光子间量子相互作用有了连续“可调器”

bjnr

https://m.gmw.cn/baijia/2021-04/01/34732292.html


香港大学校长张翔院士团队研发了新型的纳米超材料，在量子光学中引入一个新的自由度，从而首次实现了对光子之间量子相互作用的任意操控，为量子科学和技术的发展提供了一个崭新的思路。相关研究成果近日刊发于《自然—光子学》。

单个光子的量子态很容易被调控，但是如何有效控制光子之间的相互作用是量子光学研究的核心之一，也是实现量子技术的最大困难之一。这是因为在物理学中，光子是玻色子，玻色子的量子本性倾向于占据相同的空间和时间，聚集在一起，所以对于原本没有直接相互作用的光子而言，它们之间只能通过量子干涉达到间接的等效相互吸引力。相反，费米子是另一种粒子，比如电子，它们的量子本性倾向于彼此分离，通过量子干涉只能产生等效的相互排斥力。如果能够有效控制光子之间的量子相互作用，实现从相互吸引到相互排斥，从而突破光子的玻色子本性，就可能有效地解决光量子技术应用的一大难题。

之前的量子干涉研究只关注光子的量子本性，而忽略了核心器件的属性。张翔团队创造性地提出了一个新概念，即核心器件的属性和光子的量子本性在某些场合是不可区分的，从而可以等效地相互转化。也就是说，原理上可以通过人工设计量子器件的属性作为新自由度，等效地改变光子的量子本性。

沿着这个思路，张翔团队将纳米超材料的空间旋转自由度设计为光子量子相互作用的新自由度，通过旋转纳米超材料或者改变单光子的偏振，实验上首次实现了连续和动态地控制双光子的量子干涉，从而等效地实现了对光子量子本性和光子之间量子相互作用的任意操控。这使得光子可以表现得有时像玻色子，有时又像费米子，或者介于两者之间的任意状态，从而超越了光子固有的玻色子本性。这种新颖的思路为实现光量子技术提供了新前景。

在应用层面，这种新型纳米超材料对光量子过程的控制功能，超越了现有的光学器件或系统。这种新的控制方式，好比给两个单光子之间的量子相互作用制作了一个连续可调器。只要在量子网络中加入少数这样或类似的可调器，就可以极大增强量子网络的功能。与此同时，纳米超材料设计也将为研发高效的光量子逻辑门以及其他量子器件和系统提供新的解决方案。

山色青又黄

光子有实物为证吗？还是存在于想象之中。~当然这种想象被认为是合理的。

involute

山色青又黄 发表于 2021-04-02 23:34
光子有实物为证吗？还是存在于想象之中。~当然这种想象被认为是合理的。

光子当然有实物，光子是较早被发现的玻色子之一。

不过你不要用几何图景想象量子世界，别把把光子想象成为一个小球。

山色青又黄

involute 发表于 2021-04-02 23:37
光子当然有实物，光子是较早被发现的玻色子之一。

不过你不要用几何图景想象量子世界，别把把光子想 ...

就是说切断光源之后，还能对先前的光子进行观察研究？同时"实物"这个概念，一般也认为是有可见的几何形状。如果是无形状可见，只知道它有某种作用，那就不好说了。

solitons2000

山色青又黄 发表于 2021-04-03 00:14
就是说切断光源之后，还能对先前的光子进行观察研究？同时"实物"这个概念，一般也认为是有可见的几何形状 ...

要怎么样研究？看到光子时，光子就被吸收了。如果不被视网膜吸收，眼睛也看不到。 如果说是一群光子，那么你可以查一下，现在可以抓拍飞秒光在空间中的飞行。

involute

山色青又黄 发表于 2021-04-03 00:14
就是说切断光源之后，还能对先前的光子进行观察研究？同时"实物"这个概念，一般也认为是有可见的几何形状 ...

“就是说切断光源之后，还能对先前的光子进行观察研究”

多新鲜啊，放在宇宙角度，你“观察研究”的光都是别的恒星甚至是上亿年前发出的。

量子领域，特别是玻色子费米子这一级别，很难用“可见”这个概念，因为所谓“可见”，是光到达人类眼睛产生神经信号，用光子去探测基本粒子，就如同用手指头去摸细胞的形状。这是突破光学显微镜的理想状态下的极限分辨率的问题，所以看特别微笑的东西，都是能级更高的电子显微镜甚至是X射线显微镜，理论分辨率最高的伽马射线显微镜，貌似还造不出来。

光子的“可见性问题”比较特殊，因为人眼能感光，并不需要其它手段就能看见光子。至于单光子是不是可见，据科学家的测试，人眼有时能分辨单光子，实验结果是“实验组正确分辨的情况明显高于对照组”。当然我想这个因人而异了。

物质是由基本粒子（费米子玻色子）构成的，物质本身有尺寸、形状等特性，完全是由内部基本粒子是如何排布的决定。基本粒子没有内部结构，也没有“几何形状”这个概念。至于基本粒子到底是啥，这就涉及到目前物理的最尖端领域了，目前比较有希望搞清楚这一问题的是弦论，包括改头换面的超弦理论。

总之量子领域的问题，很多是反经验反直觉的。如果有兴趣可自行了解，如果没有兴趣，那其实不必关心细节，以免堕入民科式的瞎想。

bjnr

involute 发表于 2021-04-03 00:36
“就是说切断光源之后，还能对先前的光子进行观察研究”

多新鲜啊，放在宇宙角度，你“观察研究”的光 ...

其实相关文章和科普书籍很多  真建议大家读一下

关注个公众号也行啊

diyid888

张翔是个厉害人物

involute

bjnr 发表于 2021-04-03 00:45
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理解量子力学的相关概念，特别是接受哥本哈根解释，不是人人能做到的。

泡利本人以坏脾气著称，就发火曾抱怨“我理解不了量子力学，太难了”、“如果要用量子力学去解释，我宁肯没解释”，虽然泡利本人在量子力学领域做出了卓越贡献。

而且量子力学中的反经验反直觉东西比比皆是，很多东西只能用数学描述，根本无法用自然语言描述。德布罗意因为在介绍自己的“量子导波”时都不免用几何图景化描述“波在空间以概率弥散开来”而受到了猛烈的批评，最后不得不收回这种说法回到纯数学描述。

以普通人的科学素养，脱离自然语言和几何图景，是无法理解任何东西的。科学在展现相关内容的时候，往往必须借助几何来描述，比如画个球表示原子核，花个球表示电子。而量子力学的很多内容往往又无法用自然语言和几何图景描述，所以量子力学的相关知识往往“只可意会不可言传”。

bjnr

involute 发表于 2021-04-03 00:59
理解量子力学的相关概念，特别是接受哥本哈根解释，不是人人能做到的。

泡利本人以坏脾气著称，就发火 ...

确实如此

所以给大家一些已有结论和直观解释，就会好多了

就像你上面的解释一下子就会让大家明白很多，这就够了。

但是就连这个，都有人懒得看，上来上来胡说

involute

bjnr 发表于 2021-04-03 00:45
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B站有个UP主，比较宝藏，量子力学相对论包括宇宙的内容，都可以聊上一聊。

虽然我觉得不是所有内容说得都准确，但确实可以看看从而有个感性上的认识。

UP叫“LINVO说宇宙”
https://space.bilibili.com/357515451?seid=2317629915459181753

比如想了解一下量子力学，可以看他“速说量子”栏目。

山色青又黄

involute 发表于 2021-04-03 00:36
“就是说切断光源之后，还能对先前的光子进行观察研究”

多新鲜啊，放在宇宙角度，你“观察研究”的光 ...

多谢科普，有时间了当然可以了解下。~另外不知道官科和民科是按什么标准来划分，网络上似乎没人介绍过这方面的分类标准？

involute

山色青又黄 发表于 2021-04-03 22:06
多谢科普，有时间了当然可以了解下。~另外不知道官科和民科是按什么标准来划分，网络上似乎没人介绍过这 ...

以当前的尖端科学之难，不可能独立于现有科研体系之外做出任何成就。

民科大概就是指科研体系之外的人吧，也被引申为缺乏基本科学知识基础，不能正确使用科学研究手段，觉得仅凭自己小学级别的认知就能得出惊天理论那批人。

本版虽然现在很少有人能提出自己的惊天理论，但凭着小学级别的科学认知质疑这个质疑那个的倒是不少，他们不算民科，但满脑子的民科思想。

至于官科，对不起貌似没有这种说法。

山色青又黄

involute 发表于 2021-04-03 22:53
以当前的尖端科学之难，不可能独立于现有科研体系之外做出任何成就。

民科大概就是指科研体系之外的人 ...

原来如此，官科是我的说法，有民当然要有官。以前看过一些辩论，本来很精彩，有些人辩不过发急了或者其他未知原因，就会说对方是民科，显然是试图占据制高点，跳出辩论范畴，出奇致胜的心理。
网络上当然彼此不知道对方真实身份，如此情形之下，称之为官科，也算是有个名分。"官"在何处？是否体系内的人？反而是其次。

involute

山色青又黄 发表于 2021-04-04 17:41
原来如此，官科是我的说法，有民当然要有官。以前看过一些辩论，本来很精彩，有些人辩不过发急了或者其他 ...

又想当然了不是？民科的民是民间的意思，就比如我们说民间老中医，难道反过来还有“官方老中医”？

当然说“民间老中医”的时候指的就是不在现有医疗体系之内那些人，“民间科学家”同理。

diyid888

involute 发表于 2021-04-03 22:53
以当前的尖端科学之难，不可能独立于现有科研体系之外做出任何成就。

民科大概就是指科研体系之外的人 ...

请教张翔这个发明对目前中国光量子计算通讯有多大的帮助，感觉这个发明超级厉害甚至是革命性的

involute

diyid888 发表于 2021-04-07 01:20
请教张翔这个发明对目前中国光量子计算通讯有多大的帮助，感觉这个发明超级厉害甚至是革命性的

介绍文章中说“快速在拓扑和非拓扑状态之间进行切换，有效地将零电阻状态关闭和打开”，这显然是适用于存储传统比特的二进制数据而不是量子比特数据，虽然实现方法是量子操控。

diyid888

involute 发表于 2021-04-07 02:00
介绍文章中说“快速在拓扑和非拓扑状态之间进行切换，有效地将零电阻状态关闭和打开”，这显然是适用于存 ...

哪里看出来  ，没看出来是存储用

involute

diyid888 发表于 2021-04-07 19:53
哪里看出来  ，没看出来是存储用

嗯，我看错了，以为是他以前做的哪个纳米存储，这个不一样。

看了下原文，Abstract中说“This quantum operation opens the door to both fundamental quantum light–matter interaction and innovative photonic quantum devices for quantum communication, quantum simulation and quantum computing.”

https://www.nature.com/articles/s41566-021-00762-6

确实可以应用于量子通信和量子计算，但更深我就不懂了。