1、量子光學與量子信息摘要：量子光學是應用輻射的量子理論研究光輻射的產生、相干統計性質、傳輸、檢測以及光與物質相互作用中的基礎物物理問題的一門學科。關鍵字：量子光學 量子信息 JC模型 TC模型早在1900和1905年,普朗克和愛因斯坦就提出了光量子假說,并成功解釋了黑體輻射譜分布與光電效應,確定了光具有波粒二象性的基本物理思想。然而,長期以來由于經典電磁輻射理論能完滿地解釋絕大多數物理光學實驗現象,光的量子理論并未得到系統發展。直到2O世紀7O年代以后,隨著激光與光電子技術的進步,一系列用經典理論無法解釋的非經典光學效應逐步被實驗觀測,才形成了以量子化光場為基礎的量子光學學科領域。光量子或稱光子

2、為基本能量單元的量子化光場遵循量子電動力學基本規律,嚴格地說只有用QED理論,才能解釋迄今為止所觀察到的所有光學現象。量子光學用量子電動力學理論研究光場的量子性和相干性,以及光與原子相互作用的量子力學效應。當前,量子光學中應用性較強的重要研究領域有:光場的量子噪聲,光場與物質相互作用中的動量傳遞、腔量子電動力學等。在光學與原子物理這門課程的學習中，我們了解到了量子化這個概念。那么，量子光學在科技實驗研究中有哪些應用呢？首先，量子光學的原理和理論基礎為：熱輻射 基爾霍夫定律一 熱輻射1熱輻射：在一定時間內輻射能量的多少及能量按波長的分布都與物體的溫度有關，故稱電磁輻射為熱輻射（溫度輻射）；輻射能

3、()，如爐子,酒精燈2平衡熱輻射：相同時間內輻射與吸收的能量相等，T不變二 輻出度(輻射出射度,發射本領)1 單色輻出度：單位時間內從物體表面單位面積上向各個方向所發射的波長在范圍內輻射能量和波長間隔的比值2 輻出度：單位時間內從物體表面單位面積上向各個方向所發射的各種波長的輻射總能量。三 吸收比、反射比1 吸收比：單色吸收比：2 反射比：單色反射比：不透明物體：四 絕對黑體（黑體）1 定義：的物體是理想模型，可用一帶有小孔的空腔近似黑色物體：吸收所有入射可見光黑洞：且2 灰體：五 基爾霍夫定律熱平衡狀態時，任何物體的單色輻出度與單色吸收比之比，等于同溫度條件下絕對黑體的單色輻出度因此，“絕對

4、黑體的單色輻出度”，是當時研究的尖端課題。推論： 若TATB，則輻射多的吸收也多，不能輻射亦不能吸收； 一定時，絕對黑體輻射和吸收的能量比同溫度下的其它物體都多。絕對黑體的輻射定律一 實驗研究1 裝置2 結果二 實驗定律1 維恩位移定律2 斯特藩玻爾茲曼定律普朗克公式一 前人的工作1 瑞利金斯的工作：經典的電磁場理論能量均分原理；此公式長波段與實驗符合得很好2 維恩的工作：經典的電磁場理論玻爾茲曼麥克斯韋分布；此公式短波段與實驗符合得很好,“把物理學直接引到了量子物理的大門口”,獲1911年諾貝爾獎二 普朗克公式此公式獲得了巨大的成功 ：1 圓滿解釋了實驗曲線；2 可導出斯特藩玻爾茲曼定律3

5、可導出維恩位移定律。三 普朗克假設：1 空腔黑體可用一些線性諧振子來代表；2 諧振子只能處于某些特殊的不連續的狀態中，它們的能量只能是的整數倍；3 發射和吸收的能量只能是的整數倍。四 歷史回顧1894年起，普朗克從熱力學研究中轉到黑體輻射問題上，那里“風平浪靜”。他的目標是追求熵原理與電動力學的協調一致18971899年,五篇報告總題目為“不可逆輻射過程”-柏林科學院；維恩公式，他很快接受，并用更系統的方法推導之1900年2月得知維恩公式有長波段偏差顯著1900.10.7，魯本斯夫婦訪問了他，并告知一重要信息：瑞利公式在長波段與實驗符合得很好，當天即用內插法獲得新的輻射公式1900.12.14

6、，在德國赫姆霍茲研究所召開的德國物理學會會議上報告了他的革命性的發現：正常光譜中能量分布律的理論物理學史上公認這一天為量子論的誕生日：自然科學新紀元的開端1918獲諾貝爾獎光電效應 愛因斯坦方程一 光電效應：可見光或紫外光射到某些金屬表面上時，有電子從表面逸出的現象。實驗裝置：如圖二 光電效應的實驗規律1 光電子數與入射光強度間的關系光電效應第一定律；即：單位時間內從金屬表面逸出的光電子數與入射光的強度成正比2 光電子的最大初動能與入射光頻率間的關系:光電效應第二定律即：光電子的最大初動能隨入射光的頻率增大而線性增大，與入射光的強度無關。3 紅限頻率,光電效應第三定律，才會產生光電效應 （P2

7、22表201，各種常用金屬的紅限頻率）光電效應第三定律：當光射到某一給定的金屬時，無論入射光的強度如何，當其頻率小于時，則不會產生光電效應；4 光電效應的時間：三 光電效應與光的波動理論的矛盾1 光子的初動能：按波動說，應取決于入射光強2 光電效應的時間：按波動說，入射光越弱，其積累能量的時間越長，電子獲得足夠的能量才能逸出。四 光子假設 愛因斯坦方程（1905年）逸出功：電子逸出物體表面所需的最小能量。1 光子假設光具有粒子性 光是運動著的粒子流光子 每個光子的能量為如： 光的能流密度：單位時間內通過垂直于傳播方向單位面積的光子數。2 愛因斯坦方程金屬中的電子吸收一個光子的能量逸出功光電子的

8、初動能解釋： ：光子數光電子數 ：遏止電壓，：逸出電位 光電子動能不小于零 ：光子能量電子，無須能量積累時間3 愛因斯坦理論的驗證1916年，密立根進行了精密的測量，證明確為直線，且直線的斜率為。1923年獲獎4. 光子的能量、質量和動量五 對光的波粒二象性的理解1 同時具有，都是光的本性；2 不同時顯現；康普頓效應一 散射現象：光通過不均勻物質時，向各個方向發射的現象實驗發現：X射線金屬或石墨時，也有散射現象1922、1923年康普頓及其學生吳有順進行了系統研究二 實驗裝置：如圖三 實驗結果1 散射線中有與入射線波長相同的射線（經典散射,瑞利散射），也有的射線（康普頓散射）2 原子量小的物質

9、，康普頓散射較強；原子量大的物質，康普頓效應較弱（吳為主）；3 波長的增量與散射角有關，與散射物質無關四 理論解釋1 經典散射，用經典電磁理論：受迫振動頻率等于入射線頻率；2 康普頓散射，用光子的概念：光子與電子彈碰，能量、動量守恒量子光學一：場與物質（原子、質子、分子）相互作用模型1、JC模型1963 年, E. T. Jaynes 和F. W. Cumm ings 兩人曾經提出了表征單模光場與單個理想二能級原子單光子相互作用的所謂Jaynes-Cummings 模型, 這就是歷史上著名的標準JCM , 它是一個數學意義上的嚴格精確可解模型。腔體量子電動力學是近年來量子光學和原子物理的一個重

10、要研究領域,它研究的對象是在電磁諧振腔中的單個原子和一些光子相互作用。近年來,在原子和場兩方面都觀測到了一些嶄新的現象,如原子的自發輻射率的改變、原子能級的移動以及腔內電磁場非經典性質等1。Jaynes -Cummings (J-C)模型2研究的是空腔中單個二能級原子和單模電磁場的相互作用問題。J -C模型是腔體量子電動力學中的一個最簡單和最典型的模型,也是量子光學中少數精確可解的模型之一。近年來, J-C模型不論在理論還是在實驗方面均受到了人們廣泛的關注1。1963年Jaynes和Cummings提出了解決原子和光場作用問題的一種簡單模型J-C模型，可以簡單方便地描述兩個定域二能級原子與光場

11、的相互作用問題。由于該模型有精確可解的解析解，所以成為近代量子光學中研究問題的基礎。J-C模型在偶極近似和旋轉波近似下的哈密頓量。這種相互作用能表明在原子躍遷時伴隨光子的發射和吸收過程"(1.1)式可以分解為2、TC模型1968年，他們又提出了處理兩個定態全同二能級原子與單模場相互作用體系的模型"其哈密頓量的具體形式為以下的就不再贅述。二：腔內原子輻射譜與腔內分子輻射譜腔內原子的輻射譜是當前量子光學領域內有關光與物質相互作用機理研究方面的一個十分活躍的前沿課題。腔內原子的輻射譜, 由于其結構特征直接反映了原子與原子之間、 以及原子與腔場之間相互作用的性質和相互作用規律, 因

12、而對這一問題進行深入研究, 既具有重要的學術價值, 又可開辟出一系列新的應用途徑。三：光子反聚束效應光子反聚束效應也是量子光場特有的非經典現象之一。光子反聚束效應是通過二階相干度來體現光場的非經典特征的。理論研究表明：僅在單模情況下，亞泊松光子統計與光子反聚束效應這兩者等價。目前，關于這一領域的研究國內外均已有許多報道，甚至有人已經提出了光子高階反聚束的概念。當前及21 世紀初人們應將研究目標主要集中在以下3 個方面: 第一，研究雙模及多模輻射光場的光子反聚束及高階反聚束效應。探索場原子之間以及原子原子之間的各種非線性相互作用對光子反聚束及高階反聚束效應的影響。第二，研究模間的經典與非經典量子

13、關聯性對光子反聚束及高階反聚束效應的影響。第三，探索高階反聚束光的產生、測量、控制以及最佳技術應用途徑等?？傊?，量子信息作為量子理論和信息科學交叉結合的產物，量子信息技術具有廣闊的應用前景。一、什么是量子信息？近20年來，量子力學除了更深入地應用于物理學本身許多分支學科之外，還迅速廣泛地應用到了化學、生物學、材料科學、信息科學等領域。量子理論這種廣泛，深入應用的結果、極大地促進了這些學科的發展，從根本上改變了它們的面貌，形成了眾多科學技術研究熱點，產生了許多嶄新的學科；與此同時，量子力學本身也得到了很大的豐富和發展。 熱點之一就是已經誕生、正在形成和發展中的量子信息科學量子通信和量子計算機，簡

14、稱為量子信息論。它是將量子力學應用于現有電子信息科學技術而形成的交叉學科。量子信息論不但將以住的經典信息擴充為量子信息，而且直接利用微觀體系的量子狀態來表達量子信息。從而進入人為操控、存儲和傳輸量子狀態的嶄階段。 近10多年來，量子信息論從誕生到迅猛發展，顯示出十分廣闊的科學和技術應用前景。這種嶄新的交叉結合已經并正在繼續大量生長出許多科學技術研究熱點，并逐漸形成一片新興廣闊的研究領域，不斷取得引人矚目的輝煌成就。 量子信息論的誕生和發展，在科學方面有著深遠的意義。因為它反過來極大地豐富了量子理論本身的內容，并且有助于加深對量子理論的理解，突出暴露并可能加速解決量子理論本身存在的基礎性問題。借

15、助這一新興交叉學科的實驗技術，改造量子力學基礎，加速變革現有時空觀念，加深對定域因果律的認識也許是可能的。二、國內外量子信息專業的發展狀況 2006年9月1日4日，來自世界21個國家和地區的近200名科技人員聚集在北京友誼賓館，參加由中國科大量子信息國家重點實驗室舉辦的亞洲量子信息科學會議。在這次會議中首次提出量子隱形傳態思想、首次提出第一個量子密鑰分配協議的IBM研究機構科學家Chair C.H.Bennett接受采訪時說：“量子信息現在還是個嬰兒！”但鑒于量子信息科學技術的巨大發展潛力，目前已受到各國政府、科技專家和公眾的廣泛關注。 、 國外量子信息的研究和進展： 國際上重要的西方國家（美

16、、英、法、加拿大、以色列、日本、瑞典、奧地利、意大利、瑞士等），特別是美國和歐盟均投入大量人力物力于量子通訊和量子計算的理論和實驗研究，量子信息已成為學術界的熱門課題，其發展十分迅猛，參與研究的國家、機構和人員日益增多，有關國際會議連接不斷。、國內量子信息的研究狀況 2003年11月中科院上海光機所量子力學重點實驗室首次實現了量子信息存儲，對光通信和光量子信息處理領域具有潛在的科學價值和應用價值。 2006年中國基礎科學研究領域13項重大發展中第4項為：實現光纖通信中抗干擾量子密碼分配方案，該方案保證了長距離光纖量子通信的安全和質量。 2007年2月科技文摘報報道：我國刷新光子糾纏和量子計算領

17、域的世界紀錄。中國科學技術大學微尺度物質科學國家實驗室的工作人員潘建偉和他的同事楊濤等，最近通過實驗成功制備出國際上糾纏光子數最多的薛定諤貓態和可以直接用于量子計算的簇態，刷新光子糾纏和量子計算領域的兩項世界紀錄。 2007年4月2日我國第一個量子密碼網絡系統在京測試運行成功。4月3日上午，中國科學技術大學在北京舉行新聞發布會，正式向外界透露：由中國科學技術大學教授、中科院院士郭光燦領導的中科院量子信息重點實驗室，利用自主創新的量子路由器，日前在北京網通公司商用通信網絡上率先完成四用戶量子密碼通信網絡的測試運行并確保了網絡通信的安全。據悉，這是迄今為止國際公開報道的唯一無中轉、可同時、任意互通

18、的量子密碼通信網絡，標志著量子保密通信技術從點對點方式向網絡化邁出關鍵性的一步。今年3月，該課題組在北京網通的商用光纖線路上進行多用戶的測試運行，四個用戶節點的分布構成方式為北京市朝陽區的望京 - 東小口 - 南沙灘 - 望京，路由器位于東城區的東皇城根地區，用戶之間最短距離約32千米，最長約42.6千米。測試系統演示了一對三和任意兩點互通的量子密鑰分配，并在對原始密鑰進行糾錯和提純基礎上，完成了加密的多媒體通信實驗?？偨Y：在量子力學中，量子信息(quantum information)是關于量子系統“狀態”所帶有的物理信息。通過量子系統的各種相干特性(如量子并行、量子糾纏和量子不可克隆等)，進行計算、編碼和信息傳輸的全新信息方式。量子通信（Quantum Teleportation）是指利用量子糾纏效應進行信息傳遞的一種新型的通訊方式。量子通訊是近二十年發展起來的新型交叉學科，是量子論和信息論相結合的新的研究領域。量子通信主要涉及：量子