美利坚同盟国中国科学技术大学学院士马尔勒a

作者:科技中心

10月17日下午,美国科学院院士、著名量子光学专家MarlanScully一行访问中国科学技术大学。中国科大常务副校长、中科院院士潘建伟会见了来宾,相关部门负责人及教授代表参加了座谈。

日前,中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等组成的研究小组,在国际上首次发展了量子光学实验方法动态调控“人造原子”的单光子发射,在两能级原子体系中通过多激光缀饰态和量子干涉机理消除自发辐射谱线,证实了多光子ac斯塔克效应和自发辐射相干理论,为固态体系高性能单光子源和量子计算的研究开辟了新途径。研究成果发表在3月6日出版的《物理评论快报》上,并被选为“编辑推荐”(Editor’ssuggestion)论文重点推介。该工作受到审稿人高度评价:“尽管这个量子光学现象在20年前已经预言,且具有了很大的影响力,但从未被观测到过”、“这是一个十分漂亮的实验工作,揭示的物理现象十分清晰”。

这个问题要从力学的发展历程开始来谈起。在力学中,牛顿定律在涉及的范围不是很大的时候运作地很好,像用它计算物体从高楼掉落撞击到地面的速度,甚至还能用它将人类送上月球。不过,当距离和速度非常大,或涉及的物体质量庞大时,牛顿定律就变得不精确。但是从牛顿讲起是好的开始,因为比起爱因斯坦的理论,牛顿定律更容易描述重力。

座谈会上,潘建伟介绍了中国科大人才培养、科研亮点以及国际合作等情况。会后,潘建伟向MarlanScully颁发了“中国科大爱因斯坦讲席教授”证书。

1996年,国际量子光学专家MarlanScully和朱诗尧在理论上预言了利用量子干涉进行谱线消除和自发辐射的动态抑制。此后,国际上虽然诸多研究小组进行了多种尝试,然而,一直缺乏可靠的技术和明确的实验数据证明这一理论。

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会谈结束后,MarlanScully做客中国科大“大师论坛”,作了题为PhotonConcept:FromPlancktoBose,EinsteintoYangandMo-ZitoPan的主题报告,报告会由校党委副书记蒋一主持。

为了解决这个悬而未决的难题,中国科大研究人员选取了自组装量子点作为研究体系。自组装量子点是通过半导体分子束外延技术生长的“人造原子”,被公认为是实现固态体系高品质单光子源和可扩展量子计算的可行方向。对量子点的高精度的相干操纵是进行高复杂性量子光学研究的关键,同时也是实现可实用化量子技术的必需途径。为此,潘建伟小组发展了新颖的量子点共振激发、多激光缀饰态、高效荧光提取和单光子滤波技术。在此基础上,在国际上首次证实通过激光操纵量子点的自发辐射路径之间的量子干涉来控制自发辐射,实现对单光子光谱的动态调制,并系统证明了多光子ac斯塔克效应。该实验不仅解决了一个重要的量子光学基础问题,同时也展示了量子点体系的鲁棒性和多参数可调节性,为未来的固态量子信息技术奠定了基础。

牛顿方程式虽然简洁明了,但却有个大问题。回到牛顿定律,假设将地球及太阳快速分离,如此一来会让两者间的重力减弱,但是根据牛顿方程式,两个天体分开的那一刻重力就会立即减弱。但这不可能是对的,所以爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论,谈到宇宙没有任何东西能超越光速,即便是两个物体分离时,重力变弱产生的“信号”也理当如是。这也说明古典力学中的力在近代物理必须被置换,我们需要以新的概念来思考传递两物体间的力。这就得说到法拉第在理论物理的重大贡献。他领悟到有种现今我们称作“场”的东西遍及整个宇宙,涉及力的传递,包括我们都已经很熟悉的电场和磁场。

Scully介绍了人类对光和光子概念由浅入深、由单一到多方面的认识,还特意提到了中国科学家在此过程中做出的贡献。他指出,人类对光的观察和思考可以追溯到公元前5世纪的墨子和柏拉图时代。从那时起一直到20世纪以前,我们对光的认识还停留在经典的概念,其中光的粒子说和波动说曾经各自主导过一段时期。麦克斯韦统一了电磁场理论,那时人们认为光是一种电磁波。进入20世纪之后,普朗克对黑体辐射问题的量子化解决了紫外灾难,爱因斯坦在此基础上提出了光子的概念。自此以后,量子理论获得了极大的发展,科学家们对光的认识也更加深刻。

在中科院、科技部、教育部和基金委的支持下,近年来,潘建伟、陆朝阳研究团队对基于半导体量子点的量子信息技术开展了原创性的研究,取得了一系列国际领先的成果:首次实现基于量子点脉冲共振荧光的确定性高品质单光子源[NatureNanotechnology8,213-217],这是我国在半导体量子点光学量子操纵领域发表在《自然》系列期刊上第一篇论文;制备全光学可调谐的量子点拉曼单光子源,实现独立量子点之间的高对比度双光子干涉,为可扩展光学量子计算和基于自旋的固态量子网络的实现奠定了基础[Phys.Rev.Lett.111,237403];利用绝热快速通道实现与激光激发功率涨落无关的鲁棒性单光子源,精度首次达到容错量子计算的苛刻界限[NanoLett.14,6515−6519];系统研究了温度对量子点激子态相干性质的影响,发现了声子引起的拉比频率重整化[Phys.Rev.Lett.113,097401]。以上研究成果已被国际同行公开发表在ReviewsofModernPhysics,NaturePhotonics,NaturePhysics,Phys.Rev.Lett.等的论文上高度评价,被欧洲物理学会新闻网站PhysicsWorld、Nanotechweb、NatureChina等科学媒体广泛报道。由于在该领域的国际影响力,陆朝阳、潘建伟受邀为《自然光子学》撰写新闻视角评论文章[NaturePhotonics8,174-176]。

一个带电粒子产生一个能被其它带电粒子感觉到"的电场。粒子因应其它电场而移动,就是我们所称的“力”。当一个粒子快速与另一个粒子分离,使得第一个粒子的电场产生涟波,涟波以光速在空间中行进,最后影响了另一个粒子。事实上,移动的粒子也会产生磁场,释放电磁波,最终结果是波动场的复杂互动,但关键在于力的确是一个粒子,会受到其它粒子电场散发的涟波影响。能完成对电磁场的描述,主要还是要归功于麦克斯韦,他不仅了解到电力和磁力是电碰学统一的力中的两个面向,还用四道方程取代库伦的单一静电定律,来描述电场及磁场如何回应移动的带电粒子。麦克斯韦的四道方程是物理学中最令人赞叹的几道方程,因为它刻画了电力及磁力的所有知识。

随后,Scully分三条脉络依次娓娓道来。其一,爱因斯坦和玻色等人从光子的统计特性出发,发现光子是服从被后来称为玻色-爱因斯坦统计的,并预言了玻色-爱因斯坦凝聚的现象。70多年后,科学家们在超冷原子体系从实验上观测到凝聚现象,并因此获得诺贝尔奖。其二,从场论的视角出发,费曼、施温格、朝永振一郎等人发展了量子电动力学,解释了原子能级的兰姆移位是由于真空涨落造成的。真空并不是真的空,涨落造成的电磁场会产生可观测的效应。其三,薛定谔用波动力学的方式理解电磁场。物理学要求可观测量在规范变换下应保持不变,杨振宁和米尔斯进一步认为局域的相位在规范变换下也需保持不变,提出了杨-米尔斯规范场论。千百年来,一代代科学家的探索使人们对光的本质认识越来越深刻,这为量子调控和量子信息的发展打下了基础。

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那重力呢?如同电磁学中,需要由场产生两个天体间观测到的重力,爱因斯坦的伟大洞见在于,这个场是由我们已知的东西一时间和空间形成。想象空间中有个很重的天体,比如太阳,爱因斯坦了解空间不只是被动的旁观者,而能借由弯曲对重物做出反应。另一个天体,好比地球,移动至较重天体所产个天体,好比地球,移动至较重天体所产生的凹陷中,受凹陷影响而转向,不会继续沿直线前进,而是开始绕着较重的天体旋转。或者,如果速度够慢,还会撞上去。

讲座之前,Scully还参观了校史馆、量子物理与量子信息实验室、中科院微观磁共振重点实验室。

广义相对论以一个乍看之下很简单的方程表示:

10月19日上午,应量子信息与量子科技前沿协同创新中心“墨子讲坛”的邀请,Scully在中国科大上海研究院作了题为VIRTUALPHOTONS:FromDicke'sSuper-andSub-radianceandLamb'sShifttoZhu'sTheoryandPan'sExperiment的报告。

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MarlanO.Scully是标准教科书“LaserPhysics”和“QuantumOptics”的著作人,现任普林斯顿大学与德州农机大学的教授。他在激光科学和量子光学方面做出了许多开创性的贡献,包括:激光的Scully-Lamb量子理论、自由电子激光、激光陀螺,相干自发辐射噪声淬火,演示无反转激光以及利用相干效应在热原子气体中产生超慢光。他在量子相干性和关联效应方面的工作揭示了量子力学的基础,对量子热力学提出了很多新见解。他的杰出工作获得了众多奖项,其中包括弗雷德里克·艾夫斯奖章/奎因奖,这是光学领域最具威望的奖项。

基本上这个方程告诉我们,给定的质量和能量如何让时空弯曲,方程的左边

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描述时空的弯曲,其作用就是我们观察到的重力,相当于牛顿方程左边的F。方程式右手边的Tuv,描述所有质量、能量、动量和压力分布在宇宙的方式,类似牛顿方程里面m1,m2,但来得太复杂。如果“引力场就是以太”,这样两个理论就可以统一了,当初就是爱伊斯坦把牛顿的“绝对处所”误解成“绝对空间”,才会发展出“惯性系”的概念。

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至于“弦理论”的出现,正是在解决相对于量子力学之间的矛盾。牛顿力学解決不了黑体辐射和光速不变这两朵乌云,从而催生了量子力學和相对论。不过,对爱因斯坦而言,虽然他从未满意量子力学所具有的怪异和随机性,但却认为任何可接受的"统一场论”,都应该导入量子力学。弦理论认为量子力学和相对论都不是终极理论,因为物质的本质并不是实在的,微观粒子只是非物质状态的一种弦的振动。弦的不同形式振动会产生各种最基本的物质粒子。这样以来,大自然中的四种基本相互作用就可以被统一起来了。

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量子光学与力学的关联一开始在于麦克斯韦对电磁场的描述。众所周知,光的量子学说最初由爱因斯坦于1905年在研究光电效应现象时提出来的,他认为光子不仅仅具有能量,而且与普通实物粒子一样具有质量与动量。1923年,康普顿利用光子和自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验。

量子光学是用量子的观点看待光,及光和物质的相互作用,是结合了Hamiltonian与Schrodinger方程式,用来描述微观粒子间的相互作用,物理量以算符和波函数表达,指出光场是量子化的电磁场。当光与物质相互作用时,按理论划分为:

1).经典理论:光和物质均为经典

2.半经典理论:光是经典、介质是量子

3.半量子理论:光是量子、介质是经典

4).全量子理论:光和物质均是量子。

其中,半经典理论把物质看成是遵守量子力学规律的粒子集合体,而激光光场则遵守经典的麦克斯韦电磁方程组。此理论能较好地解决有关激光与物质相互作用的许多问题但不能解释与辐射场量子化有关的现象,例如激光的相干统计性和物质的自发辐射行为等。在全量子理论中,把激光场看成是量子化了的光子群,这种理论体系能对辐射场的量子涨落现象,以及涉及激光与物质相互作用的各种现象给予严格而全面的描述。

可以看出,即使量子光学发展了四种理论,也是从不同面向来解释电磁场的问题。相对之下,力学这部分的理论要探讨的地方就多了,从原先牛顿要探讨的万有引力,到爱因斯去补强高速时的引力关系,发展到弦理论已经扩大到想解释四大作用力的问题,而场理论也已经解决了电磁力、强力及弱力的统一。所以两者表面看起来是一样的,但弦理论最后终究不止在补强万有引力的解释,最后还是在统一量子力学及量子光学的道路上迈进中。

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