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可控光量子:光量子学的新时代

现代光学现象或物理光学在很大程度上是在经典电磁波理论的基础上建立发展起来的。光的波动理论将光诠释为经典电磁波对于诸如衍射、干涉或影像形成,即使是非线性光学,例如倍频或四波混频,光学双稳态等都能很好描述。甚至激光的许多特性、大多数的现代光学仪器,都可以用经典的电磁波理论来描述。目前大多数光学通信技术从最初的OOK(on-off-Keying,二进制振幅键控)调制解调到现代的相干QPSK(quadrature-phase-shift-keying,正交相位)、QAM(quadrature-amplitude-modulation,正交振幅)调制解调技术,以及波分复用技术都是经典光学的应用,这推动世界进入了一个全新的信息社会,人们随时随处都被信息包围或者产生信息。但如此高速增长的信息量的传输、处理和存储,对相应的各项技术来说都是极大的挑战,于是人们开始转向普朗克和爱因斯坦等提出的“量子理论”。

朗克

其实现代高速发展的光通信技术是建立在激光基础上的,而激光则是量子理论的结晶。激光的研发和生产开辟了广阔的应用:遍布深海连接各大洲及大中小城市的光纤通信网络;光存储;用于芯片制作的超短激光(DUV,EUV)光刻;光计算;激光雷达;激光加工制造等。从普朗克对黑体辐射进行量子解释,到爱因斯坦提出用光子来解释光电效应,原子的量子模型中的能级之间电子的受激跃迁发射光子以及吸收光子,都需要假定光是由一个个包含相同能量hv(h为普朗克常数,v=c/λ为光的频率)的光子为基础。原子的量子模型是为描述激光的产生关键,原子中电子能级分布直接决定它们受激发射或吸收光的光频谱。原子的量子理论得到了广泛的发展,激光器的研究和开发是量子力学的直接产物。而至今在现代的光通信,光计算和光存储中基本上都还没有利用到量子力学理论下光的量子特性。

爱因斯坦

光量子学主要集中在光量子的产生,光场的量子本质,与物质的相互作用及光量子的探测等方面。光量子的产生主要集中在单光量子态的产生和控制;而光量子的探测方面则注重探测到的单光量子态的保真度等,这些方面的研究极可能产生有重大影响的基础理论及在工程应用方面的重大突破。在对提高光子探测器信噪比的研究中,有光子冲击探测器的散弹噪声(shot noise),关掉光源后的探测器产生的暗电流噪声(dark noise),热噪声(Johnson noise),闪烁噪声(fliker noise,or 1/f noise)等,而其中探测到信号频谱中的背景噪声也叫白噪声与暗电流噪声的差被称为量子噪声[1,2],其中包括光子撞击探测器的散弹噪声、信号光子与自发辐射光子的拍频噪声,以及光子的随机产生过程产生的噪声等。人们认识到量子噪声是无法彻底消除,而其余的经典噪声理论上都可以有方法消除。

[1]R.J. Glauber, The quantum theory of optical coherence, Phys. Rev. Lett. 130, 2529 (1963).

[2]J. Mertz, A. Heidmann, Photon noise reduction by controlled deletion techniques, J. Opt. Soc. Am. B 10, 745 (1993).

比如抑制噪声的一种有效方案是使用反馈控制,可以使PD或APD探测器的灵敏度得到极大的提高 [3],并可以实现单光子或亚光子的探测。那么量子噪声究竟是探测过程中比如光源与探测器之间的传递介质,光源到达探测器的随机过程,还是光子本身的量子特性而产生的?通过对光子的量子特性、量子噪声的深入探索,科学家们发现了光量子的反聚束(anti-bunching)和亚泊松分布及光量子可以用相干态来描述,且可以处于一种被挤压的相干态(squeezed coherent state),即光挤压(squeezing) [4,5]。对光子量子态的特性量,比如强度、振幅、相位的测量都受到量子噪声的限制。量子噪声可以与信号光的量化相联系,可以认为是海森堡测不准 原理的必然结果。人们也发现了在光子探测器保持不变的情况下,可以对光信号通过非线性光学处理来改变量子噪声。总之,平常认为稳定的激光束其实不是稳定的。

[4]H.J. Kimble, M. Dagenais, L. Mandel, Photon antibunching in resonance fluorescence, Phys. Rev. Lett. 39, 691 (1977).

[5]D. Walls, Squeezed states of light, Nature 306, 141 (1983).

对量子噪声的深入研究特别是对单光子的产生,单光子的传输及单光子的探测深入研究,以及对单个离子的捕获及研究人们可以观察光量子的典型特性:反聚束和亚泊松分布特性。通过J.S. BELL的开创性研究 [6]科学家们已经可以对光量子的纠缠进行定量测试。这为光量子的广阔应用开辟了可以定量测试和分析的有效手段。单光子的量子过程已经在量子通信、量子存储及量子计算等领域起到越来越重要的作用。使用量子态的复杂性来编码信息,并无损失地传输,用于安全通信和密码学,用于存储量信息,并可能将其用于复杂的逻辑过程和量子计算都被广泛讨论。单个光子发送的信息可以防止窃听,其独特的量子特性不允许被复制。任何窃听都会引入噪声,因此可以被检测到。而叠加光子的不同状态可用于发送更复杂的信息,允许不仅传输经典的0和1的信息位,还可传输基于0和1态叠加的q位状态。几个这样的量子系统的相干演化可以实现量子逻辑连接、量子门和最终整体的发展实现能更有效、更迅速地解决某些类别的复杂数学问题的量子计算机 [7]

[6]J.S. Bell, On the Einstein-Podolsky-Rosen paradox, Physics 1, 195 (1964).

[7]G. Milburn, Quantum technology, Allen & Unwin (1996).

另一方面,目前最先进的电子芯片现在的标称特征尺寸为3nm,宽度大约为6个硅原子。进一步的减少芯片的标称特征尺寸以提高电子芯片的处理速度以迎合“摩尔定律”的预期,即芯片的运算速度每18个月翻一番,已经遇到了前所未有的挑战。因此可以看到随着实现对光量子态的可操控,基于光量子学理论的量子芯片的发展前景将越来越广阔,将开创光量子学的新时代,并在未来的国民经济建设中发挥重要作用。

清华大学徐端颐教授新著《光量子存储》就是光量子芯片技术最新发展的代表作。光量子存储器在人工智能中,深度学习中最复杂、最耗时的操作是矩阵向量乘法中的意义就最为重大。因为矩阵乘法需要多个运算,光学的自然并行性可以同时执行这些运算,集成光子学比经典的体光学技术效率更高。

本人在清华大学精密仪器与机械学系攻读博士期间就参观过徐端颐教授在高密度光盘存储和纳米光刻技术方向的研究成果,并留下非常深刻的印象。 徐教授能把理论和工程应用紧密的结合在一起,并把国际前沿的研究工作与国家的重大需求相结合,在研究的基础上加以创新,而创新又切实解决国民经济建设中的的重大技术问题。

徐教授长期从事光与物质相互作用及其在高密度存储的应用研究,被国家科技部聘为国家光存储重点基础研究首席科学家,组织创建了清华大学微信工程研究所、光存储国家工程研究中心以及类脑计算研究中心,在国内最早开展多维光存储及光量子存储的研究,完成了基于光量子与物质的相互作用产生的多种物理及化学效应实现信息的写入及读出。

徐教授的多维光盘存储及光量子存储等方面的研究工作受到国际同行的关注,曾受邀至许多国家及国际会议进行学术交流及相关研究。本人有幸在国际会议上听取了徐教授的有关专题讲座,讲座很受大家的欢迎,我印象非常深刻。徐教授通过多年研究和实践积累以及多次国内外讲学交流撰写此专书,全面系统地介绍了光量子存储的最新理论和核心技术路线,内容丰富,是该领域研究的最佳专著。此书是一部适合研究生、博士生课程的好教材,也可供从事光量子通信、存储、处理等科研工作者参考。

徐端颐教授在《光量子存储》专著中有关光子双稳态存储、相位调制随机存储、量子信号冻结与再生、光量子多能级类脑存储,以及光量子神经网络的论述,对本人在光学双稳态光计算和光学神经网络的自学习和纠错的研究,光学子波变换研究及非线性光学图像旋转不变等的学术研究 [8,9]以硅光芯片技术和磷化铟光子集成芯片(photonics integrated circuit,PIC)为核心的大容量超高速相干光纤通信技术的产品研发,波长可选无阻塞大规模光开关,光量子通信专用器件,人工智能集成光量子芯片,激光雷达等前沿技术的研究都有重要参考价值。

[8]Wenlu Wang, Guofan Jin, Yingbai Yan, Minxian Wu, "Joint wavelet-transform correlator for image feature extraction," Appl. Opt. 34, 370-376 (1995).

[9]Bahram Javidi, Wenlu Wang, Guanshen Zhang, and Jian Li, "Nonlinear filtering for recognition of phase-encoded images," Appl. Opt. 37, 1283-1291 (1998).

另外,清华大学徐端颐教授的专著《光量子存储》是一项开创性的工作,它系统描述了光量子存储的基础理论、实验原理以及工程应用,并对光量子存储具有重要战略意义的研究成果进行了详细介绍。包括从可控偶极量子存储、精密自旋回波量子存储、光量子化学存储、多波长光量子存储、光量子纠缠存储、光子双稳态存储相位调制随机存储、量子逻辑控制、量子信号冻结与再生、光量子多能级类脑存储、量子神经网络、幂迭代巨陈矢量光计算、极性分子存储可编程处理器、量子数字压缩、光量子存储效率及保真度等。同时,徐教授还考虑到基础理论研究与工程开发协同推进问题,专门介绍了光量子存储中的核心问题,包括纳米光机电混合集成、单光子源、光子晶体器件加工、极紫外光刻技术、超薄抗蚀剂膜自组装等光量子存储器的关键设备和先进技术,为国内开展光量子传输、光量子处理和计算、光量子存储等技术奠定坚实的基础。随着对单个光量子态的可操控的实现,达到光量子存储、通信,或计算的应用,光量子学的新时代已经到来,并在未来的国民经济建设中发挥重要作用。据我所知,国际上目前还没有同样的专著出现,所以我非常赞同我国著名科学家中国光学学会理事长周炳琨院士在该书序言中对本书所作的评价:“本书是一本学科跨度大、基础理论与工程应用研究相结合的具有国际水平的重要专著。”

作者:王文陆(Ph.D./MBA)

《光量子存储》

作者:徐端颐

“该书的出版将极大地促进我国在光量子存储领域的人才培养、科学研究和工程应用,对于我国光存储技术的研究发展具有重要参考价值。”

专著目录

1章概述

参考文献

2章量子信息论基础

参考文献

3章光量子存储原理

参考文献

4章量子纠缠存储

参考文献

5章光量子化学存储

参考文献

6章光量子类脑存储

参考文献

7章光子器件集成

参考文献

8章纳米光量子器件制造工艺

参考文献

附录 A物理化学常数

附录 B常用数学符号

附录 C理论计算符号

附录 D概率分析计算符号

附录 E测量单位符号

索引

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