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量子光学

物理学的一个分支

量子光学（英语：Quantum optics）是在1990年后成熟的新兴物理学分支，是原子分子与光物理的一部分，也和冷原子物理紧密相连。与凝态物理、粒子物理学、宇宙学等其他成熟分支相比，在精密的实验和理论上，有着紧密、具建设性的互动。量子光学以半经典物理学及量子力学的方式来研究“光的现象”以及“光和物质在亚微观尺度下的相互作用”。在1960年因为汉伯里·布朗及特维斯效应刺激而发展出理论基础，讨论不同程度的量子相干性，如为零，是典型的单光子量子源判准。量子光学主要研究光子和原子的量子相互作用，常见的实验研究工具为镭射及离子井。

历史

光在真空传递的能量及动量为量子化的，量子化对应着光子的粒子数，量子光学也就是研究量子化的光子本性和影响的学科，首先的重要发展在1899年，普朗克假设光的能量是以离散单位来发射，该假设正确描述了黑体辐射。随后在1905年，爱因斯坦解释光电效应的论文更进一步为量子化带来证据，因此爱因斯坦荣获了1921年的诺贝尔奖。尼尔斯·玻尔指出光辐射的量子化假设与他的原子量子化能级理论相符，特别是氢的发射光谱。这些发展为光与物质之间的相互作用带来的理解，对于整体量子力学的发展至关重要。然而，这项用于处理“物质-光相互作用”的量子力学子领域，主要被认为是对物质的研究而不是对光的研究; 因此在1960人们称其为“原子物理学”和“量子电子学”。对这些装置的原理、设计、应用的研究使镭射科学成为一个重要的领域，当今研究镭射原理的量子力学，更加强调光的性质，因此人们也习惯了称其为“量子光学”。

由于镭射科学需要良好的理论基础，加上基础的研究成果丰硕，人们对量子光学的兴趣也随之上升。继狄拉克在量子场论领域的工作之后，在1950年代和1960年代，George Sudarshan、Roy J. Glauber和Leonard Mandel将量子理论应用于电磁场，更详细理解了光探测和光统计(参见相干度(degree of coherence)（英语：degree of coherence）)。这引入相干态的概念来解决镭射、热光、奇异压缩态等之间的变化问题，因为人们已经认识到光不仅仅为经典图像中描述波的电磁场。1977年，Kimble等人展示了一次发射单光子的单原子，进一步地证明了光是由光子组成的。随后发现了特征与经典状态不同的未知光量子态，例如压缩光（英语：Squeezed states of light）。

透过Q开关和锁模技术开发了短脉冲和超短冲镭射脉冲，其发展开启了超快过程的研究。

量子光学发现了固态方面的应用（例如拉曼光谱​​），也研究了光作用在物质上的机械力。后者可透过镭射束对光学陷阱或光镊中的原子云或甚至微小的生物样品悬浮和定位。这个技术与多普勒冷却同为实现著名的玻色 - 爱因斯坦凝聚的关键。

其他显著的成果有量子纠缠、量子隐形传态和量子逻辑门。量子信息理论部分来自量子光学，部分来自理论计算机科学，量子信息领域对量子逻辑门非常感兴趣。

今天量子光学研究人员感兴趣的领域包括参量下转换，参数振荡，甚至更短（阿秒）光脉冲，量子光学在量子信息的使用，单原子的操纵，玻色 - 爱因斯坦凝聚，它们的应用，以及如何操纵它们（一个通常称为原子光学的子场），相干的完美吸收器(Coherent perfect absorber)等等。量子光学术语下分类的主题中，现代术语“光子学”通常是指应用于工程和技术创新的学科。

多次诺贝尔奖授予了量子光学方面的工作。被授予者如下：

  • 2012年，Serge Haroche 和 David J. Wineland，“开创了能够测量和操纵单个量子系统的突破性实验方法”。[1]
  • 2005年，Theodor W. Hänsch、Roy J. Glauber 和 John L. Hall。[2]
  • 2001年，Wolfgang Ketterle、Eric Allin Cornell 和 Carl Wieman。[3]
  • 1997年，Steven Chu、Claude Cohen-Tannoudji 和 William Daniel Phillips。[4]

观念

根据量子理论，光不仅仅只被视为电磁波，也可以被看作在真空中以光速c行进的粒子流，称为光子。这些粒子不该当作经典的台球，而是量子力学中在有限范围内以波函数描述的粒子。

每个光子携带一量子的能量，其值为hf，h为普朗克常数，f为光的频率。当原子发射出光子，光子的能量对应于内部离散能级的跃迁，物质吸收光子则是相反的过程，爱因斯坦对自发辐射的解释也预测受激辐射的存在，受激辐射即镭射的原理，而镭射的发明则要等到多年后有了居量反转的方法后才得以实现。

统计力学是量子光学的观念基础：光以场的创生算符与湮没算符来描述，也就是以量子电动力学的语言来描述。

光场最常用到的态是1960由E.C. George Sudarshan 引入的相干态，这种状态可以用来近似描述高于镭射阈值的单频镭射器的输出，表现出泊松光子数统计，通过某些非线性相互作用，应用具超泊松光子统计（英语：Super-Poissonian distribution）或亚泊松光子统计的压缩算符，可以将相干态转换为压缩相干态。这种光被称为压缩光。其他重要的量子观点，与不同光束之间的光子统计相关。例如，自发参量下转换可以产生所谓的“双光束”(twin beam)，理想情况下，一个光束的每个光子与另一个光束中的一个光子相关联。

原子被认为是具有离散能谱的量子力学振荡器，根据爱因斯坦的理论，能量本征态之间的跃迁由光的吸收或发射驱动。

对于固态物质，人们使用固态物理的能带模型。这对理解实验中常用的固态元件如何侦测光是很重要的

量子电子学

量子电子学是一个术语，主要用于20世纪50年代到70年代之间，用来表示处理量子力学对物质中电子行为的影响的物理领域，以及它们与光子的相互作用。现在被其他领域所合并，很少被视为一个子领域，。固体物理学经常考虑量子力学，并且通常与电子有关。半导体物理即量子力学在电子学中的具体应用。该术语还包括镭射操作的基本过程，现在作为量子光学的一个主题进行研究。 这个术语的使用涵盖了量子霍尔效应和量子细胞自动机的早期工作。

 
麻省理工学院官网首页报道唐-崔瑟豪斯理论 (Tang-Dresselhaus Theory) 对不同尺度体系中电子输运性质的描述

在量子电子体系中，相较于弹道输运和扩散输运，量子跃迁所产生的电子输运称为主导。根据达尼尔∙罗德于贝尔实验室提出的罗德理论[5][6] 与唐爽和崔瑟豪斯夫人于麻省理工学院提出的唐-崔瑟豪斯理论,[7][8][9][10][11] 量子尺度的电子输运机制依然能由单个电子携带的熵变最大值推知，而此最大值可以通过热功率测得。

实验

近三十年来重要的量子光学实验包括：

注释

  1. ^ The Nobel Prize in Physics 2012. NobelPrize.org. [2018-10-11]. （原始内容存档于2012-10-11） （美国英语）. 
  2. ^ The Nobel Prize in Physics 2005. NobelPrize.org. [2018-10-11]. （原始内容存档于2018-06-12） （美国英语）. 
  3. ^ The Nobel Prize in Physics 2001. NobelPrize.org. [2018-10-11]. （原始内容存档于2014-10-21） （美国英语）. 
  4. ^ The Nobel Prize in Physics 1997. NobelPrize.org. [2018-10-11]. （原始内容存档于2015-09-24） （美国英语）. 
  5. ^ Rode, Daniel. Electron mobility in direct-gap polar semiconductors. Physical Review B. 1970, 2: 1012. doi:10.1103/PhysRevB.2.1012. 
  6. ^ Rode, Daniel. Low-field electron transport. Semiconductors and Semimetals. 1975, 10: 1–89. doi:10.1016/S0080-8784(08)60331-2. 
  7. ^ Tang, Shuang; Dresselhaus, Mildred. New Method to Detect the Transport Scattering Mechanisms of Graphene Carriers. 2014. arXiv:1410.4907  . 
  8. ^ Tang, Shuang. Extracting the Energy Sensitivity of Charge Carrier Transport and Scattering. Scientific Reports. 2018, 8: 10597. doi:10.1038/s41598-018-28288-y. 
  9. ^ Xu, Dongchao. Detecting the major charge-carrier scattering mechanism in graphene antidot lattices. Carbon. 2019, 144: 601–607. doi:10.1016/j.carbon.2018.12.080. 
  10. ^ Tang, Shuang. Inferring the energy sensitivity and band gap of electronic transport in a network of carbon nanotubes. Scientific Reports. 2022, 12: 2060. doi:10.1038/s41598-022-06078-x. 
  11. ^ Hao, Qing. Transport Property Studies of Structurally Modified Graphene (报告). Arlington, VA: Defense Technical Information Center. 2019 [2023-07-25]. （原始内容存档于2023-06-30）. 

参阅

外部链接

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