量子光学与量子信息.doc

《量子光学与量子信息.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《量子光学与量子信息.doc（14页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

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根底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与1905年,普朗克与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根本物理思想。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开展。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根底的量子光学学科领域。光量子或称光子

2、为根本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学根本规律,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与相干性,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，量子光学的原理与理论根底为：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()

3、，如炉子,酒精灯2平衡热辐射：一样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：单位时间内从物体外表单位面积上向各个方向所发射的波长在范围内辐射能量与波长间隔的比值2 辐出度：单位时间内从物体外表单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。三 吸收比、反射比1 吸收比：单色吸收比：2 反射比：单色反射比：不透明物体：四 绝对黑体黑体1 定义：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：且2 灰体：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因此，“绝对黑体的单

4、色辐出度，是当时研究的尖端课题。推论： 假设TATB，那么辐射多的吸收也多，不能辐射亦不能吸收； 一定时，绝对黑体辐射与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2 斯特藩玻尔兹曼定律普朗克公式一 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；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；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

5、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，它们的能量只能是的整数倍；3 发射与吸收的能量只能是的整数倍。四 历史回忆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18971899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，他很快承受，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

6、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外表上时，有电子从外表逸出的现象。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；即：单位时间内从金属外表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,光电效应第三定律，才会产生光电效应 P222表20

7、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，当其频率小于时，那么不会产生光电效应；4 光电效应的时间：三 光电效应与光的波动理论的矛盾1 光子的初动能：按波动说，应取决于入射光强2 光电效应的时间：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：电子逸出物体外表所需的最小能量。1 光子假设光具有粒子性 光是运动着的粒子流光子 每个光子的能量为如： 光的能流密度：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：

8、：光子数光电子数：遏止电压，：逸出电位光电子动能不小于零 ：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，密立根进展了精细的测量，证明确为直线，且直线的斜率为。1923年获奖4. 光子的能量、质量与动量五 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展了系统研究二 实验装置：如图三 实验结果1 散射线中有与入射线波长一样的射线经典散射,瑞利散射，也有的射线康普顿散射2 原子量小的物质，康普顿散射较强；原子量大

9、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 与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准确可解模型。腔体量子电动力学是近年来量子光学与原子物理的一个重要研究领域,它研究的对象是在电磁谐

10、振腔中的单个原子与一些光子相互作用。近年来,在原子与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与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与最典型的模型,也是量子光学中少数准确可解的模型之一。近年来, J-C模型不管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与Cummings提出了解决原子与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。由于该模型有准确可

11、解的解析解，所以成为近代量子光学中研究问题的根底。J-C模型在偶极近似与旋转波近似下的哈密顿量。这种相互作用能说明在原子跃迁时伴随光子的发射与吸收过程(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泼的前沿课题。腔内原子的辐射谱, 由于其构造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与相互作用规律, 因而对这一问题进展深入研究, 既具有重要的学术价值, 又可开

12、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表达光场的非经典特征的。理论研究说明：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。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

13、聚束光的产生、测量、控制以及最正确技术应用途径等。总之，量子信息作为量子理论与信息科学穿插结合的产物，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开展，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很大的丰富与开展。 热点之一就是已经诞生、正在形成与开展中的量子信息科学量子通信与量子计算机，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

14、而形成的穿插学科。量子信息论不但将以住的经典信息扩大为量子信息，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、存储与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开展，显示出十分广阔的科学与技术应用前景。这种崭新的穿插结合已经并正在继续大量生長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輝煌成就。 量子信息论的诞生与开展，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根底性问题。借助这一新兴穿插学科的实验技术，改造量子力学根底，加速变革

15、现有时空观念，加深对定域因果律的认识也许是可能的。二、国內外量子信息专业的开展状况 2006年9月1日4日，来自世界21个国家与地区的近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承受采访时说：“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开展潜力，目前已受到各国政府、科技专家与公众的广泛关注。 、 国外量子信息的研究与进展： 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

16、，特别是美国与欧盟均投入大量人力物力于量子通讯与量子计算的理论与实验研究，量子信息已成为学术界的热门课题，其开展十分迅猛，参与研究的国家、机构与人员日益增多，有关国际会议连接不断。、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，对光通信与光量子信息处理领域具有潜在的科学价值与应用价值。 2006年中国根底科学研究领域13项重大开展中第4项为：实现光纤通信中抗干扰量子密码分配方案，该方案保证了长距离光纤量子通信的平安与质量。 2007年2月科技文摘报报道：我国刷新光子纠缠与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

17、员潘建伟与他的同事杨涛等，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与可以直接用于量子计算的簇态，刷新光子纠缠与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平安。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

18、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展多用户的测试运行，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与任意两点互通的量子密钥分配，并在对原始密钥进展纠错与提纯根底上，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 information)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、量子纠缠与量子不可克隆等)，进展计算、编码与信息传输的全新信息方式。量子通信Quantum

19、Teleportation是指利用量子纠缠效应进展信息传递的一种新型的通讯方式。量子通讯是近二十年开展起来的新型穿插学科，是量子论与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、量子远程传态与量子密集编码等，近来这门学科已逐步从理论走向实验，并向实用化开展。高效平安的信息传输日益受到人们的关注。基于量子力学的根本原理，量子通信具有高效率与绝对平安等特点，并因此成为国际上量子物理与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拟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.第 14 页