. 97, 147903 (06) 2. Xue, Yu, P. Sun, Phys. Rev. A 73, 013403 (06) 3. Quan, Zhang, Sun,Phys. Rev. E 72, 056110 (05) 4. Liu, Sun, Lett. Math. Phys. 33,77(05)
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
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 -2014 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
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