Yin Zhangqi's Blog

曾经写过《量子信息与量子计算》的Nielsen写过一篇很有趣的文章《高效研究的原理》。在那篇文章中，他提出了两种研究风格：解决问题的高手和提问题的高手。我们的训练，其实大部分都是培养我们解决问题的能力。也就是说，让我们学习很多技术，能力，找到巧妙的办法来解决研究中一个个的难题。而后者，是非常稀少的能力，一般都是用一个非常简单的方程或者模型来提出一个非常有趣的问题，或者把一个老问题用一个新的角度来处理，或者把两个原来不相干的领域联系起来。用通俗的话语可以说，解决问题的能力能够让我们在学术期刊上持续的灌水，而提出问题的能力就是在学界挖一个大坑，等待后人来灌水。

我自己读文献时，对挖坑的人实在是又爱又恨。因为如果没有他们挖坑，也就没有我们的这口饭吃。可是挖坑的人，一般坑都太深了，怎么填都填不完。挖坑的文献通常也蛮难懂。一般情况下，都得找后人的“读后感”，才能帮助我弄懂挖坑的文章。读到这种晦涩难懂的挖坑文章，实在让我这样的初学者恼火。坑也不能随便挖。比如说，50年前，前苏联就有人设想负折射率材料的存在了。但是毫无影响力，因为就是一个数学，缺乏物理实现的想法。直到10年前，有人提出如何用纳米技术来实现负折射率材料，这个方向才真正发展起来。如果你是爱因斯坦，费曼这样的牛人，可能只是一时想到了量子计算机，纳米技术，稍微描述一下实现后的前景，实现的路径，也会被别人惦记几十年。我们能够在日常解决问题的研究工作中，偶尔花点时间来想想大问题，提出有价值，让别人有兴趣解决的问题，那么研究才真的能够上档次，才真的摸到物理研究的核心了。

最近，我跟德州奥斯丁大学的李统藏和武汉物理数学所的冯芒研究员合作，写了一篇名为《Three dimensional cooling and detecting of a nanosphere with a single cavity》的论文。这篇文章从理论上探讨了如何用单个光学腔来帮助束缚在光镊中的纳米小球冷却到量子基态，同时我们可以通过探测出射光脉冲来测量小球在基态附近受到的扰动，比如说与单个分子的碰撞。这并不是一个容易的工作。要知道单个分子的质量与纳米小球的质量相差上亿倍，单个分子与小球的碰撞，可以形象的类比为一颗子弹打到一座山上被反弹后，我们想测量出山移动了多少。要完成如此精密的测量，我们需要对把热噪声降低到零。

这个工作的基础是李统藏刚刚在《Science》上发表的一篇实验论文。他在那篇论文中，报道了他们用光镊束缚微米小球，同时测量小球在空气中布朗运动瞬时速度的实验。我们仔细的考察了已有的把光束缚的纳米小球耦合到光学腔中，用腔辅助冷却小球运动的理论方案（ Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.107, 1005 (2010), New. J. Phys. 12, 033015 (2010)），发现现有的一维冷却方案是不稳定的。原因在于不论是束缚光还是冷却光，与小球的散射都会加热小球，且加热效应是三维的，加热率会随着时间指数增长。如果我们只在一个维度上冷却了小球，而对另外两个维度放任不管，小球将会很快的被加热跑出光镊。我们必须用三维的冷却才能使得小球稳定的束缚在光镊中。而把原来的方案简单的推广到用三个腔冷却小球的3维运动是不行的，实验上太过复杂，根本无法实现。

我们发现，如果考虑到光学腔中的高阶模式，将可能把一个腔中的3个模式与小球的三维运动分别耦合起来，用于同时冷却小球的三维运动。不仅如此，这三个模式的出射光也包含了小球运动的信息，我们可以用它来探测小球的三维位置和运动。我们考察了一个很有趣的情况：超高真空下小球与剩余的气体分子之间的单次碰撞，可以用我们的这个方案来探测。如果将来能够完成这种探测的话，不仅可以在单次碰撞的水平上验证麦克斯韦速度分布律，还有可能用于估算气体分子的质量，以及小球表面的温度。此外，这个系统也可以看做是一个灵敏的单分子探测器，有可能用于做麦克斯韦妖的实验。这个方案的核心思想也可以用冷却原子，离子和分子。

论文已经贴到arXiv上：arXiv:1007.0827。如果有兴趣可以读读，欢迎大家多批评指教。

明天开始，与同事杨万里一起出差一周，去华南师范大学开会：《全国量子操纵与量子相干器件物理》高级学术研讨会。这次会议由清华大学物理系与华南师范大学物理系共同主办，发起人是孙昌璞，王向斌，汪子丹，朱诗亮。我会在会议上做一个小报告，报道一下自己在optomechanics方向上做的一些工作。这是我参加工作以来第一次的学术会议，也是第一次去广州，很期待！另外，也将见到好些慕名已久的同行，互相学习，互相交流，更加期待了。段路明老师也会参加。从密歇根回国后，又能再次见到段老师，真是高兴。会议的后半段议程会安排在海陵岛上进行，也算是放松和旅游了。

刚刚发现了两篇论文，讨论了星际因特网的可行性。一篇讨论用中微子在星际间传输信息，另外一篇讨论用造父变星作为星际因特网的节点。这两论文的描述很精彩的，公式不多。前言部分读起来很过瘾，有点像科幻小说。 比如说《星际中微子通讯》这篇论文的前言大意是这样的：

搜寻外星智慧体的工作已经进行了几十年了，可是我们一无所获。迄今为止，搜寻时人们假设信息传输靠射频和光波波段的光子。在这篇笔记中，我们建议在中微子中来搜寻可能存在的信号会更加靠谱。

为什么我们要花如此大的气力来观测中微子，看它是否可以用来通讯呢？理由如下。

1）对光子来说，信号源与接收器之间介质的透明度不够，尤其对星系盘中间以及接近星系中心处时。中微子基本上不会受到衰减的影响。
2）中微子是非常稀少的，不管从任何一个方向来看，天然的中微子几乎都可以忽略掉。可是对光子来说，信噪比就是一个很大的问题，尤其对与地外文明最可能生活的区域（比如星系盘内）来说，这个问题更加严重。对中微子信号来说，其噪声可以忽略掉。
3）即使光子没有被耗散完，由于星际间介质的散射，也会引起信号到达时间和方向上的抖动（jitter）。用中微子也可以避免这种问题，比如我们可以吧信息编码在中微子和反中子中。

第二篇，《造父变星星系因特网》，可以看作是第一篇论文的继续。而且，这篇论文的想法更加疯狂：他们认为造父变星可能已经包含有地外生命的信号了，我们分析其辐射谱，就有可能发现地外文明留下的信息。地外文明可能会通过某种手段，比如说中微子照射法，来控制造父变星的旋转周期，然后把信号编码在其中。具体的想法是用中微子加热造父变星的星核，通过打入合适的能量，就能让改变造父变星的旋转。这两篇论文，其实都可以反过来读：我们人类有一天，也可以用同样的办法来建造星际因特网，或者把我们的文明信息通过合适的手段编码在星体辐射谱中。

读到了这样的物理学论文，你说我还有什么兴趣读一般的硬科幻小说呢？当然，最牛的还是05年出现的那篇：Message in the Sky。 当时我就8g过的，最近这两篇还是这个作者A Zee（徐一鸿）的作品。我们平时在做自己的工作，承受着生活的各种压力。可有那么片刻，能仰望一下星空，聆听一下智者对此的思索，沉浸在其中，真是人生的一大乐趣。一瞬间，我似乎也觉得，生活中的种种不快，种种烦恼，都变得渺小了，不那么重要了。

我与同事杨万里等人合作写了一篇用NV center耦合固体微腔实现量子逻辑门的论文，已经被APL接收，即将出版，目前预印本上也可以看到。

One-step implementation of multi-qubit conditional phase gating with nitrogen-vacancy centers coupled to a high-Q silica microsphere cavity

Wan-li Yang, Zhang-qi Yin, Zhen-yu Xu, Mang Feng, Jiang-feng Du
The diamond nitrogen-vacancy (NV) center is an excellent candidate for quantum information processing, whereas entangling separate NV centers is still of great experimental challenge. We propose an one-step conditional phase flip with three NV centers coupled to a whispering-gallery mode cavity by virtue of the Raman transition and smart qubit encoding. As decoherence is much suppressed, our scheme could work for more qubits. The experimental feasibility is justified.

update: 论文已经发表，Appl. Phys. Lett. 96, 241113 (2010)。这篇论文已经被媒体以标题为《Diamonds and the Holy Grail of Quantum Computing》广泛报道了，包括《ScienceDaily》，《Physorg》等等。

北京大学物理学院量子材料中心招收2-3名博士生，博士生项目从2010年9月开始。相关待遇如下：博士生月收入从2500元人民币起，博士期间将有机会前往美国排名前20的物理系或者电子工程系访问1年以上，在美国期间，每月收入1000-1500美元。相关的研究方向包括：

1. Ultrafast spectroscopy on nanostructure and novel material such as graphene, nanowire, nanotube and topological insulator.
2. CVD growth of graphene, nanofabrication of graphene based optoelectronics device
3. High power THz generation.

由于时间关系，不要求申请人通过北京大学物理系的研究生入学考试。申请人请把简历（包括GPA，研究经历，高考成绩等）发给：sundong@umich.edu，申请截止日期是6月15日。

另外，也有若干博后位置，项目从2011年7月到12月开始申请。申请者需要有在超快光学和纳米制备方面有丰富的经验，要准备2-3封申请信。更详细的信息见这个网页：http://www.phy.pku.edu.cn/position/icqm.xml

最近，来自德州奥斯丁大学的物理学家首次对布朗运动的微米小球的速度进行了测量，相关结果发表在《Sciencc Express》上（是《Science》杂志的网络版，只有编辑认为的最重要的稿件才会在这上面预先发表）。在实验中，他们首先获得了一个非常稳定的光镊系统，用于束缚3微米半径的小球。为了把小球抛到空中，他们还特别设计了一套超声波发生器，产生足够的冲力来克服表面张力。在空气中，这个系统非常稳定，小球能够在光镊中维持两天以上。为了测量小球的速度，他们用了另外一束激光照射小球，通过测量反射光可以获得小球的位置。这套测量系统的位置精度是0.1纳米，测量所需的时间小于1微秒。正是在如此高精度的测量系统帮助下，作者才能对小球的位置进行实时测量，从而得到其运动的速度。

我们知道，小球在空气中是被大量的分子碰撞的。因此在平衡态下，其运动就是一个典型的布朗运动。但是由于小球的质量比空气分子大得多，要完全改变小球的初始运动速度与方向，需要一个特征时间tau。如果我们的测量仪器能够在远远小于这个特征时间的尺度内完成对小球速度与位置的测量，那么我们就可以完成对小球速度的实时测量。对于实验所用的这个系统来说，特征时间tau大概在几十到几百微秒的量级，因此作者就完成对布朗运动速度的测量这一爱因斯坦看来几乎不可能的任务。接下来，作者们希望能在加入反馈冷却系统来冷却小球，使之逼近量子基态。如果真的能够实现，那么将会有更多好玩的事情出现。我期待着看到他们的新结果。

最后提一句，这篇论文的第一作者李统藏是我朋友，我们曾在今年一月在杭州见过面，一起吃过饭，当时我就听他报告过这个结果了。在他做实验的过程中，我们通过网络交流讨论过很多次。我很高兴能够从他那里学到很多实验方面的细节知识，从他那里了解这个激动人心的实验的最新进展。最后我也很荣幸，在论文的致谢部分，他提到了我的名字。

从当当网上买了三本书《疯狂实验史》，《米与盐的时代》和《美丽的性》，近一个星期才收到。利用晚上的时间翻看了一下，觉得《疯狂实验史》极有趣，按照年代编撰，一个个疯狂的实验，读起来让人忍俊不禁，或者大跌眼镜。极为适合用零碎的时间来读。

《米与盐的时代》，太长了，我只读了第一部分，整本书的构思很不错：欧洲人在中世纪完全被黑死病给灭绝了，作者构建了一个由东方的中国人统治的世界。但是读起来蛮费脑子，估计得花很久才能慢慢读完了。

《美丽的性》，一本讲述昆虫的书，彩图，铜版纸印刷，适合读图，我没有多读，以后可能会束之高阁了。

逛书店太麻烦，以后在网上发现了有趣的书，就直接网购吧。另外，突然发现自己写微博太多，写博客的句子也越来越短了，对博客更新的动力也减弱了很多。

物理学家对量子世界的探索是无止境的。从实验者的角度来说，总是希望能够在更加大的系统中看到量子现象。原子，分子，再到大分子。最近，人们终于在微机械系统中看到了机械振子的量子效应了。来自UCSB的科学家利用氦3把系统冷却到了30毫开尔文附近，使得基频为6GHz的机械振子处于量子基态。这个振子用的材料是很多层的三明治结构，包括氧化硅，氮化铝，和铝。薄片的长度大概有60微米，厚度只有几百个纳米。如果考虑声波在薄片的两个面之间反射形成的驻波，可以知道基频为f=v/2t，其中v是声波速度，t是薄片厚度。对于这个系统来说，声波速度大概为9000米每秒，可以得出振子的基频就是6GHz。氮化铝具有很强的压电效应，能够跟电信号耦合起来。这个振子的表面与一个超导电路耦合，利用约瑟夫森效应形成一个相位量子比特。这个量子比特的本征能量可以调节从5GHz到10GHz。当量子比特与机械振子共振时，二者之间可以出现很强的共振耦合，耦合强度达到110MHz。由此，我们可以在量子比特与机械振子之间相干的传递量子态。在实验中，人们可以制备出机械振子的粒子数态，并测出这个状态的衰减率。

另外一个有趣的工作是，在光机械系统中观察类似EIT（电磁感应透明）效应，我们可以称之为“光机械感应透明”效应。人们发现如果对一个边带可分辨的光机械系统，先用一束强激光在红边带照射，另外一束弱的探测光在频域扫描时，有可能会出现一个透明的频率窗口，探测光会完全透过这个系统。这个透明窗口的大小跟机械振子的衰减以及驱动激光的强度都是有关系的。我们也可以在这个系统中做慢光与快光实验。一个自然的延伸问题就是：能否在这个系统中完成把光速变为零的实验？

清明节我随父亲和大伯，叔叔回了一趟大悟老家，给爷爷奶奶，太爷爷太奶奶扫墓。

上次回老家，已经是8年前的事情了。老家的变化不小，已经有一条水泥公路通到了老家所在的那个山村。周围的山上，因为封山育林，树林也茂密了很多。据说更远的深山里，树林非常密，人都走不进去了。本家的一些兄弟在南方打工，现在也算是小有成绩，在老家盖了房子，有的还买了车。我们扫墓之后，就是由本家的一个哥哥开车送我们回孝感的。

祖坟在村旁一座山的半山腰上，需要走上二三十分钟的山路才能到。我们是早7点从堂叔家（他家在镇上）出发坐车回到村里的。本族的人都是一起上山，背着鞭炮，纸钱，和礼花来到坟前。先放礼花，然后放鞭炮，同时烧纸，然后向先人磕头。爷爷是去年去世的，所以还没有立碑。我还是在爷爷的坟前磕了三个头。大家的兴致都很高的，怀念的先人的种种事迹，回忆着过去的时光。我也是头一次看多如此多的本家亲戚，也是头一次听到祖辈是何时来到这个村庄，开枝散叶的。老太爷兄弟有五人，在一百多年前从几十里外来到这里立足。这一百多年，第一位走出山村，在外面念书，直到在城里落户的，就是我爷爷。现在，村里面的年轻人大部分都到外面打工去了，山村中留下的都是老人。也只有过年或者清明节才能看到如此多的年轻人回来，聚到一起。

说实话，我有很多年没有扫墓了，回老家给自己的先人扫墓，也是头一次。看着这一个个的墓碑，感情非常复杂。人总是要死的，死后有的也就是这三尺黄土，一个墓碑。从墓地往山下看，方位正好是坐北朝南。我们可以看到一个水库，旁边是我们村。水库里面流出一条小河，这条小河从大别山中流出，最终汇聚到汉江，直至长江，然后流入大海。这真是一块风水宝地，这里是祖辈们安息的地方，也是新生命开始的地方。

在量子论刚刚出现后不久，人们对光在介质中的动量就产生了争论。Minkowski认为，其动量应该是光在真空中动量的n倍，n是介质的折射率。而Abraham认为，应该是真空中动量的n分之一。这里就出现了一个两难的悖论。

Minkowski的推理如下：在量子力学中，光的动量是p=hk=hn w/c。其中w是频率，k是波数，v是光的速度。在真空中v就等于c，而介质中v=c/n。光从真空到介质中，频率w不会变，所以介质中的动量为p=nhk/c，是n倍的真空动量。Abraham的理论是，考虑到光是粒子，其动量为p=mv。真空中的速度比介质中的速度快n倍，所以介质中的动量为真空时的n分之一。当然上面只是一个很粗略的说法。更加精确的定义是Abraham和Minkowski的动量密度分别为：g_A=E×H/c^2，g_M=D×B。为了推导出Abraham的动量，需要用到动量守恒，并考虑到介质的动量变化。

在这个悖论提出100年来，理论和实验学者为了解释它做了很多努力。人们做了很多实验，结果发现有一部分支持Minkowski形式，有一部分支持Abraham形式的动量。最近有人宣称，他解决了这个难题。他认为，Minkowski和Abraham的动量形式都是正确的，但是分别对应与正则动量和运动学动量。实际上，在考虑光在介质中的动量问题时，我们不得不把介质的动量也考虑进来。介质的动量也有正则动量和运动学动量两种形式。分别把光子与介质的正则动量和运动学动量相加，是相等的。在实验中，如果测量的是镶嵌在基底的物体的位移，会得到支持Minkowski动量的结果。如果测量介质物体的速度和质量，利用动量守恒推出的光子的动量就支持Abraham动量的形式。也许这个结果真的能够结束100年来的争论。

收到一封信，发现我入选研究博客大赛：

您好！我是Research Blogging网站中文频道的管理员。

您的博客经提名，已入选Research Blogging Adward 2010的Finalist，目前正在接受网友投票。详见：http://researchblogging.org/static/index/page/awards。

如果您喜欢，可以在上述地址找到Finalist的HTML标志，贴到您的博客中去。投票将在3月14日截止，3月15日公布结果，请留意！

如果您第一次听说Research Blogging网站，请访问中文官方博客进行了解：http://chinese.researchblogginglanguages.org。欢迎注册：Researh Blogging：http://researchblogging.org。

在最近的一期《科学》中，报道了量子机器，实际上就是微型机械振子系统，冷却到量子基态，然后用于精密测量或者展示一些量子世界的奇妙现象。这篇报道对这个方向很乐观，估计到明年就将有差不多6个实验组同时实现这个目标。同一期中，也有一个音频采访，讨论了这个有趣的话题。

量子计算机提出了十几年了，但如何能够做出比经典计算机更好的工作，还没有实现。最近有两个实验组分别利用单光子系统和NMR系统完成了对氢分子基态能量的计算，精度非常高。这个代表了未来量子计算的一个发展方向，也许意味着量子计算化学的诞生。

另外的一个有趣的进展，是利用192束激光点火，完成核聚变的项目有了很大的进展，相关论文已经在网上公开了，科学杂志也对此作了一个详细的报道。核聚变是人类能源的最终极来源，能够做出可控核聚变，人类才能有光明的未来。

到新单位报到开始工作一周多了，多少有些不适应，户口等手续很麻烦。不过总算是搞定了。下面还有一个头疼的事情是租房子。我现在住在学生宿舍里面，需要尽快搬出来自己独立租房子住。附近的房租比较贵，且没有房源，希望学生放假后能够找到合适的房子。