室温下光控飞秒极化子开关 | 前沿快讯No.28
快讯
光控飞秒极化子开关
量子门的最优控制
伊辛模型的几何上临界维度
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室温下的光控飞秒极化子开关
光学和光电器件已经在许多信息处理应用中进行了研究，其目的是实现高运行速度，这类器件的一个核心组件是基于非线性光学效应的开关。这种器件的性能通常受到光学非线性强度的限制，并且可以使用人工光子结构来进行增强。利用电介质中超短光脉冲之间的高度非线性相互作用，电流可以在亚飞秒的时间尺度上被操纵，在PHz(10^15 Hz)的超快频率下进行信号处理。然而，由于电子动力学对光场的周期演化很敏感，这种技术在制造亚波长结构和在阿秒尺度上的高分辨率光场操作方面都要求具有很高的复杂度。此外，由波形控制的光场引起的载流子电荷的超快运动在级联性和集成性方面具有挑战性。因此在现实生活中实现超快开关的替代方法有重要意义。同时，激子极化子是物质和光的杂化准粒子子，近年来取得了快速的进展，具有潜在的光电子应用前景。激子极化子是由微腔光子和激子之间的强耦合而形成的，其性质取决于它们的组成粒子，并且它的光子本质导致其具有非常轻的有效质量，使得极化激子可以在比原子玻色-爱因斯坦凝聚温度（~10^-9 K）高许多数量级的高温下经历玻色-爱因斯坦凝聚。
本文作者华东师范大学精密光谱学国家重点实验室Fei Chen等实现了室温超快极化子开关，其中玻色-爱因斯坦凝聚态可以在100飞秒时间尺度上以高消光比快速耗尽。这是通过应用超短的光控制脉冲，利用四波混合过程在极化子凝聚的光子部分诱导参数散射而实现的。利用飞秒角分辨光谱成像技术，实现了极化激子凝聚的擦去和恢复可视化。凝聚的耗散和恢复可以用一个开放耗散、具有参数化散射过程的格罗斯-皮塔耶夫斯基方程进行很好的模拟。其实验结果将室温下全光控制的极化子开关的速度边界向太赫兹区域推进。
相关研究成果以Optically Controlled Femtosecond Polariton Switch at Room Temperature为题，作为Editors’ Suggestion发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 129, 057402 (2022)上。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.057402
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量子门的最优控制
在合成量子系统的发展中，科学家已经可以实现各种具有足够长相干时间来执行一系列相干操作的系统。在努力将这些系统转化为技术应用的过程中，量子最优控制有助于提高操作的精度和速率。通过量子最优控制已经成功解决许多常见问题，比如在少体或多体系统中的量子门或纠缠态的实现、计量协议的改进等等。目前的最优控制任务主要集中在单一目标操作的实现上，比如实现一个特定的状态或实施一个特定的门操作。然而，随着量子技术的逐渐成熟，扩展在设备上精确实现操作的范围变得十分重要。例如，在噪声中尺度量子器件的背景下，增加可用的基本门组合可以实现更为紧凑的量子电路的编译。在一个典型的由一个1量子位旋转和一个2量子位纠缠门组成的集合中，包含了一系列2量子位门，有效减少了量子位门的数量，反过来又提供了在退相干开始之前运行更加有效计算的可能性，这正是当前技术中的一个关键限制。也就是说，实现更广泛的优化操作的能力有可能大幅提高当前量子硬件的效用。
本文作者伦敦帝国理工学院布莱克特实验室Frederic Sauvage等打破目前量子最优控制只能适合于一次优化单一的目标操作的限制，将其扩展到连续目标集合的最优控制，并证明了基于神经网络的优化，可以找到与时间相关的哈密顿量集合，在最短的时间内实现期望的量子门集合。
相关研究成果以Optimal Control of Families of Quantum Gates为题，作为封面文章发表在《物理评论快报》 Physical Review Letters 129, 050507 (2022)上。
原文链接：
https://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.129.050507
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伊辛模型的几何上临界维度
伊辛模型是统计物理学和凝聚态物质中最基本的模型之一，在现代物理学的几乎每个分支中都有很大的影响。在1925年引入时，伊辛模型在一维情况下没有有限温度的相变。Onsager在1944年实现了一个里程碑的进展，他获得了没有外场下的正方形晶格上精确的自由能密度。1952年，Yang推导出在接近临界温度时，自发磁化强度以幂律的形式消失，指数为1/8。在20世纪70年代，建立了重整化群理论，是现代临界现象理论的基础。重整化群理论的一个重要结果是伊辛模型具有上临界维度dc = 4，在临界维度以上，其临界行为由高斯不动点控制，可以看成是平庸的。在三维体系中，已经有了大量的数值研究，并且最近的共形引导程序带来了许多新的见解和前所未有的临界指数精度。
本文作者中国科技大学方胜等通过大量的模拟来证明，在随机团簇表示中，伊辛模型同时显示了两个上临界维度，dc = 4和 dp = 6，并且在大的临界维度之上，临界团簇由渗流普适性的指数控制。作者预测了丰富的几何性质，并且在4到7的维度上提供了强有力的证据，其发现极大地促进了对作为许多物理分支中基本系统的伊辛模型的理解。
相关研究成果以Geometric Upper Critical Dimensions of the Ising Model为题，作为Express Letter发表在《中国物理快报》Chinese Physics Letters 39 080502 (2022)上。
原文链接：
http://cpl.iphy.ac.cn/10.1088/0256-307X/39/8/080502#1
编译：不言
排版：不言
美编：农民
责编：理趣
编者按
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