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[转载]首次实现1.5亿公里天文尺度量子干涉
quantumchina 2020-7-3 09:57
中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等和浙江大学王大伟、美国普林斯顿大学Marlan Scully、德国维尔兹堡大学Sven Hofling、美国路易斯安那州立大学Jonathan Dowling、上海纽约大学Tim Byrnes合作,在国际上首次实验观察到量子点单光子和太阳光之间的双光子干涉、量子纠缠以及非定域性。该研究工作把独立光子之间的量子干涉实验扩展到相距1.5亿公里的两个独立光源,首次在天文学尺度上检验了量子统计原理的普适性,并给出了热光场量子化的直接实验证据。这一研究成果近日以“编辑推荐”的形式发表于国际权威学术期刊《物理评论快报》。 独立光子之间的量子干涉是很多量子信息技术的基础。这个现象无法用经典的电磁波理论解释,而必须把光场量子化处理。1997年以来,潘建伟和同事们通过对单光子空间、频率和时间等量子态的相干操纵和精确滤波,在国际上引领了多光子纠缠和干涉独立的发展,并系统性地把它应用于量子隐形传态、远距离量子通信、现实条件下安全的量子密钥分发、光学量子计算等。目前,国际上报道的研究工作已实现了多种光源间的量子干涉,包括参量下转换、离子阱、冷原子系综、量子点等。实现独立性越来越高、距离越来越远的光源间的量子干涉,可以为量子力学基础检验和长距离量子通信等应用提供新的平台。 中国科大研究团队首次提出用太阳这一天然的远距离热光源进行量子光学实验。为了清晰地观察到高对比度的量子干涉,实验的主要挑战在于发展高性能单光子源和多自由度量子擦除技术。潘建伟、陆朝阳等通过脉冲共振激发微腔耦合的单量子点,制备了国际上单偏振、高效率、高纯度和高全同的综合性能最优的单光子源。在此基础上,团队发展了超窄带滤波、超快时间甄别、探测门控、单模空间滤波等一整套量子擦除技术,实验观测到了超过50%的经典极限的高达80%的干涉对比度,清晰地证实了热光的量子化性质,在天文单位的尺度上检验了量子玻色统计原理的普适性。进一步,研究团队制备了太阳光光子和量子点单光子之间的保真度达0.826的纠缠态,并利用这一无共同历史来源的纠缠光子对进行了贝尔不等式检验,实验得到了大于3倍标准偏差的违背,再一次验证了量子力学的非定域性。 国际评审专家评价了这一工作是“一个极具吸引力的实验”(a fascinating experiment),“一个里程碑式的实验,第一次探索了来自星光的量子现象”(a milestone experiment and explores for the first time quantum effects using light from stars)。“一个非凡的成就,可能对未来的研究产生巨大的影响……打开了探索全新现象的道路。”(a remarkable achievement. It could have a big impact on future researchandthus will open the way to probe entirely new effects)。英国物理学会Physics World网站、美国物理学会的Physics杂志、美国光学学会的Optics Photonics News杂志、Phys.Org等国际权威学术和科普媒体该工作进行了专题亮点报道。 来源: https://www.sohu.com/a/338853550_100125973
个人分类: 量子理论|1266 次阅读|0 个评论
变值双路干涉在线仿真系统
热度 1 conjugate 2012-7-21 09:47
在2012年7月17号出版的黑客攻击专业杂志 - Hakin9 Extra- 《量子计算》 专刊 36-57 中全文刊登了 “ 变值双路干涉系统 - 利用模拟实验系统揭示量子干涉和波粒二重性的秘密 ”的研究文章。 该文描述了变值双路干涉展示系统的体系结构和基本的要求,同时提供了一个针对单个0-1函数和基本参数的在线系统: http://vdps.sinaapp.com/single/ 该演示系统能够提供总共7680种不同组合的参数配置,以方便对量子干涉之谜感兴趣的探索者,在辅助系统的支持下进行细致深入地探究。 免费下载 文章首页网址: Variant Double-Path Simulation – Resolving Mysteries and Wave-Particle Paradoxes in Quantum Interactions Abstract – It is a top intelligent challenge to explain quantum behaviors consistently using experimental evidences. Wave-particle paradoxes forced this type of formal discussions and historical Bohr-Einstein debates without a common solution from 1900s and still an open question in modern quantum foundation. Using advanced variant logic and measurement construction, it is feasible to identify complex quantum interactions under multiple/conditional probability into a series of symmetry/anti-symmetry and synchronous/asynchronous conditions. In addition to theoretical analysis and explorations, an online prototype http://vdps.sinaapp.com/single/ focus on simulation of single function has established to illustrate controllable combinations among possible parameters to generate interactive results with a total of 7680 configurations. Main principles and architectures of the simulation prototype discussed and key and modules are illustrated. Sample interactive results from two polarized/separated paths and either double path for particles or double path for waves are organized into four groups of results for both single functions and global matrix representations .
个人分类: 量子干涉|5719 次阅读|1 个评论
基于四元组结构的变值测量 J. Modern Optics 59 (5):484-492
热度 1 conjugate 2012-2-10 15:53
基于四元组结构的变值测量 “ 波粒二重性 ”是量子力学体系建立百年来一直未能解决的基础悖论。从德布罗意提出波粒二象性,海森堡确立不确定性原理和波尔建立 互补原理 以来,该论题一直是现代量子测量理论基础的核心问题,也是波尔 - 爱因斯坦为其争论一生而没有定论的著名未解难题。 基于变值测量的研究探索路线,利用经过 20 多年积累的“ 共轭分类和变换 ”和新近扩展形成的“ 变值逻辑 ”作为测量基础。分别通过形成 对称 / 反对称 、 同步 / 异步 等系列化系统控制模式,基于 多元概率 和 条件概率 ,在 单路、双路粒子 / 波动 统计条件下形成系列化的变值概率统计分布图式。该类新型的可视化概率统计模式已经确认与 2001-2008 年伊朗 - 美国科学家 Afshar 针对 波尔互补原理不能够成立 的关键系列实验结果一致。 相关结果在 国际前沿量子光学研究杂志 Journal of Modern Optics Volume 59 , Issue 5 , 484-492 2012 在 Research Articles 栏目中正式发表。 详细内容参考: J. Zheng and C. Zheng, "Variant Simulation System using Quaternion Structures", Journal of Modern Optics, Taylor Francis Group (2012), Volume 59 , Issue 5 , 484-492 , doi : 10.1080/09500340.2011.636152 . http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1080/09500340.2011.636152 波粒二重性: Wave–particle duality 互补原理: Complementarity 共轭分类和变换: 共轭图 , 按 图像 内容检索 变值逻辑: 基于元胞自动机的变值逻辑体系 , 3DMap 多元概率统计模型: 变值测量结构及其可视化统计分布 ; 在模拟双路实验中显现的量子干涉同步特性 条件概率统计模型: 在变值测量模拟中的条件概率统计分布 Afshar 实验: 波尔互补原理不成立 之 现代精密测量实验系列证据 http://en.wikipedia.org/wiki/Afshar_experiment 本论文 已被引用 为 维基百科-Afshar实验 第一篇参考文献
个人分类: 量子干涉|4925 次阅读|1 个评论
探寻不同量子干涉现象中的共性规律
热度 1 yunping 2009-4-18 19:48
苹果下落和天体运行在常人看来是完全无关的两件事情,但几百年前的牛顿偏偏从这两件不搭界的现象中找出了它们共有的规律。我在上篇博文中提到的德波罗意和爱因斯坦也是因为认识到光子和其他普通粒子中所具有的本质共性,分别预言了普通粒子的波动性和玻色爱因斯坦凝聚。他们二位在没有现成的关于普通粒子直接观测现象的情况下,能够作出如此富于想象力的推断,真的太了不起了。当然前面的牛顿更了不起,因为当时不管是苹果下落还是天体运行都不知道怎么回事,牛顿完全是从无到有给出了统一的解释。而从已经熟知的现象中总结共性规律,则要简单容易得多。我们可以先列出同一类中所有现象已知的性质,找出它们共同存在的性质,那么这些共性大概就是这类现象中本质的特征性质了。 现在已经有很多形形色色的量子干涉现象(文中图片摘自网络),如: ( 1)光子的杨氏干涉; ( 2)光子的Mach-Zehnder干涉; ( 3)真空中自由电子的AB效应; ( 4)介观环中电子的AB效应; ( 5)电子的静电AB效应; ( 6)有磁矩粒子的AC效应; ( 7)超导量子干涉; ( 8)动量纠缠的EPR双光子干涉; ( 9)不纠缠的Hong-Ou-Mandel双光子干涉(参见我的拙文《 奇妙的量子效应之一:孪生子结伴而行 》; ( 10)不同效应之间的量子干涉,如:单光子吸收和三光子吸收之间的干涉; ( 11)各种真实自旋和假想自旋在自旋取向( , )的二维空间中运动所导致的Berry相移引起的干涉。 量子干涉现象实在太多,这样列举也肯定是挂一漏万,但受我自己的知识所限,也只能如此了。 在杨氏干涉中,我们知道要有双缝,要有屏幕,光子要来自同一光源,光子走不同路径的光程差要小于光子的相干长度。在满足这些要求的前提下,我们可以在屏幕上观察到明暗相间的干涉花样(或称干涉条纹)。杨氏干涉是这样,那么其他干涉是不是也这样呢? 在我贴出拙文《 奇妙的量子效应之一:孪生子结伴而行 》后,沈阳金属所的张志东研究员就敏锐地感觉到,这种非常奇妙的双光子干涉是不是也应该有它的干涉花样。他在第十个跟贴中问了一句 这种干涉有花样吗? 。这确实是一个优秀科学家应该考虑的问题。他的问题很有启发性,也促使我进一步思考。经过仔细思考后,我对这个问题作了如下答复: 正象志东考虑的那样,不同体系中的干涉现象一定是存在共性的。水波干涉有花样,杨氏双缝也有干涉条纹。那这个干涉现象里对应的是什么呢。我的理解是这样的:杨氏干涉是连续的图案,而这个干涉是分立的图案。杨氏干涉在屏幕上显示随一维坐标 x连续变化的空间强弱调制,而这个干涉也是有强弱调制的,只不过它相应的x坐标只是c态、d态、ab态等三个点而已。 另外杨氏干涉中,可以通过改变两个狭缝出口处子波的相对相位,可以使得屏幕上的干涉条纹明变暗,暗变明。在这个双光子干涉中也可以找到其对应的东西,只是这完全是思想实验了。我们知道玻色子有交换对称性,就是波色子之间两两交换,总的波函数不变,即交换后没有相位变化;费米子交换后,总的波函数变负,即交换后相位变 ;任意子(有的话)交换后,总的波函数改变 0-2 之间的一个相位。如果我们用一个可以随意改变交换相位的任意子做这样的实验,我们将看到通过连续改变交换相位,可以连续地改变干涉条纹的明暗。 对于所有量子干涉现象,实际上我们都应该问: 干涉条纹是什么?双缝是什么?什么是明条纹?什么是暗条纹?什么是屏幕上的位置?什么是相干长度? 我觉得是挺有意思的问题,大家不妨思考一下。 研究量子干涉,最理想的对象就是光子,因为光子之间在真空中是没有相互作用的,实验比较简单,解释也比较容易。用电子做研究对象,情况就复杂得多,电子之间总是存在着电磁相互作用。这些粒子之间的相互作用都是破坏粒子的相干性能的,就是说不利于干涉图样的形成。但是,幸运的是,从所有已有的干涉实验中我们可以发现,如果仅仅只有粒子之间的相互作用的影响,干涉图样的干涉周期,明暗交替规律都是不改变的,它只使得干涉条纹的调制程度降低,即明暗对比度下降。所以 只要观察到显著的干涉条纹,就可以认为相互作用不重要或可重整化 。 介观环中电子的 AB效应就是一个很好的实例,电子在环中运动,肯定是受到其他电子的作用,并且受到各种散射,但是只有温度足够低(相干长度超过环的尺寸)就可以观察到AB效应,并且其在磁场中的干涉周期就是正好为h/e,相强相销位置也跟没相互作用情况下的单电子AB效应完全一样(在误差范围内)。这一点清楚的说明,只要我们观察到干涉,就不用过多计较相互作用的大小。 超导问题是多体问题,但光说它是多体问题解决不了问题,关键是要如何简化,如何给出清晰的物理图象。超导量子干涉实验发现,干涉图样跟没有相互作用的电荷为 2e的粒子所形成的干涉条纹一模一样,说明在超导干涉实验中,我们完全可以把Cooper对当称单粒子来处理而没有问题。实际上,现在流行的理论在一定程度上也是把Cooper对当称单粒子来处理的。只是他们处理得有问题而已。 综上所述,无论参与干涉的是单电子、 Cooper对,还是更多电子组成的粒子团,有一点是肯定的, 通过测量干涉图样的相强相销位置,只能得到这些参与干涉的个体和环境相互作用的信息,不能得到它们个体内部相互作用或者它们之间相互作用的信息。个体之间的相互作用唯一的贡献就是破坏干涉,使得干涉条纹不清晰,它无法改变干涉条纹的明暗位置和间距 。 个体内部的相互作用对干涉来说完全是个黑箱,它不仅不能改变干涉条纹的明暗位置,而且也不改变干涉条纹的对比度。 这就象经典力学中一个复杂系统,无论其内部如何相互作用、相互运动,只要它不跟外界作用,那么它的质心的运动状态是不会改变的。无论一个人有多大力气,他是不可能把自己提起来的。 另外,超导量子干涉和介观环中电子的 AB效应都是由环中的磁通引起。两者的主要差别就在于前者是电荷为2e的粒子的干涉,后者是就是电荷为e的粒子的干涉。这两者本质上都可以看成是带电粒子的AB效应。理解介观环中电子的AB效应肯定对理解超导量子干涉有好处。 科学研究就是要透过现象看本质,需要我们抓着具有简单、共性规律的主要矛盾,而把琐碎、具体的问题先放在一边。毛主席有过纲举目张的语录,其实是有一定道理的。 附:我们论证高温超导波函数理论存在逻辑悖论和违背量子力学基本原理的文章 http://cn.arxiv.org/abs/cond-mat/0210285
个人分类: 量子物理|31454 次阅读|67 个评论
关于量子干涉的部分精彩讨论
热度 2 yunping 2009-1-7 17:03
上篇博文 中,我们提出了三个有关干涉的量子力学原理,结果引来了很多朋友过来讨论,而且有些朋友提了一些非常好的问题。在此我非常感谢所有来访朋友的支持。这些讨论有可能对其他网友也有参考价值,我选取部分,贴在下面: abc: 我不知道哪位量子光学专家真正解释了光子与自己发生干涉?或者说光子是如何与自己发生干涉?举最简单的单光子双缝干涉吧,一个光子是通过一条缝,还是同时通过两条缝?狭缝在实验中到底扮演着什么样的角色?它真的能使光子一分为二?很多人喜欢拿EPR佯谬旁证所谓的超距相互作用,这点很值得推敲。实验中是两个光子吗?显然不是!即使是所谓的两个光子,由于大量的光学器件和传输介质的引入,这两个光子根本就不是所谓的没有相互作用的纯光子。 博主回复: 很高兴跟你讨论!量子光学专家不是要解释光子如何与自己发生干涉,而是认为单光子干涉是光子与自己发生干涉的证据。物理上不是任何实验现象都可以得到很好解释,但不排除人们把这些实验现象作为判断理论正确与否的依据。到目前为止,我们仍然不知道吴健雄的实验中究竟什么机理导致左右分布不对称,说它是宇称不守恒,实际上仅仅是就事论事地表述事实而已。同样道理说单光子干涉的结论是自己和自己干涉,也是在就事论事地表述事实而已。你可以有不同的表述,如果表述更好,完全可以采用你的表述,但我们没有看到之前,请允许我们使用现有表述。 干涉过程中光子到底怎么回事,到目前为止,是没有搞清楚的事情。至于一分为二的说法,我认为是比较机械的想法。量子力学要是这样理解,就全无味道了。 最先Aspect做出第一个EPR实验后,也有人提出和你一样的疑问会不会通过各种测量引起的相互作用实现关联呢?。后来有人做了更严格的实验,保证两个光子之间不可能通过小于光速的相互作用传递实现关联。事实上宇称不守恒的实验,也会有实验设备会不会破坏空间反演对称性的问题,实验只能保证一个小环境相对对称,考虑到整个实验室肯定无法对称,即使实验室对称,做实验的人还不对称呢,人对称了,地球,太阳系一样不对称。另外,至少到现在,科学上没有提供两光子之间传统相互作用会引起这种关联的途径。 我觉得,如果追求哲学意义上的严密性,肯定会导致不可知论。 entangle: (1)目前不知道有没有真正用单光子源验证单光子干涉理论的,但是通过通过无限衰减光强是永远不能获得单光子态的,进而也没法证明光子只跟光子本身干涉。关于这方面的论文可以参看Alain Apect的论文Europhys.Lett,1 173(1986)。 (2)第一个双光子试验并不是他们完成的,在此之前的1988年,类似的试验就已发表在PRL上了,参看Phys. Rev. Lett., Vol. 61, 2921 (1988). 正好在做这方面的东西,所以对这方面很感兴趣,也读了一些东西,所以就写写了自己了解的。 博主回复: (1)严格来说,你说得对,不可能通过无限衰减光强获得严格的单光子态。即使光减弱到每个光脉冲中,有千分之一的几率存在一个光子,那么存在两个光子的几率仍然有百万分之一,所以双光子的几率永远不为零。但是如果真的是光子之间的相互干涉导致的干涉条纹,那么再减弱若干倍,干涉程度应该会明显改变,一定会在干涉结果中反应出来,但实验上并没有看到这种效应。另外,请参见对abc的回复。 (2)那有那么晚啊,最早的双光子实验是1981年Aspect等人做的【PRL47,460(1981)】。 草民书生: 我看博文的讨论中光子的自干涉最多!如果你把这个理解了量子力学基本过关(思想上,但是具体掌握得花费功夫的!)实验的测量是应该是某一量子态上的平均值问题!如果你预先知道光子将通过杨氏双缝中的某一孔,那不与子弹打双缝同样吗!所以在某一缝附近的测量必将破坏粒子波动性的干涉机制!这都与波函数(描述量子态的态函数)的e的指数形式的复数域的相因子作怪之故!若不相信或者反对光子的自干涉机制,那么我们现有的量子理论得全盘改写了!!!量子力学不好学,因我们人类生活在经典思维空间及经典世界之故!若是,我们像齐天大圣孙悟空似的能变成电子那么大小并与电子质量差不多再带有逻辑思维能力,那么我们理解量子力学非常容易接受,反过来经典物理就不容易接受的!这都因我们所处的环境(人与外界构成的系统)格格不入之故!!! 博主回复: 谢谢你很形象的解释 tdcao: 超导源于电子配对可能没有问题,但到底如何配对\配对后与玻色子的差别还值得思考,但从量子力学单体论去思考是不够的. 博主回复: 你提了一个很好的问题,你的问题与我碰到的国际超导牛人的问题差不多。看看双光子干涉和单光子干涉遵循一样的量子力学原理,就不会有此一问了。可惜搞超导的都没有真正了解量子光学中双光子干涉的。 量子力学没说复合粒子和单体粒子可以遵循不同的原理,谁要说这两者在干涉上有本质差别,那么谁就有义务拿出证据来。而有关的超导理论是没有经过严格推导的,基本上是猜出来的,更不可能证明复合粒子和单体粒子可以遵循不同的原理。 法律上有个原则,就是谁主张谁举证的原则。同样也适用科学领域。 另外,我们如此确信这些理论错,还不仅仅因为它们违背量子力学原理,更重要的是它们的理论是自相矛盾的,这在我们论文的第一页上就明确证明了的。 tdcao: 呵呵,电子配对并非两电子粘在一起、不能真的作为一个粒子看,因此超导必然是一种集体行为。 博主回复: 问题是量子力学没有规定粘在一起才是一个粒子,双光子干涉实验表明,两个远隔十万八千里的粒子组成的复合粒子的干涉行为跟所谓的单体粒子一样。 tdcao: 这就是说,双光子干涉就类似于电子配对,不知我这个猜测对否。 博主回复: 你想的很对,双光子干涉类似于电子配对而成的Cooper对的Josephson干涉。它们之间自然而然是存在共性的。巴丁尽管是BCS理论的创立者,但他没有真正理解Cooper对是什么东西,所以当Josephson的文章让他评审时他把它看成了垃圾,而事实上Josephson效应产生了超导最大的应用。 双粒子干涉还不是最复杂的干涉现象,事实上量子干涉可以发生在不同量子过程中间,也就是说两个不同路径上发生不同的量子效应,只要原则上无法知道究竟发生哪个效应的话,依然可以看到干涉效应。还有的干涉效应中,粒子可以在路上变成两个粒子,然后到干涉点或之前再变回来。
个人分类: 量子物理|13117 次阅读|24 个评论
关于量子干涉的几个量子力学基本原理
热度 1 yunping 2009-1-5 09:01
(1)量子干涉可以是粒子跟自己干涉,跟粒子之间的相互作用无关。 关于这一条有一个著名的单光子干涉实验,在光子的双缝干涉实验中,把光子通量调到很低,使得光子在其相干时间内,最多只可能有一个光子通过双缝。这种情况下虽然单个光子只可能在屏幕上显示一个点,但不同时刻(在时间上不相干)通过双缝的很多光子却可以在屏幕上形成双缝干涉图象。 (2)量子干涉必须在存在路径不确定性的情况下才有可能发生,当关于路径确定的信息原则上有可能被人获知时,干涉就会消失。 著名的惠勒延迟选择实验( Wheeler's delayed choice experiment )就是关于这一条的事例。 更精彩的实验是1991年在美国留学的两个中国学生在他们导师的带领下,完成的一个双光子干涉实验【PRL67, 318 (1991)】。实验表明,双光子干涉中也遵循这一原理。该实验后来在《科学美国人》上有详细报道。 (3)从量子干涉实验中,人们可以得到粒子跟环境相互作用的某些信息,但永远不可能得到粒子内部状态方面的信息。 到目前为止没有发现任何一个实验事实违反这一条。 当今国际超导物理界对超导量子干涉的理解违背了上述量子力学基本原理,在这种理解基础上构想出的超导波函数自然也就不可能是合理的(参见我们的论文 http://cn.arxiv.org/abs/cond-mat/0210285 )。 附: 因为和湖南大学刘全慧教授的讨论中受到启发,于2009年4月21日修改过第一条。
个人分类: 量子物理|27411 次阅读|28 个评论

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