期刊信息
曾用名:量子电子学
主办:中国光学学会基础光学专业委员会;中国科学院合肥物质科学家研究院
主管:中国科学院
ISSN:1007-5461
CN:34-1163/TN
语言:中文
周期:双月
影响因子:0.365217
数据库收录:
文摘杂志;北大核心期刊(2000版);北大核心期刊(2004版);北大核心期刊(2008版);北大核心期刊(2011版);北大核心期刊(2014版);北大核心期刊(2017版);化学文摘(网络版);中国科学引文数据库(2011-2012);中国科学引文数据库(2013-2014);中国科学引文数据库(2015-2016);中国科学引文数据库(2017-2018);中国科学引文数据库(2019-2020);日本科学技术振兴机构数据库;中国科技核心期刊;期刊分类:无线电电子学;物理学
期刊热词:
学术活动_第十三届全国光学前沿问题讨论会论文摘要集
量子模拟,洞悉世界︱大家(2)
【作者】网站采编
【关键词】
【摘要】这种量子模拟方式不只在哈密顿量的映射上更加直观,而且该量子物理系统的自然演化天然地实现了哈密顿量的幺正操作,好比飞机模具在风洞的飞行可以
这种量子模拟方式不只在哈密顿量的映射上更加直观,而且该量子物理系统的自然演化天然地实现了哈密顿量的幺正操作,好比飞机模具在风洞的飞行可以自然对应飞机的飞行,而不需要在通用乐高积木组装的轨道中近似模拟飞行。
此外,类比型量子模拟也更加方便测量获得演化后的量子态信息。相比数字型量子模拟,类比型量子模拟可减少对量子计算资源及量子纠错的要求,在多种量子物理体系都有所实现。
以光子体系为例演示类比型量子模拟的三板斧功夫。
光子具有速度快,受噪声或消相干影响小等优点,并且集成波导阵列极大拓展了光学量子模拟的灵活性和可扩展性。
首先,多光子技术可以方便制备量子态的初态。
例如:通过将波长为405nm的光子射入一种晶体,激发生成一对810nm的纠缠光子,光的能量与波长成反比,因此总能量仍得到保持。多光子可带来经典无法模拟的量子相干等特性。
然后,通过三维光波导阵列构建哈密顿量及幺正演化。
哈密顿量可以做到非常大且高维,以量子行走(Quantum Walk)这一专用量子计算重要工具为例,此前在其他量子物理体系中进行实验演示量子行走时,往往只能在一维的格点中进行若干步的原理性演示,而基于三维光子芯片,构建了49×49个节点的大型二维演化空间,实现了首次真正空间二维的量子行走,推进专用量子计算的实用化。
并且通过波导的各种调控可实现对哈密顿矩阵的精准操控,为实现各种特定波方程的量子模拟提供了丰富的可能性,例如:通过随机设置波导空位模拟量子逾渗,通过周期性弯折波导实现光子传输动态局域等等。
三维光子芯片波导阵列的横截面构型反映了哈密顿矩阵的特征,而波导的纵向延伸长度则对应了光子的演化时间,因此光在波导中的演化直接对应实现了哈密顿量的幺正操作,且演化时间长短精确可控。
之后,测量演化后的量子态相关信息则可通过光子成像及探测技术采集光子在波导终端的分布情形获得。
对于激光即相干光演化用普通电荷耦合器(CCD)相机就可以拍到成像,如果要对晶体泵发出的一个个单光子的演化结果进行成像,则要用到增加了图像增强管的增强型电荷耦合器(ICCD)相机。单光子的演化结果像投标枪的靶一样,每次落点都不一样,我们不停地发射单光子并累积一段时间,就会呈现出现律性的光子累积概率分布。
量子模拟洞悉电子微粒与星辰大海
世间万物,极大与极小就如同探险家眼中的珠穆朗玛峰与马里亚纳海沟一样,显得神秘、富有魅力,却又难以企及、充满挑战。
例如,在宇宙学中,虽然目前仍无完整的量子引力理论,但弯曲时空中的量子场论可以用来描述量子效应不能被忽略情况下的引力,如发生在具有强引力效应的黑洞视界附近的粒子加速以及霍金辐射。
霍金辐射指由于真空的涨落,粒子-反粒子对在黑洞的视界附近产生。负能量粒子落入黑洞,而正能量粒子逃逸出黑洞引力。从黑洞外部观察者看来,好比黑洞刚刚释放出一个正能量粒子,并失去了质量。但由于现有技术的限制,我们仍无法近距离观测黑洞各类极端天体以及其附近的量子演化行为。
好在现在多种实验室系统都能开始尝试模拟宇宙学,尤其是变换光学,它通过操纵材料的介电常数和磁导率设计多种具有新颖光学应用的人工系统,模拟广义相对论现象:黑洞、爱因斯坦环、宇宙弦、虫洞及宇宙膨胀和红移等。
实现这些模拟的基本原理都是复杂非均匀介质和任意时空度规背景下麦克斯韦方程的形式具有不变性。
因此我们基于变换光学理论,采用飞秒激光直写技术制备波导耦合系数沿横向逐渐增强的三维波导阵列,对应复杂非均匀介质下的麦克斯韦方程,从而构建人造黑洞视界附近的引力场。观察单光子波包所代表的粒子的量子演化呈指数加速形式,且其指数取决于黑洞的曲率,区别于平坦空间中的粒子的线性运动,这就模拟了粒子在黑洞视界附近的加速现象。
此外,通过设计双层光子波导晶格,还可模拟黑洞视界处费米子对的产生和演化:一个正能量的单光子波包从黑洞引力中逃逸出的负能量的单光子波包被黑洞捕获。这种现象呈现出正能量粒子从黑洞逃逸出的效果,正是对霍金辐射的模拟。
光波导阵列模拟人工黑洞弯折空间的粒子加速运动以及费米子对的霍金辐射
文章来源:《量子电子学报》 网址: http://www.lzdzxbzz.cn/zonghexinwen/2021/1008/1201.html