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WEISHUN ZHONG
1。“有意义的记忆的随机树模型”，Weishun Zhong，Tankut Can，Atonis Georgiou，Ilya Shnayderman，Mikhail Katkov，Misha Tsodyks，Arxiv，Arxiv：2412.01806，Review 2。“分层工作记忆和新的魔术数字”，Weishun Zhong，Mikhail Katkov，Misha Tsodyks，Arxiv：2408.07637，评论3。“量子神经网络作为量子信息解码器的优势”，Weishun Zhong，Oles Shtanko，Ramis Movassagh，Arxiv：2401.06300，Review 4。“多体局部隐藏生成模型”，Weishun Zhong，Xun Gao，Susanne Yelin，Khadijeh Najafi，Arxiv：2207.02346;物理评论研究6.4（2024）：043041。5。“体重分配受限的学习理论”，Weishun Zhong，Ben Sorscher，Daniel D Lee，Haim Sompolinsky，Arxiv：2206.08933；神经2022 6。“量化多体学习远离代表学习的平衡”，Weishun Zhong*，Jacob M Gold*，Sarah Marzen，Jeremy L England，Nicole Yunger Halpern，Arxiv：2001.03623;科学报告11.1（2021）：1-11 7。“通过多体系统学习学习”，Weishun Zhong*，Jacob M Gold*，Sarah Marzen，Jeremy L England，Nicole Yunger Halpern，Arxiv：2004.03604； ICML研讨会ML科学发现的可解释性（2020）8。“连续吸引子的非平衡统计力学”，Weishun Zhong，Zhiyue Lu，David J. Schwab和Arvind Murugan，Arxiv：1809.11167;神经计算（2020）32（6）9。“仔细观察β -vae中的分离”，Harshvardhan Sikka*，Weishun Zhong*，Jun Yin，Cengiz Pehlevan，Arxiv：1912.05127；第53届ASILOMAR信号，系统和计算机会议（2019）10。“宏观分子自组装中的联想模式识别”，Weishun Zhong，David J. Schwab和Arvid Murugan，Arxiv：1701.01769； J Stat Phys（2017）167：806 11。“ Schr̈Odinger Schatemes的纯种C理论”，James T. Liu和Weeshun Zhong，Arxiv：1510.06975； JHEP 1512（2015）179
什么是量子热力学？
熵的物理意义是什么？不可逆性的物理起源是什么？熵和不可逆性只存在于复杂和宏观系统中吗？对于日常实验室物理，统计力学的数学形式（正则和巨正则、玻尔兹曼、玻色-爱因斯坦和费米-狄拉克分布）可以成功地描述物质的热力学平衡性质，包括熵值。然而，正如薛定谔在 1936 年就已经认识到的那样，统计力学在解释熵的含义以及在系统状态概念的蕴含方面都存在概念模糊性和逻辑不一致性。Gyftopoulos、Hatsopoulos 和本文作者开发了一种替代理论，以消除这些概念上的障碍，同时保持在应用中非常成功的普通量子理论的数学形式。为了解决熵的含义问题和不可逆性的起源问题，我们将熵和不可逆性纳入了微观物理定律。结果是一种具有将力学和热力学结合起来的所有必要特征的理论，它统一了两种理论的所有成功结果，消除了统计力学的逻辑不一致和不可逆性的悖论，并为不可逆性、非线性（因此包括混沌行为）和最大熵生成非平衡动力学的微观起源提供了一个全新的视角。在这篇长篇介绍性论文中，我们讨论了量子热力学的背景和形式，包括其非线性运动方程以及它所涉及的非平衡不可逆动力学的主要一般结果。我们的目标是讨论和启发一种非线性量子动力学群的生成器形式，这种“设计”是为了实现量子力学 (QM) 和热力学的统一，即我们称之为量子热力学 (QT) 的非相对论理论。它的概念基础不同于 (冯·诺依曼) 量子统计力学 (QSM) 和 (杰恩斯) 量子信息理论 (QIT)，但对于热力学来说
自洽量子静电学
静电能通常是量子纳米电子系统中最大的能量尺度。然而，在理论工作或数值模拟中，静电场也经常被视为外部势能，这可能会导致错误的物理图像。开发能够正确处理静电及其与量子力学相互作用的数值工具对于理解半导体或石墨烯等材料中的量子器件至关重要。本论文致力于自洽量子静电问题。这个问题（也称为泊松-薛定谔）在状态密度随能量快速变化的情况下非常困难。在低温下，这些波动使问题高度非线性，从而使迭代方案非常不稳定。在本论文中，我们提出了一种稳定的算法，可以以可控的精度为该问题提供解决方案。该技术本质上是收敛的，包括在高度非线性的范围内。因此，它为量子纳米电子器件的传输特性的预测建模提供了可行的途径。我们通过计算量子点接触几何的微分电导来说明我们的方法。我们还重新讨论了整数量子霍尔区域中可压缩和不可压缩条纹的问题。我们的计算表明，在中等磁场中存在一种新的“混合”相，它将低场相与高场条纹分开。在第二部分中，我们构建了一个理论来描述可以在二维电子气体中激发的集体激发（等离子体）的传播。我们的理论在一维上简化为 Luttinger 液体，可以直接与微观量子静电问题联系起来，使我们能够做出不受任何自由参数影响的预测。我们讨论了最近在格勒诺布尔进行的实验，旨在展示电子飞行量子比特。我们发现我们的理论与实验数据在数量上一致。
量子信息与计算
为什么要将量子力学与计算和信息理论结合起来？首先，什么是信息，什么是计算？在经典语境中，信息以布尔变量字符串（“位”）的形式存在，计算是通过规定的步骤序列（“程序”）更新字符串的过程，它通过基本布尔运算（“门”）来实现，如 AND、OR、NOT、SWAP 等，其特性是每一步都需要固定的努力来执行，与字符串的长度无关。但位究竟是什么？除了作为布尔变量的存储单位外，它还具有我们可以通过区分物理状态（电子电荷等）来识别其所代表的变量的特性。正如 R. Landauer 所说，“没有表示就没有信息”。因此，我们得出了一个令人震惊的结论，即计算（和信息处理）必须对应于表示信息的系统的物理演化。因此，信息存储、通信和处理的所有可能性和局限性都必须以物理定律为基础——由于许多原因，这种观点并不十分流行，但有一定依据。但当然，量子物理学与经典物理学截然不同。原则上，量子计算机确实无法计算经典计算机上无法计算的任何东西。原因很简单：我们可以用经典计算机模拟薛定谔方程，因此可以模拟任何量子系统——无论需要多长时间。尽管如此，当我们将量子思想引入计算的“物理系统演化”时，我们仍然可以实现比经典计算更多的目标。首先，量子计算机提供了更强大的计算能力，无论是在计算某些对象所需的空间还是时间上。例如，考虑以下任务：给定一个整数 N（n = O（log N）位），我们希望快速找到它的一个因子，即算法在多项式时间内运行，即计算它所需的时间受“输入大小”n 的多项式的限制。可以使用明显的试除法算法，直到√
现实是希尔伯特太空中的向量
在1927年索尔维会议之后，将近一个世纪，量子力学的最终本体论问题仍然没有解决。本质上，量子理论的所有公式都取决于波函数或状态向量的使用（或数学上等效的结构）。，但研究人员不同意国家向量是否是现实的完整而准确的表示，它是否代表了现实的一部分，但需要通过其他变量来增强现实的一部分才能完成，还是它是一种认知的工具，而不是完全代表现实的工具。，他们进一步不同意国家向量是否应该被认为是某种抽象的希尔伯特空间的要素，或者是否应以更直接的物理方式（例如，在诚实的三维“空间”中）对矢量的特定代表或该矢量的特定表示，是否存在某种基本的本体论状态。在这里，我想主张这些替代方案中极端立场的合理性，世界上的基本本体论完全由抽象的希尔伯特（Hilbert Space）中的向量代表，并根据统一的schr'odinger Dynamics及时演变。从颗粒和田地到空间本身的其他所有内容都被正确地认为是从那种严峻的成分组中出现的。这种方法被称为“疯狂的埃弗里特主义”（Carroll＆Singh，2019年），尽管“希尔伯特太空原教旨主义”同样准确。让我们看看一个人最终会如何被一种意识形态所吸引，这种意识形态与我们对世界的直接经验完全不同。然后，我们认为波函数会根据当我们首先教授量子力学时，我们会向我们展示如何通过采用经典模型并量化它们来构建量子理论。想象我们在某个相空间上定义了一个经典的前体理论，在数学上以符号歧管γ表示，其进化由某些哈密顿函数H：γ→r确定。我们在相空间上选择一个“极化”，这等于根据规范坐标Q（定义“配置空间”）和相应的规范矩p对其进行协调，每个符号可能代表多个维度。这是一个相当通用的设置；对于在d维欧几里得空间中移动的n点粒子，配置空间与r dn是同构的，但是我们也可以考虑范围的理论，对此，坐标仅仅是整个空间中域的值。构造相应量子理论的一种方法是引入单独坐标的复杂值波函数ψ（q）∈C。波函数必须是可正常的，从某种意义上说，它们是正方形的，rψ∗ψdq <∞，其中ψ∗是ψ的复杂偶联物。现在，动量由线性算子ˆ P表示，其形式可以从规范的换向关系[ˆ q，ˆ p] = iℏ（其中操作符Q仅通过Q乘法）。这使我们能够将经典的哈密顿量提升为一个自动接合操作员ˆ H（ˆ q，ˆ p）（超过潜在的操作员订购的歧义）。
![arxiv：2008.10836v1 [Quant-ph] 2020年8月25日](/simg/6\6c70b538e54f87fa8b353b03ad6574d4e2651f76.webp)
arxiv：2008.10836v1 [Quant-ph] 2020年8月25日
量子转向于1935年首次引入了Einstein-Podolsky-Rosen（EPR）悖论[1，2]。这种现象引起了人们的引人注目的重新关注，因为从量子信息的角度来看，它的基本信息及其在信息处理器的量子资源中的重要作用[3-5]。量子转向椭圆形（QSE）定义为整个Bloch矢量集，由Alice的Qubit上的所有可能的正面算子估算（POVMS）都可以转向Bob的量子，这是由Alice Qubit上的。al。，[6]提供了忠实的几何形状，代表了两量国家的转向。在相同的方向上，还得出了椭圆形的必要条件和足够的条件，以代表两数分状态[7]。由于QSE是一种有用的可视化工具，因此从量子信息的角度来看，它引起了人们的注意[6-14]。QSE的概念提供了引入最大转向连贯性（MSC）的工具，以确定我们可以通过转向远程创建连贯性的程度[15]。考虑到各种情况下量子共同的核心重要性，涵盖了从生物系统中的能量传输[16，17]到量子治疗方法[18，19]，量子转向与连贯性之间的联系揭示了转向在量子信息处理中的重要作用。最近在正式投影框架的几何形状中研究了连贯性，哪个条件信息和纠缠之间的相互作用[20]。绕开任何现实的量子系统都不可避免地与周围环境相互作用，这可能会对系统的连贯性产生有害影响。因此，发现保护量子相干性免受不需要相互作用的策略是基于量子技术的发展的至关重要的任务。在这种情况下，已经提出了几种策略，例如无腐蚀的子空间[21，22]，量子zeno效应[23，24]，以及弱测量和量子测量逆转原始原型，以控制变质[25，26]。这些策略非常困难，因为它们主要依赖于主系统的操作。
利用亚核尺度的量子信息探索量子理论的极限
量子力学是 20 世纪最成功的科学理论之一，它忠实地模拟了微观世界的现象。其最显著的特征——纠缠 [1] 和波粒二象性 [2]——的体现需要精确准备系统的状态并检测单个粒子。基于电磁相互作用的量子工程合适设备最近才出现。在理论方面，精确控制量子态的可能性催生了量子信息理论 [3]。将纠缠和相干性视为资源 [4] 引发了诱人的技术前景，包括量子计算 [5]、量子密码学 [6] 和量子传感 [7]。与此同时，量子场论源于量子力学与狭义相对论 [8] 的统一。它是粒子物理学标准模型的核心，为研究高能现象提供了极其精确的框架。量子理论的巨大成功引发了人们对其普遍性和有效性极限的质疑。是否存在一种违背基本量子原理的“后量子”理论？如果是这样，它将在哪种物理状态下显现？这些问题已从许多不同的角度展开。其中之一，早在 1960 年由路易·德布罗意 [9] 概述，假设对薛定谔方程进行非线性修正 [10, 11]，可能还修改了玻恩规则 [12, 13]。一类相关的理论寻求量子波函数坍缩背后的客观机制 [14]。最近发展出的一种独特策略基于非局域关联的可能性，这种关联比量子力学预测的关联更强 [15, 16, 17, 18]。然而，还有一条不同的路线，即从纯操作的角度将量子理论公理化，这开辟了一个更广泛的所谓广义概率理论框架（见 [19] 及其参考文献）。通常人们认为，如果有任何偏离标准量子理论的东西，那么它们可能与引力场的性质有关 [14]。这一假设指向两个有趣的物理区域。第一个区域由普朗克长度 1.6·10-35 m 量级的极短距离或普朗克能量 1.2·1019 GeV 左右的极大能量决定 [20, 21, 22]。第二种区域涉及尺寸 ≳10-6 m 和质量 ≳106 GeV/ c2 的宏观物体的量子叠加 [14, 23]。迄今为止，尚未有任何探索这两个领域的实验暗示出任何超越标准量子理论的新物理学[24, 25, 26]。
探索量子
量子物理学的反直觉方面在该理论的早期由著名的思想实验得到了说明，从爱因斯坦和玻尔的光子盒到薛定谔的猫。这些实验的现代版本涉及单个粒子 - 电子、原子或光子 - 如今已经在世界各地的许多实验室中实现。通过在受控环境中操纵这些简单系统，物理学家直接揭示了量子的奇特特性。状态叠加、纠缠和互补性定义了一种可用于信息处理的新型量子逻辑，为应用带来了巨大希望。本书描述了一类已经成熟的思想实验。在广泛且快速发展的研究领域中，我们选择详细分析在高 Q 腔中使用原子和光子进行的实验以及相关实验，涉及陷阱中的离子或光学晶格中的冷原子。在这些看似不同的领域中，相同的基本物理原理在起作用：两级自旋系统与量子谐振子相互作用。我们认为，与抽象的理想化实验相比，对这些真实的“自旋-弹簧”实验的描述更能具体地说明量子概念。尽管后者更易于分析，而且肯定会出现在量子力学的入门课程中，但我们认为，真正的“思想实验”应该成为中级或高级现代量子物理教学的核心。在实验室中进行这些实验的努力很大程度上是受到人们对量子信息在通信和计算中的实际应用的希望所引发的。相反，这个快速扩展的研究领域必将对量子概念的教学和学习产生越来越大的影响。处理真实系统必然涉及描述这些系统与其不可避免的环境之间的相互作用，换句话说，就是讨论松弛和退相干。这些现象由一种形式主义（密度算子或随机蒙特卡罗方法）描述，它取代了基本量子物理学的简单状态描述。掌握这种方法并理解退相干可以深入了解量子的一个重要方面，即它与经典物理学的关系。在量子时代的黎明，人们发明了思想实验来说明量子-经典边界的令人费解的特征。因此，理解这些实验的现代版本也必须解决这个重要问题，这并不奇怪。从描述基本量子实验的简单目标开始
量子力学
本脚本是圣保罗大学 (USP) 圣卡洛斯物理研究所 (IFSC) 开设的几门研究生课程的综合。这些课程包括量子力学 (SFI5774)、原子和分子物理学 (SFI5814)、量子力学 B (SFI5707)、光与物质的相互作用 (SFI5905) 和原子光学 (SFI5887)。当然，这些课程的主题是紧密相连的。本综合脚本的目的是强调主题之间的相互联系，并促进对它们之间关系的理解。在第一部分中，我们介绍了量子力学，它是本书其余部分的基础理论。在第二部分中，我们重点介绍原子的结构。在第三和第四部分中，我们研究光的性质、光与单个原子和原子集合的相互作用以及相互作用如何受到腔和表面的影响。最后，在第五部分中，我们介绍了物质波的光学。本课程面向物理学硕士和博士生。脚本是一个初步版本，会不断进行更正和修改。欢迎随时通知错误并提出改进建议。脚本包含练习，可从作者处获得答案。有关课程的信息和公告将在网站上发布：http://www.ifsc.usp.br/ strontium/ − > 教学 − > 学期 学生的评估将基于书面测试和学生选择的特别主题的研讨会。在研讨会上，学生将在 15 分钟内介绍所选主题。他还将以数字形式提交一份 4 页的科学论文。可能的主题有： - 观察两个离子的超辐射和亚辐射自发辐射（Exc. 21.2.4.9）， - 压缩态（Sec. 15.3）， - Jaynes-Cummings 模型（Sec. 15.4）， - 量子投影噪声（Sec. 16.3.2）， - 量子门（Sec. 22.3）， - 量子蒙特卡罗波函数模拟方法（Sec. 16.1.2）， - 量子芝诺效应（Sec. 16.3.1）， - 布洛赫方程：推导和解释（Sec. 14.4）， - 量子跳跃、其历史和观察（Sec. 16.1.2）， - 薛定谔的猫（Sec. 16.1.1）， - 爱因斯坦-波多尔斯基-罗森假设及其实验证伪（Sec. 22.1.1 ), - Elitzur 和 Vaidman 炸弹测试问题 (16.1.3 节 ), - 拓扑相和 Aharonov-Bohm 效应 (16.4 节 ), - 量子非拆除测量 (16.3.3 节 ), - 根据费米黄金法则计算光电效应 (Exc. 5.4.5.7 ), - 量子关联和 Young 和 Hanbury-Brown-Twiss 实验 (15.5.1 节 ), - Hartree-Fock 方法 (11.3.3 节 ), - 用高斯波包描述的自由粒子的时间演化, - WKB 近似 (5.3 节 ), - 里德堡原子 (9.4.4 节 ), - 氦原子 (11.2 节 ),
![arXiv:2005.07874v2 [physics.ed-ph] 2020 年 5 月 26 日](/simg/1\175141e37cda04ac2df89d771e249bc886bd99f4.webp)
arXiv:2005.07874v2 [physics.ed-ph] 2020 年 5 月 26 日
过去几年，随着全球产业和政府的巨额投资，量子信息科学与技术 (QIST) 领域得到了巨大的扩展。随着该领域的扩展，对 QIST 的劳动力需求和公众对它的了解也在不断增加，至少是在表面层面上。学生在科普文章中阅读有关量子计算和相关技术的文章，变得好奇并渴望了解更多信息。然而，他们进入这些领域存在障碍，因为他们通常必须学习物理 (或相关领域) 课程，而且即使这样，他们也只能在大四，或者最多大三的时候学习和使用量子力学 (QM) 工具。这是因为，传统上，学生首先要花大量时间学习在位置空间中解薛定谔方程，然后才能看到有限希尔伯特空间问题，例如磁场中的自旋。有些书籍 [1, 2] 从有限希尔伯特空间开始，这使得该主题更容易理解，因为在这种情况下，主要先决条件是线性代数。事实上，人们可以在不上过量子力学课程的情况下学习量子信息，而且有些教科书采用这种方法，例如 Mermin 撰写的关于量子计算的优秀书籍 [3]。参考文献 [4] 介绍了一个量子计算高中模块，它也从有限希尔伯特空间开始，并假设学生具备线性代数知识。然而，后者可能是一个障碍，因为线性代数通常不在标准高中课程中涵盖。一般来说，现有资源要求学生掌握高中所学内容以外的一些高等数学知识，然后他们才能有意义地解决问题并真正理解 QIST。在这里，我们描述了我们两个人（EB、SEE）在 NSF 赞助的 EFRI 项目下开发的一个推广计划。我们的方法部分基于我们中的一位 (TR) 在 2015 年设计的一种简单机器，当时我们被要求在英国的一个 12-14 岁数学夏令营教授一些量子计算课程，后来在 2017 年初在卢旺达非洲数学科学研究所为期一周的系列讲座中对其进行了改进。这些讲座面向具有统计学和数据分析背景的硕士生。该课程的讲义被编入《Q is for Quantum》[5] 一书中，该书让没有任何线性代数（或其他复杂数学）背景的学生能够充分了解量子信息的基础知识并执行简单的计算。该书第一部分的 pdf 副本可在 qisforquantum.org 免费获取。此后，我们将该书及其引入的形式称为 QI4Q。 EB 和 SEE 开发的其余外展计划使用 IBM Quantum (IBM Q) Experience 模拟器和设备，学生可以在其中运行电路并将结果与他们使用 QI4Q 形式进行的纸笔工作进行比较。最后阶段涉及我们其中一人（EB）开发的一款量子游戏，名为“金钱或老虎”。总而言之，外展计划有四个要素：