开题报告和论文综述.doc

浙江工业大学理学院毕业论文（设计）文献综述学生姓名： 方文其 学 号：200810320106专 业： 应用物理 设计（论文）题 目： 量子机器 指导教师： 徐东辉 2012年3月 6日一、文献综述 Breakthrough of the Year: The First Quantum Machine今年的大突破：第一台量子机器：我们日常生活中所有的宏观物体都遵循经典力学的客观规律，然而今年实现的这一宏观物体的运动却只能以量子力学的规律描述。由于量子力学的建立，人类才得以如此精确的了解微观世界的运动规律，预言一些奇妙的实验现象。尽管该理论仍有许多方面存在较大的争议，但在解释微观世界上体现了完美的自洽性，从真正意义上打开了微观世界的大门。在过去的几十年里，科学家们只有在原子，分子，亚原子数量级的微粒上才观测到过量子效应，却从来没有在肉眼可分辨的宏观物体上发现类似的现象。尽管科学家们在不断的尝试，但都以失败而告终。如今，美国年轻的物理学家Aaron D. OConnell及其团队创造性的制造了一个机械谐振器（如图所示为量子机器），并将其与相位量子比特耦合，对其进行单声子控制，首次实现了宏观物体的量子运动。这是一项非常具有划时代意义的发现，它将会从根本上改变我们现有的世界观。量子力学告诉我们，微观物体不可能完全处于静止状态，并且能够同时出现在两个地方。这些奇怪的理论确实与我们生活经验大相径庭，也引起了物理学家们极大的关注和反思。为什么在宏观物体上从未发现这些现象？到底是什么不为人知的原则禁止了这些现象的出现？在不久的将来，等到能实现更大数量级物体的量子效应的观测，这些难题将会被解开，我们将会更深刻的了解到量子力学的精髓。而2010年所实现的量子机器，对未来的发展起了良好的参考作用，为人类更深入的了解这个世界迈出了巨大的一步。 Quantum ground state and single-phonon control of a mechanical resonat机械共振器的量子基态与其单声子控制：量子力学力学奇妙的、经常是反直觉的预测已在原子尺度的系统和光电系统中被观察到。意图演示量子力学同样适用于力学系统，特别是一个足以让肉眼可见的宏观力学系统，引起了物理学家们极大兴趣1-13。这篇论文重在描述量子运动的观测以及量子态的实现和控制，大致可分为三个内容：1.机械共振器和量子比特装置的介绍机械共振器是一个薄膜腔声共振器22，包括强压电材料氮化铝薄膜25,它夹在两块金属电极之间，共振频率为6GHz。当共振器受到电压时，它会在与金属电极垂直的方向上伸展或收缩。共振器通过一个0.5pF的电容与超导量子比特相连，它是由于量子计算19,20而发展起来的一种电学装置，可以将其看成是二级量子系统，有一个基态和一个激发态，其频率由电感线圈外磁通量所引起的偏流来控制，能够被设定在5-10GHz，状态可以由单一程序测定192.机械共振器量子基态的实现一般情况下，机械共振器在T温度下处于热平衡状态，所包含的平均声子数符合波瑟爱因斯坦分布，其中是普兰克常数除，kB是波尔兹曼常数，而热平衡状态将会掩盖量子效应，为观察量子行为，需要去除因热激发而产生的声子，所以机械共振器必须处于量子基态，即1。然而，将机械共振器冷却至量子基态相当具有挑战性，物理学家们运用了一种新型的冷却技术稀释冰箱14-18,成功将其冷却至25mK，并进行微波量子光谱测量，通过将量子比特用作量子温度计来估算平均声子数的上限值来判断该装置是否处于量子基态。3. 机械共振器激发态的实现和控制在这一过程中，量子比特充当量子转换器的角色，我们对量子比特进行时域控制，先用一个经典微波脉冲使量子比特处于激发态，然后再将此激发态转移给共振器。这一技术能够实现机械谐振器和量子比特之间量子的交换，于此同时，也能实现单声子状态以及量子比特和谐振器的纠缠态。为了说明该系统的波色子特性，我们直接用经典微波脉冲直接激发机械共振器，测得量子比特和机械共振器间的交换频率是与声子数的平方根成正比的21,23,24，这明显预示着共振器的波色子特性，与模拟实验的结果符合的很好，最终证明该系统的量子行为和谐振子相同。鉴于共振器的寿命实在太短，并不允许我们进行纠缠态的量子相位相干这一强有力的证据的分析和观测，但是其余现象足以说明我们已经实现了宏观物体的量子控制。A Macroscopic Mechanical Resonator Operated In the Quantum limit：本篇文章是作者的博士论文，也是阐述量子机器实现的最原始的论文。该课题最早来源于薛定谔的猫的实验。在这一假象的实验中，便提出了宏观物体是否同样可以由量子力学的规律支配的问题，之后创造性的提出了退相干效应的理论解释26，界定了宏观物体与微观世界严格的界限。然而，科学家们从未放弃过对该课题的探索和思考。2010年所实现的装置量子机器，成功证实了即便是宏观物体也能在一定条件下展示出量子效应。首先，要成功实现宏观物体的量子效应，不得不需要严密的物理考虑。退相干效应告诉我们，当系统与外界环境相互作用时，会使得量子相干性衰减，导致量子效应消失。为了避免能量损失和退相干效应的影响，必须选取固有震荡频率较大的机械共振器，并使其处于很低的温度以去除因热激发而产生的多余声子。由玻色-爱因斯坦统计，并可得到频率和温度的估计值了。机械共振器由品质因素高的压电材料氮化铝制成，则具有较高的去耦程度。实验中，我们得到其固有频率为6GHz，让其处于25mK的温度下，该温度用稀释制冷机便可很容易达到，此时装置必处于其量子基态。根据压电材料的性质，当电压施与共振器的两极时，装置会伴随电压频率的震荡而上下震动。当装置的振荡频率为w时，有相关知识可知，该装置的阻抗28其中是几何电容，只与装置的几何参数有关，是声音在材料中的速度，是装置的厚度，是所谓的压电耦合效率。从上式可以得到，阻抗最大和最小的时候，装置振动频率值。在假设无耗散的情况下，我们用简化的Butterworth-van Dyke模型来代替该装置。该装置本质上是一个LC震荡电路，而LC震荡电路的量子对应就是一个谐振子体系，运用向量法的相关知识，可以计算出模型的阻抗，分析阻抗的性质，同样可以得到振动频率，对比测量的得到的数据，便可知道等效电路中各参数的近似值，间接计算出装置的品质因素和寿命。计算得到的寿命值为纳秒的数量级，所以为实现对该装置的量子操控，必须用到超导约瑟夫森相位量子比特。它最重要的结构为约瑟夫森结，一般由两个金属导体和一个绝缘体势垒组成，称为SIS结。结中的电子不再单独运动，而是两两形成库伯对运动。约瑟夫森结具有两个重要的性质：直流约瑟夫森关系和交流约瑟夫森关系。我们用一个严格遵守约瑟夫森关系的理想约瑟夫森结并联一个电容来代替一般的超导量子比特，列出该结所满足的微分方程，我们会发现该方程可近似的认为是一维经典粒子运动的牛顿方程。我们用拉格朗日力学的语言重写牛顿方程，最后便可得到该装置的哈密顿量。为了实现体系的量子化，引入库伯对，进一步控制偏流的大小，可保证体系拥有与谐振子体系相似的最低的两个能级，这就形成了拉量子比特的计算基础。为实现量子比特对机械谐振器的控制，将两装置的等效电路进行串联耦合。两个震荡系统之间的耦合强度的经典算法为计算整个系统的导纳，当导纳为0时，求出此时频率的表达式，便可知道两者之间的耦合强度了。引入极限下的共振条件，简化耦合强度的表达式，从式中看出，相同厚度下，机械共振器的表面积越大，则耦合强度更大。为了省去修改材料参数的麻烦，我们在串联电路之间再串联一个电容，此时耦合强度的表达式形式上并未改变，通过改变电容的大小，操纵两者之间耦合强度的大小。在实验中，若将激发脉冲直接作用于机械共振器，它仍有可能处于与经典太不可分辨的相干态，所以要先使量子比特跃迁至激发态，在进行两者之间的控制，方可实现对机械共振器的量子操控。由以上可知，机械共振器和量子比特均可被近似为二能级体系，故而整个系统的哈密顿量可写为机械共振器，量子比特和两者之间耦合哈密顿量的叠加。引入JC模型29，当耦合程度相比两者共振频率很小的时候，利用旋转波近似，进一步可得到体系近似的哈密顿量以及波函数的演化，参考实验中现象和数据，成功证实了宏观物体在一定条件下也同样能受量子力学的规律所支配。Quantum machine量子机器（来自于维基百科）：早在20世纪量子力学诞生之初，物理学家们便在考虑是否宏观物体也许同样遵循量子力学规律26。然而，薛定谔的猫实验指出，由于退相干效应，宏观物体很难观测到量子效应。可是就在没有足够证据证明该实验能成功的情况下，美国的物理学家实现了这一突破。他们所制造的量子机器为微米数量级，类似与头发丝的大小，完全能够用肉眼分辨。将该装置冷却至基态，并实现激发态与相干态控制的过程中，其运动规律完全由量子力学所支配，创造性的说明了宏观物体也遵循量子力学的运动规律。个人评价：量子力学作为近代物理的两大基石之一，对其他自然学科的发展起了重大的推动作用。自薛定谔建立波动力学，波恩和波尔分别提出统计诠释和对应原理，再到海森堡创立矩阵力学。在一个个大师的努力下，量子力学日益完善，而2009年量子机器的出现绝对是量子力学史上里程碑的贡献，它是连接微观世界与宏观世界的桥梁。综述中所阐述的内容，概括了实现宏观物体量子控制的全过程，论文将着重于量子机器物理本质的解释，忽略详细的实验过程。1. Braginsky, V. B. & Khalili, F. Y. Quantum Measurement (Cambridge Univ. Press,1992).2. Courty, J. M., Heidmann, A. & Pinard, M. Quantum limits of cold damping withoptomechanical coupling. Eur. Phys. J. D 17, 399408 (2001).3. Armour, A. D., Blencowe, M. P. & Schwab, K. C. Entanglement and decoherence ofa micromechanical resonator via coupling to a Cooper-pair box. Phys. Rev. Lett. 88,148301 (2002).4. Knobel, R. G. & Cleland, A. N. Nanometre-scale displacement sensing using asingle electron transistor. Nature 424, 291293 (2003).5. Cleland, A. N. & Geller, M. R. Superconducting qubit storage and entanglementwith nanomechanical resonators. Phys. Rev. Lett. 93, 070501 (2004).6. LaHaye, M. D., Buu, O., Camarota, B. & Schwab, K. C. Approaching the quantumlimit of a nanomechanical resonator. Science 304, 7477 (2004).7. Blencowe, M. Quantum electromechanical systems. Phys. Rep. 395, 159222(2004).8. Martin, I., Shnirman, A., Tian, L. & Zoller, P. Ground-state cooling of mechanicalresonators. 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Lett., 93:070501, 2004签名：方文其2012年3月6日浙江工业大学理学院毕业论文（设计）开题报告学生姓名： 方文其 学 号：200810320106专 业： 应用物理 设计（论文）题 目： 量子机器 指导教师： 徐东辉 2012年3月6日一、 立题背景及意义立题背景：2010年，美国科学杂志将年度十大发现之首授予“量子机器”2。这是美国加利福尼亚大学圣芭芭拉分校的物理学家研制成功的，完全由量子力学规律支配其运动的“宏观”力学装置。自量子力学诞生以来，尽管它的理论违反我们日常生活经验，但是却一次次被实验所证实。正由于它的建立，我们才能如此深刻的描述微观粒子的运动规律。我们现在所运用的量子力学是以哥本哈根诠释为基础的量子力学。统计解释，不确定性原理和互补原理是该诠释的核心理论。这个解释否认了传统意义上因果性在量子力学中的存在，认为量子世界本质上是随机的，所以该理论的完备性引起了广泛的论战，其中最著名的有两个：爱因斯坦-波多斯基-罗斯提出的EPR佯缪和薛定谔的猫佯缪。在薛定谔的猫这一假想实验中，所要阐述的实质的物理问题是：微观粒子遵循量子叠加原理，那宏观是否也同样遵循量子叠加原理呢？这一实质性的问题，也是量子力学是否同样适用于宏观物体这一争论的核心问题。最后仍然是哥本哈根学派取得了胜利，便由此争论提出了量子力学中两个非常重要的概念：纠缠态和退相干效应。宏观物体是否展现量子行为在于各例子之间是否具有相干性，所以要使宏观物体的运动规律同样受量子力学的支配，必须要有严格的实验条件。物理学家们已经在实验中观察到诸如玻色爱因斯坦凝聚，量子霍尔效应，超导电性约瑟夫森效应等宏观的量子效应。然而，却从未观察到宏观物体尤其是用肉眼看得见的物体的量子效应，因为很难将一个机械系统冷却到其量子基态，这一前沿的课题引起了物理学家们极大的兴趣1。在过去，科学家们也曾经做过各种各样的尝试，要将装置冷却至基态是物理学家们的共识，因为由热平衡所激发的声子会掩盖量子效应3,而且为了降低严格的低温条件，装置的共振频率数量级至少要达到兆赫兹1。以往的科学家们都致力于运用激光或微波冷却，最后都没有成功，原因是在实验中，这些冷却技术的效率不足以持续性去除热激发所持续产生的声子数。美国的物理学家首先突破了这一难关，他们制作了一个薄膜腔声共振器，为微米数量级，类似与头发丝的大小，能够用肉眼分辨，共振频率为6GHz4，所以用稀释制冷机就可以达到所要求的温度，它能够为装置提供持久性的冷却效果，符合我们的要求。再将其和可操控的量子比特相连。这一创造性的举动使得美国物理学家率先实现了宏观物体的量子控制。发展趋势：在未来研究量子机器的领域，物理学家们将会致力于装置品质因数和量子态寿命的提高3，以便更好地分析装置的量子行为。更重要的是，为了更深刻的解释宏观物体为什么不能像微观粒子那样表现出同样的量子行为，必需要实现更大物体的量子控制2。量子机器的诞生不但从根本上改变了我们现有的世界观，而且为实现更大物体的量子控制做了良好的铺垫。理论和实际意义：量子力学作为四大力学之一，其重要性是不言而喻的。然而，因其所研究的领域为微观世界，在宏观世界中并无实际的对照和应用，所以它的重要性被相当一部分同学所忽视。宏观量子机器的诞生，打破了量子力学严格的微观界限，从根本上改变了我们现有的世界观。然而不幸的是，宏观物体量子运动的实现是一个实验性相当强的课题，鉴于实验条件，不可能再现这一力学装置，但它却是一次本科生应用所学的量子力学知识解决实际问题的良好机会。在感叹和钦佩这一伟大发现的同时，对