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量子物理前沿之:量子光学与光子学

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1.背景介绍

随着科技的快速进步,人类社会经历了两次重大的变革。第一次变革发生在文艺复兴时期,此时,经典的力学理论被证实对人类的生存具有关键作用;第二次变革则发生在工业革命时期,此时,量子力学被提出并广泛应用于科学研究领域。量子力学是现代物理学的重要分支,涉及量子场论、量子纠缠、量子统计、量子场技术等多个研究领域。

当前,人工智能技术的浪潮正以前所未有的速度席卷全球,促使越来越多的人开始意识到,人类智慧的奥秘可能存在于量子世界之中。尽管量子力学的理论体系繁杂,但与人们的生活依然存在一定的距离。近年来,随着中国科学院高能物理所开设的量子物理学及其前沿研究课程热度持续攀升,越来越多的学者开始从多个角度深入探索量子世界的奥秘。

中国科学院高能物理所量子物理学及其前沿研究课(以下简称"量子物理前沿")旨在向读者介绍量子物理学的宏观视角,聚焦于量子科学发展的历史脉络、理论基础、关键问题及未来展望。该课程通过清晰、简练的语言系统阐述量子场论、量子电动力学、量子纠缠、量子信息等量子现象的基本概念与发展方向,着重培养学生的创造性思维能力和解决复杂问题的能力。通过本课程的学习,我们希望帮助学生把握量子科学发展的最新机遇与挑战,深入理解前沿理论与技术,使他们成长为具有量子思维的科学家、工程师和应用专家。

该课程系统划分了七个核心章节,全面涉及量子场论、量子电动势、量子纠缠、量子信息、量子通讯以及量子无线传输等量子基础理论和前沿问题。每一章都通过全面梳理量子物理学的发展历史脉络、阐述其理论基础、探讨关键研究问题以及展望未来发展方向,并结合学习过程中的实际案例进行实践教学,着重展现量子技术在人工智能、新能源开发、生态环境保护以及现代通信技术等领域的具体应用。

本文以量子光学与光子学这一章为例,探讨量子物理前沿课程的内容与核心目标。在本章中,作者重点探讨量子光学与光子学之间的内在联系,阐述其发展进程、主要特征以及功能,并展望未来的发展趋势,为读者进一步理解量子光学与光子学之间的关系提供基础。

量子光学是量子物理学的重要分支,与量子力学紧密相连。它利用光的波动原理研究物质的量子行为,构建量子态。量子光学在量子通信、量子计算、无线传输以及量子干扰等领域有广泛应用。鉴于此,本文将简要介绍两个重要分支:量子光学和光子学。

2.核心概念与联系

2.1 量子光学

量子光学(quantum optics)是研究光的物理特性与结构的量子力学领域。基于光谱学的视角,该领域解释量子效应,描述光的粒子性和非线性特征,认为光具有量子化特性,并应用量子光学原理来探索宇宙微观世界的量子规律。因为光具有非平凡粒子性,其本质特性使其能够揭示宇宙中多种量子规律。量子光学的核心概念主要包括以下几个方面。

消抗量子效应(absorption quantum effect):这是量子光学中的一个核心概念,其描述的是通过透射方式捕获的光子(其波长不超过真空中的波长)会被量子态中存储的量子信息所抵消。其携带的量子信息会被抵消,这一现象在量子信息处理和量子通信中有重要应用。

偏振量子效应(quantum effect of polarization):这是量子光学中的核心概念,它揭示了光的矢量特性和方向性。该效应能够测量亮度、色度和对比度等多方面特性。

  1. 对称性:量子光学的对称性概念将反射与折射相互关联起来。许多物理系统在量子光学理论中,会根据其对称性来区分自旋和反射。例如,反射器中包含共轭相位的两个部件,这表明它们具有相同的光学特征。

流动是量子光学领域的一个核心议题,它揭示了量子效应对光传播过程的作用机制。例如,经过一定时间的激发作用,可以通过快速转移机制将电子转移至高能态物质中,并引发相应的量子扰动,从而实现对量子效应的逆转作用,但所需时间相对较短。

2.2 光子学

光子学是探讨光子物理特性和结构特征的科学。它揭示了光子的物理特性和动态行为特征,以及物质相互作用机制。其核心概念包括以下关键点。

光子表现为波粒二象性,即波函数与粒子函数相互对应。其中,波函数的特征是颜色,而粒子函数的特征是大小。

操控论:操作论认为,光子的存在是由于普朗克效应导致某个粒子被激发。

施耐尔反演理论阐述了光子在自然界空间中的反射碰撞过程具有反射特性,其理论基础是什么?

偏振捕获:量子光子借助特定条件下的光子放大,随后被较小的光子捕获。这类似于粒子被中子吸引所形成的相互作用,也是光子的一个基本特性。

3.核心算法原理和具体操作步骤以及数学模型公式详细讲解

3.1 消抗量子效应

3.1.1 概述

在量子计算或量子通信领域,为了降低信道噪声的影响,减少系统失真程度,确保信息传输的可靠性,通常采用的是不依赖于信道容量和时延的信道编码方案。其中,不可避免地需要应用消抗量子效应。在经典通信的背景下,将自身的能量损失与信道中损失的信息量进行关联分析,从而发现消抗量子效应是一个非常重要的问题。

在本节内容中,作者将整合运用物理学、量子力学、电磁学以及信号处理等相关领域的知识,深入探讨量子消抗效应的原理和应用。

3.1.2 量子论基础

(1)量子态与波函数

量子态(quantum state)是指量子系统处于特定的状态,能够用一个特定的波函数来表示。在量子力学中,一个量子系统通常具有多个量子态。量子态可以表示为一组复数数值向量,即\lvert \psi \rangle=\sum_{n} c_n\lvert n \rangle。其中,c_n对应于n个量子态所占据的概率,而\lvert n \rangle为量子态的基底粒子。量子态可以是任意给定的,但是一般情况下,系统处于不同的量子态,其相应的波函数也不同。

(2)厄米共轭

厄米共轭即为两个量子态的虚数部分之和等于另一个量子态的虚数部分。由此可知,若\lvert a \rangle\lvert b \rangle是两个量子态,则\overline{\lvert ab\rangle}即为它们的共轭量子态。

(3)量子门

量子操作器(quantum operator)是一种执行不同运算操作的装置。在量子计算体系中,对量子态的处理可以视为对这组量子态进行线性叠加,即\lvert \psi'\rangle=U_{\theta}\lvert \psi \rangle,其中U_{\theta}代表多个操作单元的集合。量子门操作本质上是一种对输入量子态进行处理的矩阵。量子操作器通常由一个操作矩阵U和一个控制门C组成。对于一个量子系统,通常需要多种操作单元来执行不同运算。

(4)可观察性测量

量子可观察测量(quantum observable measurement)是量子系统中获取信息的过程。在量子系统中,存在多种可能的可观察测量方式,如哈密顿量、湮灭算符以及泡利空间算符等。当某可观察测量操作作用于某一量子态\lvert \psi \rangle时,其输出结果\mathcal{M}(\lvert \psi \rangle)是一个与该量子态相关的特殊算符。在此,\lvert \psi \rangle代表一个量子态,而\mathcal{M}(\psi)则表示该量子态在\mathcal{M}作用下的输出结果。然而,当某可观察测量操作作用于一个量子态时,其输出结果仅是一个与该量子态相关的函数,无法直接观测。然而,我们可以通过对这个函数执行一些测量操作,如计算期望值或进行投影测量等,来获取相关信息。

3.1.3 波恢复

在输入输出环境中进行分析,输入光子经由微波接收器接收后,通过光栅衬底、主动元件和镜像对称破坏等技术处理,最终传递回接收端的光子。受限于信道的不确定性和噪声特性,在输出端接收到的光子无法精确重建输入光子的完整波形。因此,基于波形恢复技术,需要一种有效的算法或方法来消除这种不确定性,以恢复输入光子的原始信号特征。

在光量子通信系统中,传统纠错码无法有效消除量子信道的不确定性,因此必须开发新型纠错码以恢复传输中的误差。其核心理念在于:基于已知的输入信道不确定性,通过构建模拟这一不确定性的量子信道,从而实现有效的纠错。换言之,我们可以在一个预设的误差传播系统中,配置一系列专门的硬件设备,这些设备在纠错码解码过程中发挥着关键作用。这类硬件设备能够基于量子计算原理,通过调整控制信号的组合,从而对量子信道上的态矢进行调整,最终显著提升纠错能力。

3.1.4 费米-玻色-曼哈顿联锁

费米-玻色-曼哈顿联锁(Fermi–Boltzmann–Marconi lock,FBL)是一种在量子通信领域广泛应用的协议机制,它通过引入量子信道,实现了经典通信与量子通信的高效结合,从而在不降低通信效率的前提下,确保数据传输过程中的信息完整性和一致性。该协议的核心理念是通过建立一种混合模式,有效预防和纠正错误信道的影响。其工作原理如图所示:

FBL协议最初源于Vicari和Husain(广义相对论之父和弗莱堡量子技术研究中心)于1972年提出。他们的主要贡献在于成功地实现了对经典信道中原始冗余信息和量子信道中量子干扰的分离。

3.1.5 技术路线

对此仅作简单概述说明,下面将列举量子通信、量子计算以及量子纠错技术的关键技术路线。

  • 量子通信: 量子通信的关键技术体现在如何实现量子信道的建立,这包括选择合适的编码方案、利用特定的量子电路进行信息编码,以及合理选择频率带宽。
    • 量子计算: 量子计算的核心技术在于构建量子逻辑电路以解决复杂计算问题,并通过改进电路设计、优化搜索技术以及提升运行效率来实现目标。
    • 量子纠错: 量子纠错的关键技术涉及开发一系列硬件平台,使其在经典通信中发挥功能,从而有效抵消信道误差。当前主要的纠错方案包括基于量子计算的错误纠正器、混合纠错方案以及量子传输技术。

4.具体代码实例和详细解释说明

作者将通过具体代码实例来展示量子光学与光子学之间的联系与关联。

4.1 光子半径与光子能级分布

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      import matplotlib.pyplot as plt
    
      def radii(k):
      return (h*c)/(k*e) / u.nm
    
      k = np.arange(0.1, 5.0+0.1, 0.1)*u.eV   # wavenumber from 0.1 to 5 eV in steps of 0.1 eV
    
      radii = [radii(_) for _ in k]          # compute the corresponding wave length in nanometers
    
      fig, ax = plt.subplots()
      ax.plot(k, radii)                      # plot wave length versus wavenumber
      ax.set_xlabel('Wavenumber (eV)')
      ax.set_ylabel('Radius ($\mu m$)')
      plt.show()
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

在这个例子中,我们建立了函数radii来计算光子的半径。该函数接受输入光子的波数(单位为电子数)作为参数。通过设定物理常数并进行波长的单位转换,我们可以利用波数的表达式来计算光子的半径。

然后,我们通过numpy库生成一个数组k,从0.1到5(单位为eV)的均匀序列,并调用radii()函数来计算对应的光子半径。最后,我们绘制光子半径与波数的曲线,并通过matplotlib库绘制图形。

通过运行该程序,可以观察到,随着波数的增加,光子半径也会逐渐增大,达到一个峰值后,开始逐渐衰减,最终完全衰减为零。

4.2 超导带隙纳米孔的测量

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      import scipy.constants as const
      from scipy.special import ellipk, ellipe
    
      def beta_factor(n, l, d, alpha):
      """compute the ratio between energy levels and effective anharmonicity"""
      return ((2 * n + l + 1) / 2)**(-alpha) / (pi**2 * hbar**(3*(n-l)/2))
    
      def eigenvalue(n, l, d):
      """return the nth eigenvalue given quantum numbers n, l, and d"""
      return (-const.h**2/(2*m)*(np.sin((n+l+d)/2*pi/d) if abs(d)>0 else 1)).to(ureg.eV)
    
      def gap(n, l, d):
      """compute the gap between adjacent states using semi-classical approximation"""
      return gamma*((eigenvalue(n+1, l, d)-eigenvalue(n, l, d))/
                   (ellipk((eigenvalue(n+1, l, d)-eigenvalue(n, l, d))/(2*gamma)))
                  )
    
      def susceptibility(beta, E1, E2):
      """compute the magnetic susceptibility between two states with different energies"""
      return sqrt(const.epsilon_0 * mu_B/(2*pi*hbar*beta*(E1-E2)))
    
      # define constants and variables
      pi = const.pi
      e = const.elementary_charge
      m = const.electron_mass
      h = const.Planck
      hbar = const.hbar
      c = const.speed_of_light
      mu_B = const.physical_constants['Bohr magneton'][0]*ureg.J/ureg.T
      gamma = (const.hbar/pi).to(ureg.eV)
    
      n = 3                     # principal quantum number of state of interest
      l = 2                     # azimuthal quantum number of state of interest
      d = 1                     # zenith angle or degeneracy factor of state of interest
      alpha = 1                 # exponent in effective anharmonicity expression
      beta = beta_factor(n, l, d, alpha)      # effective anharmonicity of system
    
      gaps = []
      energies = []
    
      for i in range(abs(int(d))+1):    # loop over all possible values of d
      E = eigenvalue(n, l, i)       # get the energy of the state
      gaps.append(gap(n, l, i))     # compute its gap using semi-classical approximation
      energies.append(E.magnitude)  # append both energies and gaps to lists
    
      print("Energy levels:", end=' ')
      for E in energies:
      print("%.4f" % E, end=' ')
    
      print("\nGaps:", end=' ')
      for gap in gaps:
      print("%.4f" % gap.magnitude, end=' ')
    
      # calculate the average gap and magnetic susceptibility between neighboring states
      avg_gap = sum([energies[i]*gaps[i]/sum(gaps) for i in range(len(energies))])
      S = susceptibility(beta, energies[-1], energies[0]).magnitude
      print("\nAveraged gap: %.4f" % avg_gap.magnitude)
      print("Magnetic susceptibility: %.4f" % S)
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

该代码旨在模拟超导带隙纳米孔的能隙测量过程。其中,变量n代表量子数,l表示跃迁数,d代表阶跃。代码中还定义了一系列常数及其对应的量化单位,包括piemhhbarcmu_Bgamma。随后,我们计算了整个能隙系统的有效跃迁数beta,其计算公式基于基本粒子数n、跃迁数l以及粒子间的最小距离d。最后,我们通过调用eigenvalue()函数,计算了带隙系统中不同d值对应的最小体积跃迁数(即HOMO)的能量值。

我们还通过gap()函数计算了各体系间的偏离程度,该函数采用半经典方法近似计算了两电子体系跃迁数及其差值。这样一来,我们便能够确定某一体系的HOMO-LUMO能级范围以及不同d值对应的能级差,从而通过这些能级差和相邻能级间的差异,计算出平均交叉层带隙以及带隙的局域磁感应强度。

在代码尾部,计算所有能级与其相邻跃迁数之间的跃迁数差,同时输出平均交叉层能隙,并求取局域磁感应强度的平均值。

4.3 量子纠错

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      import qiskit
    
      # create a QuantumCircuit object with one bit register and one ClassicalRegister object
      qr = qiskit.QuantumRegister(1)
      cr = qiskit.ClassicalRegister(1)
      circuit = qiskit.QuantumCircuit(qr, cr)
    
      # apply a single-bit error to the first qubit using an X-gate 
      prob = 0.1           # probability of applying error
      if random.random() < prob:
     circuit.x(qr[0])
    
      # measure the second qubit
      circuit.barrier()
      circuit.measure(qr[0],cr[0])
    
      simulator = qiskit.Aer.get_backend('qasm_simulator')
      result = qiskit.execute(circuit, backend=simulator, shots=1000).result().get_counts()
    
      corrected_results = {'0': '0', '1':'1'} # empty dictionary to store the results after correction
      for key in list(result):              # iterate through keys (outcomes) in dictionary
    if result[key]!= '':               # check that there are non-zero counts for this outcome
      bitstring = str(bin(int(key))[2:].zfill(1)[::-1])[::-1]  # reverse bits order and remove leading zeros
      if random.random() < prob and len(list(filter(lambda x : x!='', bitstring))) == 1:
        index = int(list(filter(lambda x : x!='', bitstring))[0])         # find the position of the incorrect bit
        new_key = bin((index^1)<<1 | int(key, 2))[2:]                        # flip the value of the correct bit and insert it into the string
        corrected_results[new_key] = corrected_results.get(new_key,'') + str(index) # update the dictionary with the corrected key and indices
      else:                                                                   # no errors detected, just add current key and value to dictionary
        corrected_results[key] = corrected_results.get(key,'') + ''
    
      final_counts = {}                            # use a dictionary comprehension to merge dictionaries together
      for key in set(corrected_results) & set(result): # only include common keys
    final_counts[key+' '+corrected_results[key]] = result[key]
      for key in set(corrected_results) - set(result):  # add missing keys from corrected_results dict
    final_counts[key+''] = corrected_results[key][:-1]+' '+corrected_results[key][-1]
    
      print(final_counts)
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

该程序通过随机注入错误来模拟故障场景。该编码器通过在编码器中施加X-门操作来模拟故障。解码器在检测到错误后,根据纠错键位(key bit)的值以及随机数来决定是否修复错误。当错误发生且纠错键位的值为1时,对目标比特位进行翻转操作,并将修复后的结果记录在字典中。否则,错误的比特位保持不变,并将原始结果记录在字典中。最后,两个字典的内容合并后展示了解码后的最终结果。

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