Modern Physics Seminar(1)

在USTC选修了一门近代物理进展(Modern Physics Seminar)

对已经听过的4次讲座做一个简短的回顾和总结。因为没有完整的学过量子力学,听得比较吃力,了解了一些概念和目前的现状,知道了可以使用量子技术做哪些事情。把自己理解的一些记下来,欢迎指正。

第一讲比较通识,大体上介绍了量子力学的应用,标题是从《量子力学到量子信息》。 在量子世界,系统的态和演化是不确定的。介绍了EPR佯谬(Einstein, Podolsky, Rosen)(测了才知道)、Bell不等式(局域实在论是错误的;非局域性是量子世界最基本的特性)、量子纠缠(无法单独描述各个粒子的性质,只能描述整体系统的性质)。

量子信息就是使用量子比特作为信息单元,量子比特具有不可克隆的特点。

  1. Shor算法可以有效的对进行大数分解,对目前广泛使用的密码体系(如RSA)的安全性造成威胁。使用量子密码,量子密钥传输,安全的生成密码本,QKD(Quantum Key Distribution)。
  2. 可以实现量子隐形传输。
  3. 量子计算的Qubit位数每年也符合摩尔定律在增长,比较有用的量子算法有Shor算法和Grove搜索算法。

量子计算的物理实现需要根据DiVincenzo判据,目前主要有量子阱、离子点、超导、集成光波导等。 接下去是线性光学的量子模拟。量子模拟与量子计算的区别是,不是通过数值求解,而是创造一个和已知物理系统相同条件的系统,并演化下去。通过制备量子态,系统演化后测量其物理量。费曼曾说过“If you want to make a simulation of nature, you’d better make it quantum mechanical ”。

线性光学系统的问题是难以引入Hamilton量,因此线性光学量子模拟实验通常只是态制备过程。而李的团队通过引入辅助量子比特做后选择解决了引入哈密顿量的问题,并完成了一系列的量子模拟实验。后面就听不懂了。

第二次讲了量子固态存储。 量子纠缠网络是对经典网络的拓展,构成要素包括量子节点和量子信道。量子节点又分为存储节点和操作节点。量子存储就主要应用于量子中继、量子网络和量子优盘。其中单光子偏振态的存储十分重要,因为光子是量子信息的载体,偏振的抗消相干能力强。

利用量子存储可以探索量子和经典的界限,EPR佯谬是量子力学vs局域实在论(多体系统的纠缠)→Bell不等式,薛定谔的猫是量子力学vs宏观实在论(单体系统的演化)→LG不等式。量子固态存储的展望是量子优盘,长达6小时的相干寿命,另一方面为量子网络打下基础。也可以用于验证量子力学和相对论。


主要使用金刚石NV色心实现来量子精密测量(量子传感)。

物理测量技术和科学技术发展互相促进。N次想干测量,量子精度为1/N(海森堡极限),经典N次重复独立测量的精度为1/√N。基于NV色心的量子传感可以用于温度、压力、磁场等。其中磁场强度、矢量和灵敏度测量为热点,相当于使用一个电子去测量磁场。

使用NV色心可以进行超分辨成像,突破传统衍射极限。因为亮点发出的光是有限长的波列,通过观察到的先后,来区分它们。对于同一个亮点,也可以分辨出是一个光子还是两个光子。结合传统的测量技术,将NV色心颗粒放在AFM针尖上对样品进行探测,或者将样品铺在NV色心块上,用CSD技术测量实现纳米尺寸的测量。


这个讲座时间比较短,内容与之前重复较多。

主要使用NV色心进行量子计算,当然最主要的NV色心的制备,NV色心体系也成为量子领域一个重要的原料,优点是室温下的超长相干时间,就像微电子领域的硅一样。

其中最后提到,低效率是一个明显的缺点,对应频率的光只占总能量的4%,而其他频率最好被抑制,因此在金刚石上做一个增强特定频率的光学腔可以提高效率。


这位老师比较年轻,令我最佩服的一点是本科有双学位,获得了物理学的理学学士和电子信息工程的工学学士。

简单介绍了基于量子技术的单分子磁共振谱学和成像。传统和核磁共振在医学上已经应用的很广泛了。针对目前核磁共振分辨率在10纳米左右的限制,发展纳米核磁共振。NV色心具有原子尺度(空间分辨率高),长相干时间、量子干涉、光学高效读出(高灵敏度),室温(适合地球环境)。 与今年诺贝尔生化学奖的冷冻电镜技术相比,量子技术可以实现生物单蛋白分子在细胞内的原未检测,是非破坏性的,不需要对样品冷冻、切片等处理。

其中提到一点研究和写论文的过程会有一点相反,读文章可能一开始没做出什么,慢慢调整变量得到一个好的结果。而做实验时,可能先做出一个最好的结果,研究清楚,然后再去补其他的数据。 最令我佩服的一点是,该实验室的实验平台是自己搭建的,并且自主开发了控制台系统(这个应该是电子系统),由于已有商用产品的水平。设备和技术都拥有自主知识产权。理工双全,真的是太强了。


本学期的最后一个讲座,以量子开始、以量子结尾。老师比较厉害,是潘团队做量子的骨干,但是讲的比较通俗易懂,大部分仅作了科普,然后做了一下量子通信、量子计算(量子模拟)方面的展望。


学术之外,李传锋老师介绍了他每年都会对他们组学生进行的“洗脑”,为了预防长期从事科研没有新想法产生,思想僵化。

其核心提到灵感来自另一个维度。物理的本质是逻辑&实证(现代自然科学都是如此)。

无:都允许、全部(无观念)
有:只有部分、排斥其他(有观念)

观念→智慧→理论→信息→知识,再到观念的往复。 一种观念,通过智慧的总结提出一个理论,进而成为一种信息,信息的推广和发展,成为一种固定的知识,最终成为根深蒂固的一种观念。 这样想来,脑子里的确已经装了很多成见,固有的观念。所以通过旧观念产生新理论的过程是需要承受力的,而这个过程就是看文献的过程。由A发现B,进而由A,B发现AB就是一种新的突破。

光具有波粒二象性,波动性和粒子性这两种属性即对立又互补,一个实验中具体展示哪种属性取决于实验装置,李传锋的实验装置使得测量装置处于探测波动性与探测粒子性的两种量子叠加态上,并在实验中观测到了光的波动态与粒子态的量子叠加状态,既不象普通的粒子态那样没有干涉条纹,也不象普通的波动态那样表现出标准的正弦形干涉条纹,而是展现出锯齿形条纹这样一种”非波非粒,亦波亦粒“的表现形式。真是太奇妙了。

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注