科普文：量子调控

作者: 低维量子系统 | 来源:发表于2019-06-16 09:41 被阅读0次

科普文：量子调控
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前言
前几天跟同事聊天，聊到许多年前IBM对原子进行调控从而排列成“IBM”字样的故事。随后，跟老程一起做ALPS，正好发现一个模型可以完美地描述诠释“量子调控”的力量。
关键词及其直观说明
- “本征态”
- “调控”
- 事物都有“本征态”。以学生为例，他们可处于“懒惰态”和“努力态”。通常情况下，学生会处于省力的“懒惰态”。外界对他们干预、加压，改变他们的态，就是一种“调控”。

科普文：量子调控

假设有一块磁性材料，它有以下本征态， $\alpha, \beta，\gamma$ 等等。为了便于描述，这些态依次描述那些能量从低到高排列的本征态。根据能量最低原理，在绝对零度时，系统处于最省能量的 $\alpha$ 态。

在某种情况下，我们想把材料调控到 $\beta$ 态，因为该态具有某个我们需要的特性。

一种方法，是给材料提供更多的能量，让它“跃迁”到 $\beta$ 态。就像老师给学生加压一样的道理。然而，这个过程是不稳定的，它会“自发跃迁”回到低能量的 $\alpha$ 态（就像学生回归惰性态）。

还有第二种方法：利用材料的对称性。

在生活中我们知道，具有对称性的物体，对其进行特定操作、它的状态指标不变（比如一个球体，你对它进行旋转操作）。

类似地，对于具有某种对称性的磁性材料，我们对它进行特定物理操作(如：外加磁场)，其各个本征态 $\alpha, \beta，\gamma$ 不受影响。但外加磁场将对这些本征态的能量值产生不同程度的影响。

还是得写清楚，万一被那些有学物理的同学看到呢？万一呢？
比如若一个系统，其哈密顿量 $H=\sigma_x \otimes \sigma_x+\sigma_y \otimes \sigma_y + \Delta \sigma_z \otimes \sigma_z$ ，外加磁场 $\lambda(\sigma_z + \sigma_z)$ 跟其哈密度量对易，本征态具有good quantum number $\sigma_z^{total}$ 。因此外加磁场不影响各个本征态，但改变了能量特征值。

由于能量受到影响， $\beta$ 态的能量可能变得比 $\alpha$ 态低(如下图所示)。这样，根据能量最低原理，材料就自发地处于 $\beta$ 态了。类似地，我们能够通过控制外加磁场的强度，将材料的状态完美地“调控”到所需的各个“本征态” $\alpha,\beta,\gamma...$ 上去。