量子光学与量子信息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（温度辐射）；辐射能(λ,T )，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 不变二． 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λλλd ~+范围内辐射能量)T (dE λ和波长间隔λd 的比值λλλd )T (dE )T (e = 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。
λλd )T ,(e )T (E ⎰∞=0三． 吸收比、反射比1． 吸收比：J B )T (a =单色吸收比：)T ,(J )T ,(B )T ,(a λλλ=2． 反射比：J R )T (=ρ 单色反射比：)T ,(J )T ,(R )T ,(λλλρ= 不透明物体：1=+)T ,()T ,(a λρλ四． 绝对黑体（黑体）1． 定义：1=)T ,(a λ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洞：1=)T ,(a λ且0=)T ,(e λ2． 灰体：1<=ηλ)T ,(a五． 基尔霍夫定律热平衡状态时，任何物体的单色辐出度与单色吸收比之比，等于同温度条件下绝对黑体的单色辐出度)T ,(e )T ,(a )T ,(e B i i λλλ= 因此，“绝对黑体的单色辐出度”，是当时研究的尖端课题。
推论：①若T A ＝T B ，则辐射多的吸收也多，不能辐射亦不能吸收； ②λ一定时，绝对黑体辐射和吸收的能量比同温度下的其它物体都多。
绝对黑体的辐射定律一． 实验研究 1． 装置2． 结果二． 实验定律1． 维恩位移定律b T m =⋅λK m .b ⋅⨯=-31089722． 斯特藩－玻尔兹曼定律4T )T (E B σ=42810675---⋅⋅⨯=K m W .σ普朗克公式一．前人的工作 1． 瑞利－金斯的工作：经典的电磁场理论＋能量均分原理；42-=λπλckT )T ,(e B此公式长波段与实验符合得很好2． 维恩的工作：经典的电磁场理论＋玻尔兹曼－麦克斯韦分布；T hcB e hc )T ,(e λλπλ--=522此公式短波段与实验符合得很好,“把物理学直接引到了量子物理的大门口”,获1911年诺贝尔奖二． 普朗克公式1252-=-T k hc B e hc e λλπ 此公式获得了巨大的成功 ：1． 圆满解释了实验曲线； 2． 可导出斯特藩－玻尔兹曼定律3． 可导出维恩位移定律。
三． 普朗克假设：1． 空腔黑体可用一些线性谐振子来代表；2．谐振子只能处于某些特殊的不连续的状态中，它们的能量只能是νεh=的整数倍；3．发射和吸收的能量只能是ε的整数倍。
四．历史回顾1894年起，普朗克从热力学研究中转到黑体辐射问题上，那里“风平浪静”。
他的目标是追求熵原理与电动力学的协调一致1897~1899年,五篇报告总题目为“不可逆辐射过程”-柏林科学院；维恩公式，他很快接受，并用更系统的方法推导之1900年2月得知维恩公式有长波段偏差显著1900.10.7，鲁本斯夫妇访问了他，并告知一重要信息：瑞利公式在长波段与实验符合得很好，当天即用内插法获得新的辐射公式…1900.12.14，在德国赫姆霍兹研究所召开的德国物理学会会议上报告了他的革命性的发现：《正常光谱中能量分布律的理论》物理学史上公认这一天为量子论的诞生日：自然科学新纪元的开端1918获诺贝尔奖光电效应爱因斯坦方程一．光电效应：可见光或紫外光射到某些金属表面上时，有电子从表面逸出的现象。
实验装置：如图二．光电效应的实验规律 1． 光电子数与入射光强度间的关系－光电效应第一定律；N I Ne i I S ∝⇒=∝即：单位时间内从金属表面逸出的光电子数与入射光的强度成正比2． 光电子的最大初动能与入射光频率间的关系:光电效应第二定律0221eU ek mv -=ν 即：光电子的最大初动能随入射光的频率增大而线性增大，与入射光的强度无关。
3． 红限频率0ν,光电效应第三定律kU 00=ν，0νν>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0ν时，则不会产生光电效应；4．光电效应的时间：s 810-≤三． 光电效应与光的波动理论的矛盾1． 光子的初动能：0221eU ek mv -=ν 按波动说，应取决于入射光强I2． 光电效应的时间：s 810-≤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→光具有粒子性① 光是运动着的粒子流→光子② 每个光子的能量为νεh =如：⇒=nm 500λ)J (.hch 1910983-⨯===λνε③ 光的能流密度：νh n S =n ：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A mv h +=221ν 金属中的电子吸收一个光子的能量→逸出功＋光电子的初动能解释：① Ne I ∝：↑⇒I 光子数↑⇒光电子数↑② 0221U k U A h mv a -=-=νν00eU A A h ek h ===⎩⎨⎧νa U ：遏止电压，0U ：逸出电位③ ekA h A ==0ν 光电子动能不小于零④ s t 810-≤：光子能量⇒电子，无须能量积累时间3． 爱因斯坦理论的验证1916年，密立根进行了精密的测量，证明ν~U a 确为直线，且直线的斜率为e h。
1923年获奖4. 光子的能量、质量和动量2c h m hP h νλνε===⎩⎨⎧五． 对光的波粒二象性的理解1． 同时具有，都是光的本性；2． 不同时显现；康普顿效应一． 散射现象：光通过不均匀物质时，向各个方向发射的现象实验发现：X 射线→金属或石墨时，也有散射现象1922、1923年康普顿及其学生吴有顺进行了系统研究二． 实验装置：如图三． 实验结果1． 散射线中有与入射线波长0λ相同的射线（经典散射,瑞利散射），也有0λλ>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0λλλ∆-=nm sin .sin c m h e 20048602222ϕϕλ∆== nm )cos (.)cos (cm h e ϕϕλ∆-=-=10024301四． 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]。
Jaynes -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—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。
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—原子之间以及原子—原子之间的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。