漫谈光量子

漫谈光量子北师大物理系讲座光量子概念的发展•光的微粒说代表人物牛顿,认为光是由光源发出的微粒。直观地解释了光的直进及反射折射等现象。•光的波动说代表人物惠更斯，认为光是一种波动，由发光体引起，和声一样依靠媒质来传播。•光的电磁说代表人物麦克斯韦，认为光是是电磁现象，传播不需要依靠媒介。•光的量子化代表人物爱因斯坦、波尔等，认为光的能量是量子化的，提出光子概念。•光的波粒二象性代表人物德布罗意。认为光具有波粒二象性。光量子概念发展的若干主要里程碑事件•1901:Planck--Theoryofblack-bodyradiation•1905:Einstein--Explanationofthephotoelectriceffect•1909:Taylor--Interferenceofsinglequanta•1909:Einstein--Radiationfluctuations•1927:Dirac--Quantumtheoryofradiation•1956:HanburyBrownandTwiss---Intensityinterferometer•1963:Glauber--Quantumstatesoflight•1972:Gibbs--OpticalRabioscillations•1977:Kimble,Dagenais,andMandel--Photonantibunching1981:Aspect,Grangier,andRoger---ViolationsofBell’sinequality1985:Slusheretal.----Squeezedlight1987:Hong,Ou,andMandel--Single-photoninterferenceexperiments1992:Bennett,Brassard---Experimentalquantumcryptography1995:Turchette,Kimble---Quantumphasegate1995:Anderson,Wieman,Cornell---Bose–Einsteincondensationofatoms1997:Mewes,Ketterleetal.----Atomlaser1997:Bouwmeesteretal.,---Quantumteleportationofphotons2002:Yuanetal.Single-photonlight-emittingdiode激光的产生（1960年）归功于Einstein的关于受激辐射、自发辐射、受激吸收的唯象理论。光量子与物质相互作用发展成一门学科--量子光学：量子物理激光原理激光技术非线性光学量子电动力学量子光学量子信息量子光学与量子力学的关系：基础---发展1997年：朱棣文、W·D·菲利普斯（美国）、科昂·塔努吉（法国）发明用激光冷却和捕获原子的方法2001年：克特勒（德国）、康奈尔、维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就2005年：罗伊·格劳伯（RoyJ.Glauber，美国）表彰他对光学相干的量子理论的贡献；约翰·霍尔（JohnL.Hall，美国）和特奥多尔·亨施（TheodorW.Hänsch，德国）表彰他们对基于激光的精密光谱学发展作出的贡献。2012年：Serge和David，以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下，测量和操纵它们的方法。1997年诺贝尔物理学奖---激光冷却和捕获原子2001年诺贝尔物理学奖---激光冷却和捕获原子2001年诺贝尔物理学奖联合授予美国科学家埃里克·康奈尔、卡尔·维曼和德国科学家沃尔夫冈·克特勒，表彰他们根据玻色－爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态——“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）揭示了一种新的物质状态：玻色-爱因斯坦冷凝物。人们都知道激光与普通灯光不同，在激光中所有光粒都具有相同的能量与振荡。而如何控制粒子而不是光使它们达到同样的状态一直就是对物理科学家的一种挑战。三名科学家的成功发现，犹如是找到了让原子“齐声歌唱”的途径，这种控制物质的新途径必将给精密测量和纳米技术等领域带来“革命性的”变化。2005年诺贝尔物理学奖---量子光学之父和精密光谱学大师2005年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，将2005年度诺贝尔物理学奖的一半奖金授予美国量子光学家罗伊•格劳伯，以表彰他对光学相干的量子理论做出的贡献；另一半奖金则颁发给美国量子激光学家约翰•霍尔和德国量子光学家特奥多尔•亨施，以表彰他们对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。罗伊•格劳伯1925年出生于纽约，毕业于美国哈佛大学，1949年获得哈佛大学博士学位，1952年成为哈佛大学助理教授，1956年获得哈佛大学终身教授之职，现仍供职于哈佛母校。他成为第42个荣获诺贝尔奖的哈佛大学教授。约翰•霍尔1934年出生于美国丹佛，1961年获卡内基理工学院博士学位，1964年获匹兹堡剑桥技术学院物理学博士学位，现供职于科罗拉多大学，同时兼任美国国家标准和技术研究院高级科学家。特奥多尔•亨施1941年出生于德国海德堡，1969年获海德堡大学博士学位，目前担任德国马克斯－普朗克学会下属的量子光学研究所所长，同时担任慕尼黑路德维希－马克西米利安大学物理学教授。格劳伯1963年就提出了“相干性量子理论”，不仅解决了现代光学的一些基础性问题，而且奠定了量子光学的基础，开创了一门全新的物理学学科——量子光学。然而经过了42年的考验，80岁高龄才获得诺贝尔物理学奖。他的5篇代表性论文没有一篇发表在《科学》或《自然》杂志上。但是他的成就为世人所瞩目。他获得诺贝尔奖，是学术界许多人都期待已久的事情。在哈佛大学召开的新闻发布会上，哈佛大学物理系主任认为，格劳伯的获奖是一个迟到的奖励。量子光学之父----格劳伯20世纪60年代开始，激光技术有了很大的发展，但是如何解释一些新的现象，如何对光本身的一些特性进行描述还缺少理论基础。格劳伯提出的“相干性量子理论”解决了这些问题，并为现代光学的发展奠定了基础。格劳伯的成就奠定了他在量子光学领域中的领军地位，他被誉为量子光学之父。2005年诺贝尔物理学奖精密光谱学大师•对时间的精确测量主要依靠原子跃迁的频率，但在原子运动的状态下，测量不精确。然而利用激光技术将原子冷却后使之速度降低，就可以做出精确测量。霍尔和汉斯的主要工作是在精确测量技术上取得了较好的成果。他们成功地应用了一种叫做光梳（也叫频率梳）的技术。•所谓“光梳”技术就是研制出一种新的装置，使之能产生一系列频率均匀分布的频谱，即它所产生的频谱像有均匀间隔的梳子一样，人称“频率梳”。这种“频率梳”就像一把带有刻度的光学梳子，专门用来梳理光波的频率，也就是说用来测量光波未知频谱的具体频率。频率测量的精确性很大程度上取决于时间测量的精确性。美国国家标准技术研究院和科罗拉多大学“联合研究所”的科学家开发的世界上迄今为止最精密的时钟，精确度可达几个毫沙秒。1毫沙秒等于1000万亿分之一秒。因此，这种“频率梳”的“梳齿”间的“齿距”在毫沙秒级。这种“频率梳”被称为“毫沙秒梳”。这样精密的时间间隔是由激光脉冲产生的。这种世界上迄今为止最精密的时钟将比当今微波原子钟要精密100倍。2005年诺贝尔物理学奖•2012年诺贝尔物理学奖授予Serge和David，以表彰他们分别独立发明并拓展了在保持单个粒子量子力学特性的前提下，测量和操纵它们的方法。2012年诺贝尔物理学奖光子和原子是量子世界中的两种基本粒子。光子形成可见光或其他电磁波，原子构成物质。用实验研究量子，首先要捕获单个的量子。阿罗什将两面极为精巧的镜子平行放置，镜子之间是真空的空腔。一个光子进入空腔后被捕获在空腔中，实际上被捕获的光子在空腔中跑了4万公里，相当于绕地球一周。他在捕获单个光子后，引入了一种特殊的原子——里德伯原子，作为观测工具。通过光与原子的耦合，只要观测里德伯原子，就能得到光子的数据。瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球;而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。他向“电场碗”发射激光，通过观测光谱线，便能得到碗底那颗冷离子的数据。两人的方法殊途同归，一位用离子调控光子，另一位相反，用光子调控离子(带电原子)。这两个实验都史无前例地在不破坏量子特性的前提下，实现了对单个光子和离子的观测和操控。量子光学的具体内容1、量子相干性质包括相干性的定义与经典与量子的数学描述；相位相干、强度相干2、光场的量子统计性质Thephotonstatisticsofalightbeamarethe‘‘fingerprint’’ofitsquantumstate,fromwhichanumberofusefulmeasuresofnonclassicalitymaybeinferred.Phy.Rev.Lett.101,053601(2008)激光场：泊松光子数分布；热光场：玻色－爱因斯坦分布（超泊松分布）；非经典量子态（包括光子数态、压缩态）：亚泊松分布；3、量子光场与物质（主要是原子、离子、分子）的相互作用。内容非常丰富：光的产生、探测设备、显示、存储、光生物、光化学等等。4、量子信息科学。量子通信、量子计算量子密钥分发、量子远程传态、量子克隆、量子计算、量子编码、量子密集编码、量子逻辑等等5、冷原子物理（包括离子和中性原子的激光冷却与囚禁、原子光学、玻色-爱因斯坦凝聚、相干原子波激射等）量子光学的若干主要进展•量子信息学•量子信息学是量子力学与信息科学相结合的产物，是以量子力学的态叠加原理为基础，研究信息处理的一门新兴前沿科学。量子信息学主要是利用微观粒子作为载体，凭借着量子力学所特有的一些性质：不确定性、相干性、纠缠等，可以完成一些经典的通讯、计算、密码学无法实现的任务。•量子纠缠可以说是量子信息最核心部分，几乎所有的量子信息处理过程都与其有关。量子纠缠本来是爱因斯坦等科学家为了证明量子力学的不完备而提出的一种很奇妙的量子概念，量子纠缠是发生在多个微观粒子之间的一种物理现象，是指不论粒子间距离多远，一个粒子的态都是与其它粒子的态相关联的，信息大部分都蕴涵在粒子之间的相互关系上，对一个粒子的测量会影响到其它粒子的态，粒子之间不论相距多远，从根本上讲它们还是相互联系的。•量子密钥分发具有绝对的安全性；量子隐形传态可以通过量子纠缠和一个经典信道，完整无误地传送一个量子态；量子密集编码的信道容量是经典信道的两倍等。•量子力学与信息科学结合,不仅充分显示了学科交叉的重要性,而且量子信息的最终物理实现,会导致信息科学观念和模式的重大变革。事实上，传统计算机也是量子力学的产物，它的器件也利用了诸如量子隧道现象等量子效应。但仅仅应用量子器件的信息技术，并不等于是现在所说的量子信息。目前的量子信息主要是基于量子力学的相干特征，重构密码、计算和通讯的基本原理。•冷原子和冷分子物理自20世纪90年代初以来,激光冷却与捕陷中性原子的理论、实验及其技术得到了快速发展，并取得了巨大的成功和辉煌的成就。激光冷却与捕陷中性原子的研究在科学上的意义是重大的.1.首先它将大大提高高分辨光谱研究的精度，从而有力地推动原子分子物理学的发展.2.激光冷却与捕陷中性原子还开辟了新的原子分子物理和光物理的研究领域。特别是原子气体中的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)、微阱BEC、原子芯片、原子激光(包括原子孤子激光)、光速减慢、原子物质波中的四波混频和原子孤子、超流中的Vortex等一系列实验的成功，导致了一门全新的原子光学学科的诞生与发展3.另外，激光冷却与捕陷和操控原子分子的研究也有很大的实用意义。借助于光陷阱技术，可制成能控制20nm-10m尺度的微粒的“光镊”，这对生物学和高分子聚合物的研究十分有价值，已有用这种技术控制住DNA分子进行长时间研究的报道.量子光学的一些有趣观点：1、宇宙中某处发出一个光子在宇宙中