量子光学与量子信息

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1、量子光学与量子信息摘要：量子光学是应用辐射的量子理论研究光辐射的产生、相干统计性质、传输、检测 以及光与物质相互作用中的基础物物理问题的一门学科。关键字：量子光学量子信息JC模型TC模型早在1900和1905年，普朗克和爱因斯坦就提出了光量子假说并成功解释了黑体辐射谱 分布与光电效应，确定了光具有波粒二象性的基本物理思想。然而长期以来由于经典电磁辐 射理论能完满地解释绝大多数物理光学实验现象光的量子理论并未得到系统发展。直到2O 世纪7O年代以后，随着激光与光电子技术的进步,一系列用经典理论无法解释的非经典光学 效应逐步被实验观测，才形成了以量子化光场为基础的量子光学学科领域。光量子或称光子为

2、基本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学基本规律，严格地说只 有用QED理论，才能解释迄今为止所观察到的所有光学现象。量子光学用量子电动力学理论 研究光场的量子性和相干性，以及光与原子相互作用的量子力学效应。当前，量子光学中应用 性较强的重要研究领域有:光场的量子噪声,光场与物质相互作用中的动量传递、腔量子电动 力学等。在光学与原子物理这门课程的学习中，我们了解到了量子化这个概念。那么，量子光学 在科技实验研究中有哪些应用呢？首先，量子光学的原理和理论基础为：热辐射基尔霍夫定律一. 热辐射1. 热辐射：在一定时间内辐射能量的多少及能量按波长的分布都与物体的温度有关，故称 电磁辐射为热辐射（温度

3、辐射）；辐射能（T,人），如炉子，酒精灯2. 平衡热辐射：相同时间内辐射与吸收的能量相等，T不变.辐出度（辐射出射度，发射本领）1. 单色辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在人人+办范围内辐射能量dE （T）和波长间隔办的比值 人e（T）=dE? (T )d人2. 辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。3E(T ) = j e( X,T 0吸收比、反射比1. 吸收比：a(T )=J单色吸收比：a( X,T ) = B(，T) J( X,T)2. 反射比：p (T ) = RJ单色反射比：p(X,T ) = R(X,T ) J(

4、X ,T)不透明物体：a( X ,T) +p (X ,T) = 1四. 绝对黑体(黑体)1. 定义：a( X ,T) = 1的物体是理想模型，可用一带有小孔的空腔近似黑色物体：吸收所有入射可见光黑洞：a( X ,T) = 1 且 e( X ,T ) = 02. 灰体：a( X,T) =n v才会产生光电效应（P. 222表20 1，各种常用金属的红限频率）光电效应第三定律：当光射到某一给定的金属时，无论入射光的强度如何，当其频率小于V 0时，则不会产生光电效应;4.光电效应的时间： 10-8s三.光电效应与光的波动理论的矛盾1. 光子的初动能：mv 2 = ek v eU 20按波动说，应取决

5、于入射光强I2.光电效应的时间： 10-8s按波动说，入射光越弱，其积累能量的时间越长，电子获得足够的能量才能逸出。四. 光子假设 爱因斯坦方程(1905年)逸出功：电子逸出物体表面所需的最小能量。1. 光子假设一光具有粒子性 光是运动着的粒子流一光子 每个光子的能量为= h V如：hc人=500 nm n s = h V =? = 3.98 x 10 -19 (J )入 光的能流密度：S = nhvn :单位时间内通过垂直于传播方向单位面积的光子数。2. 爱因斯坦方程hv =1 mv 2 + A2金属中的电子吸收一个光子的能量一逸出功+光电子的初动能 解释： I X Ne : I Tn光子数

6、Tn光电子数个1( h = ek -mv2 = hV-A | hv = AUJ = kv-U0 A = eU0|uj :遏止电压，U 0 :逸出电位耳 A A V =0 h ek光电子动能不小于零t X0的射线（康普顿散射）2. 原子量小的物质，康普顿散射较强；原子量大的物质，康普顿效应较弱（吴为主）;3. 波长的增量与散射角有关，与散射物质无关=，-，0人=$讯 2 = 0.00486 sin 2 nmm c 22AX = (1 - cos ) = 0.00243( 1 - cos )nm mc四.理论解释1. 经典散射，用经典电磁理论：受迫振动频率等于入射线频率；2. 康普顿散射，用光子的

7、概念：光子与电子弹碰，能量、动量守恒量子光学一：场与物质(原子、质子、分子)相互作用模型1、JC模型1963年，E. T. Jaynes和F. W. Cumm ings两人曾经提出了表征单模光场与单个理想二能 级原子单光子相互作用的所谓Jaynes-Cummings模型，这就是历史上著名的标准JCM ,它是 一个数学意义上的严格精确可解模型。腔体量子电动力学是近年来量子光学和原子物理的一个重要研究领域，它研究的对象是 在电磁谐振腔中的单个原子和一些光子相互作用。近年来，在原子和场两方面都观测到了一 些崭新的现象，如原子的自发辐射率的改变、原子能级的移动以及腔内电磁场非经典性质等1。 Jayne

8、s -Cummings (J-C)模型2研究的是空腔中单个二能级原子和单模电磁场的相互作用问题。 J -C模型是腔体量子电动力学中的一个最简单和最典型的模型,也是量子光学中少数精确可 解的模型之一。近年来,J-C模型不论在理论还是在实验方面均受到了人们广泛的关注1。1963年Jaynes和Cummings提出了解决原子和光场作用问题的一种简单模型一J-C模型， 可以简单方便地描述两个定域二能级原子与光场的相互作用问题。由于该模型有精确可解的 解析解，所以成为近代量子光学中研究问题的基础。J-C模型在偶极近似和旋转波近似下的 哈密顿量。Hrwa -hco)Sz rha)a+a gh(aS +(L

9、I)式吐皿和H为频率为由的单模光场的产生利湮灭算符，见和是描述本征跃迁频率为翊的二能级原子行为的鹰自旋算符，g为原子和光场的耦合常数，它反映原子当光场相互作用的强度，11式右边第-项对应于裸原子 的能量，第:项对传光场的能量，第二项表征.光场与原子的相互.作用能FEtg/Sf）（1.2）这种相互作用能表明在原子跃迁时伴随光子的发射和吸收过程（1.1）式可以分解为g =乩（13）F为裸原子.与光场无耦合时的能量算符仇=力& +於砌口（14）则很容易看到W之间满足【1-。（L5）2、TC模型1968年，他们又提出了处理两个定态全同二能级原子与单模场相互作用体系的模型其哈密顿量的具体形式为H成疙足+

10、由a宠叩+如+S）（区）位 I1-1共振时，旗光场的频率刃等于原子的玄征跃迁频率西，其相互作用哈密顿量为+於$舛)(1.7)i-r其中义e、土分别为表征原子行为的反转和跃迁算符，皿是原子本征 跃迁频率，m是光场频率，和口分别为光场的产生与湮灭算符，g为光场 乌原了的耦合系数，Q为原子间的耦合强度，也于匚模型在-定条件下有精确解，而且乂比最简单的J-C模型更贴 近实苏问题，因而人N对TC模型中的各种量了信息和量子光学现象进行了 不同程度的研究口研究表明，境子何的偶极相互作用对光场与原子相互作用 系统的宣子特性具有非常重要的影响。黄春佳等1261研究了单模辐射场与 耦台双原子相互一作用系统场崎的演

11、化恃性，讨论了原了间偶极相互作用对场 炳演化特性的影响.田永红等L27对T-C模型中光场的非经典性质做了一 些讨论口Bogohkibov等1,28对加入kerr非线性介质项或斯塔克分裂项的T-C模 型椎广的解进行：讨:ft. J. Seke等1.29研究了多原子与Fock态光场相互作 用下,其中包括了 T-C模型中的情况，原子数呈现的量子崩塌回复现象. 总之，T-C模骡中量子光学卸量子信息特性的研究仍在不断的发展完善中，以下的就不再赘述。二：腔内原子辐射谱与腔内分子辐射谱腔内原子的辐射谱是当前量子光学领域内有关光与物质相互作用机理研究方面的一个 十分活跃的前沿课题。腔内原子的辐射谱，由于其结构

12、特征直接反映了原子与原子之间、以 及原子与腔场之间相互作用的性质和相互作用规律因而对这一问题进行深入研究，既具有 重要的学术价值，又可开辟出一系列新的应用途径。三：光子反聚束效应光子反聚束效应也是量子光场特有的非经典现象之一。光子反聚束效应是通过二阶相干 度来体现光场的非经典特征的。理论研究表明：仅在单模情况下，亚泊松光子统计与光子反 聚束效应这两者等价。目前，关于这一领域的研究国内外均已有许多报道，甚至有人已经提 出了光子高阶反聚束的概念。当前及21世纪初人们应将研究目标主要集中在以下3个方面： 第一，研究双模及多模辐射光场的光子反聚束及高阶反聚束效应。探索场一原子之间以 及原子一原子之间的

13、各种非线性相互作用对光子反聚束及高阶反聚束效应的影响。第二，研 究模间的经典与非经典量子关联性对光子反聚束及高阶反聚束效应的影响。第三，探索高阶 反聚束光的产生、测量、控制以及最佳技术应用途径等。总之，量子信息作为量子理论和信息科学交叉结合的产物，量子信息技术具有广阔的应用前景。一、什么是量子信息？近20年来，量子力学除了更深入地应用于物理学本身许多分支学科之外，还迅速广泛 地应用到了化学、生物学、材料科学、信息科学等领域。量子理论这种广泛，深入应用的结 果、极大地促进了这些学科的发展，从根本上改变了它们的面貌，形成了众多科学技术研究 热点，产生了许多崭新的学科；与此同时，量子力学本身也得到了

14、很大的丰富和发展。热点之一就是已经诞生、正在形成和发展中的量子信息科学量子通信和量子计算机，简称为量子信息论。它是将量子力学应用于现有电子信息科学技术而形成的交叉学科。 量子信息论不但将以住的经典信息扩充为量子信息，而且直接利用微观体系的量子状态来表 达量子信息。从而进入人为操控、存储和传输量子状态的崭阶段。近10多年来，量子信息论从诞生到迅猛发展，显示出十分广阔的科学和技术应用前景。 这种崭新的交叉结合已经并正在继续大量生畏出许多科学技术研究热点，并逐渐形成一片新 兴广阔的研究领域，不断取得引人瞩目的辉煌成就。量子信息论的诞生和发展，在科学方面有着深远的意义。因为它反过来极大地丰富了量 子理

15、论本身的内容，并且有助于加深对量子理论的理解，突出暴露并可能加速解决量子理论 本身存在的基础性问题。借助这一新兴交叉学科的实验技术，改造量子力学基础，加速变革 现有时空观念，加深对定域因果律的认识也许是可能的。二、国内外量子信息专业的发展状况2006年9月1日4日，来自世界21个国家和地区的近200名科技人员聚集在北京友 谊宾馆，参加由中国科大量子信息国家重点实验室举办的亚洲量子信息科学会议。在这次会 议中首次提出量子隐形传态思想、首次提出第一个量子密钥分配协议的IBM研究机构科学 家Chair C.H.Bennett接受采访时说：“量子信息现在还是个婴儿!”但鉴于量子信息科学技术 的巨大发展

16、潜力，目前已受到各国政府、科技专家和公众的广泛关注。1、国外量子信息的研究和进展：国际上重要的西方国家（美、英、法、加拿大、以色列、日本、瑞典、奥地利、意大利、 瑞士等），特别是美国和欧盟均投入大量人力物力于量子通讯和量子计算的理论和实验研究， 量子信息已成为学术界的热门课题，其发展十分迅猛，参与研究的国家、机构和人员日益增 多，有关国际会议连接不断。2、国内量子信息的研究状况2003年11月中科院上海光机所量子力学重点实验室首次实现了量子信息存储，对光通 信和光量子信息处理领域具有潜在的科学价值和应用价值。2006年中国基础科学研究领域13项重大发展中第4项为：实现光纤通信中抗干扰量子密码分

17、配方案，该方案保证 了长距离光纤量子通信的安全和质量。2007年2月科技文摘报报道：我国刷新光子纠缠和量子计算领域的世界纪录。中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室的工作人员 潘建伟和他的同事杨涛等，最近通过实验成功制备出国际上纠缠光子数最多的薛定谔猫态和 可以直接用于量子计算的簇态，刷新光子纠缠和量子计算领域的两项世界纪录。2007年4 月2日我国第一个量子密码网络系统在京测试运行成功。4月3日上午，中国科学技术大学 在北京举行新闻发布会，正式向外界透露：由中国科学技术大学教授、中科院院士郭光灿领 导的中科院量子信息重点实验室，利用自主创新的量子路由器，日前在北京网通公司商用通 信网络上率

18、先完成四用户量子密码通信网络的测试运行并确保了网络通信的安全。据悉，这 是迄今为止国际公开报道的唯一无中转、可同时、任意互通的量子密码通信网络，标志着量 子保密通信技术从点对点方式向网络化迈出关键性的一步。今年3月，该课题组在北京网通 的商用光纤线路上进行多用户的测试运行，四个用户节点的分布构成方式为北京市朝阳区的 望京-东小口 -南沙滩-望京，路由器位于东城区的东皇城根地区，用户之间最短距离约 32千米，最长约42.6千米。测试系统演示了一对三和任意两点互通的量子密钥分配，并在 对原始密钥进行纠错和提纯基础上，完成了加密的多媒体通信实验。总结：在量子力学中，量子信息(quantum info

19、rmation)是关于量子系统“状态”所带有的物理 信息。通过量子系统的各种相干特性(如量子并行、量子纠缠和量子不可克隆等)，进行计算、 编码和信息传输的全新信息方式。量子通信(Quantum Teleportation)是指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型的 通讯方式。量子通讯是近二十年发展起来的新型交叉学科，是量子论和信息论相结合的新的 研究领域。量子通信主要涉及：量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等，近来这门 学科已逐步从理论走向实验，并向实用化发展。高效安全的信息传输日益受到人们的关注。 基于量子力学的基本原理，量子通信具有高效率和绝对安全等特点，并因此成为国际上量子 物理和信息科学的研究热点。现在量子信息主要处于试验阶段，实际应用还不是很多，如果你以后做学术研究可以考 虑，但就业前景近期不是很好。目前量子信息研究比较领先的高校是中国科技大学。参考文献：1 张礼,葛墨林.量子力学的前沿问题M.北京:清华大学出版社,2000.2 Jaynes E T, Cummings F W. Proc. IEEE J. 1963,51: 89.