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量子光学

量子光学英语:Quantum optics)是物理学一个1990年後成熟的新兴分支,为原子分子与光物理的一部分,和冷原子物理紧密相连,和凝態物理粒子物理學宇宙學等成熟分支相比,特徵在於精密的實驗和精準的理論擁有緊密、具建設性的互動。量子光學利用半經典物理學及量子力學研究光,以及光和物質在亞微觀尺度下的交互作用。在1960年代因為漢伯里·布朗及特維斯效應刺激而發展出理論基礎,討論不同程度的相量子相干性,如為零是典型的單光子源判准.主要研究光子原子量子交互作用,研究工具為雷射離子井

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歷史编辑

光在真空傳遞的能量及動量為量子化的,對應著光子的粒子數,量子光學也就是研究量子化的光子本性和影響的學科,首先主要的發展是在1899年,普朗克假設光能量是以離散的能量單位來發射,提出正確解釋黑體輻射的模型,隨後在1905年愛因斯坦解釋光電效應的論文,更進一步為量子化帶來證據,也因此愛因斯坦榮獲了1921年的諾貝爾獎,尼爾斯·玻爾表示光輻射的量子化假設與他的原子量子化能級理論,特別是氫的發射光譜相一致。在這些發展之後理解光與物質之間的相互作用對於整體量子力學的發展至關重要。然而,研究物質-光相互作用的量子力學的子領域主要被認為是對物質的研究而不是對光的研究; 因此在1960年有人談到了原子物理學和量子電子學。對這些裝置的原理、設計、應用的研究使激光科學成為一個重要的領域,現在研究激光原理的量子力學,更加強調光的性質,對量子光學的名稱也成為了習慣。

由於激光科學需要良好的理論基礎,加上這些基礎的研究成果豐碩,人們對量子光學的興趣也隨之上升。繼狄拉克在量子場論領域的工作之後,George Sudarshan, Roy J. Glauber和Leonard Mandel在20世紀50年代和60年代將量子理論應用於電磁場,而獲得對光探測和光統計的更詳細的理解(參見相干度(degree of coherence))。這導致了相干態作為一種概念的引入,它解決了激光、熱光、奇異壓縮態等之間的變化,因為人們已經認識到光不能完全被描述為僅參照經典圖像中描述波的電磁場。1977年,Kimble等人展示了單個原子一次發射一個光子,這進一步有力地證明了光是由光子組成的。隨後發現了以前未知的具有與經典狀態不同特徵的光量子態,例如壓縮光。

透過Q開關鎖模技術開發了短脈沖和超短衝激光脈衝,其發展為研究超快過程開闢了道路。

量子光學發現了固態方面的應用(例如拉曼光譜​​),也研究了光作用在物質上的機械力。後者可透過激光束對光學陷阱光鑷中的原子雲或甚至微小的生物樣品懸浮和定位。這個技術與多普勒冷卻同為實現著名的玻色 - 愛因斯坦凝聚的關鍵。

其他顯著的成果有量子糾纏量子隱形傳態量子邏輯門的展現。而量子邏輯門使量子信息領域非常感興趣,量子信息理論部分來自量子光學,部分來自理論計算機科學。

今天量子光學研究人員感興趣的領域包括參量下轉換參數振盪,甚至更短(阿秒)光脈衝,量子光學在量子信息的使用,單原子的操縱,玻色 - 愛因斯坦凝聚,它們的應用,以及如何操縱它們(一個通常稱為原子光學的子場),相干的完美吸收器(Coherent perfect absorber)等等。在量子光學術語下分類的主題,特別是應用於工程和技術創新的部分,通常屬於現代術語「光子學」這門學科。

多項諾貝爾獎授予了量子光學方面的工作。被授予者如下:

2012年,Serge Haroche和David J. Wineland“開創了能夠測量和操縱單個量子系統的突破性實驗方法”。[1]

2005年,TheodorW.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]

觀念编辑

根據量子理論,光不僅僅只被視為電磁波,也可以被看作在真空中以光速c行進的粒子流,稱為光子。這些粒子不該當作古典的撞球,而是量子力學中在有限範圍內以波函數描述的粒子。

每個光子攜帶一量子的能量,其值為hf,h為普朗克常數,f為光的頻率。當原子發射出光子,光子的能量對應於內部離散能階的躍遷,物質吸收光子則是相反的過程,愛因斯坦對自發輻射的解釋也預測受激輻射的存在,受激輻射即雷射的原理,而雷射的發明則要等到多年後有了居量反轉的方法後才得以實現。

統計力學的使用為量子光學的觀念基礎:光以場的創生算符與湮沒算符來描述,也就是以量子電動力學的語言來描述。

光場最常用到的態是1960由E.C. George Sudarshan 引入的相干態,這種狀態可以用來近似描述高於激光閾值的單頻激光器的輸出,表現出泊松光子數統計,通過某些非線性相互作用,應用具超泊松光子統計亞泊松光子統計的壓縮算符,可以將相干態轉換為壓縮相干態。這種光被稱為壓縮光。其他重要的量子觀點,與不同光束之間的光子統計相關。例如,自發參量下轉換可以產生所謂的“雙光束”(twin beam),理想情況下,一個光束的每個光子與另一個光束中的一個光子相關聯。

原子被認為是具有離散能譜的量子力學振盪器,根據愛因斯坦的理論,能量本徵態之間的躍遷由光的吸收或發射驅動。

對於固態物質,人們使用固態物理的能帶模型。這對理解實驗中常用的固態元件如何偵測光是很重要的

量子電子學编辑

量子電子學是一個術語,主要用於20世紀50年代到70年代之間,用來表示處理量子力學對物質中電子行為的影響的物理領域,以及它們與光子的相互作用。現在很被其他領域所吸收,很少被視為一個子領域,。固態物理學經常考慮量子力學,並且通常與電子有關。半導體物理即量子力學在電子學中的具體應用。該術語還包括激光操作的基本過程,現在作為量子光學的一個主題進行研究。 這個術語的使用涵蓋了量子霍爾效應量子細胞自動機的早期工作。

實驗编辑

近三十年来重要的量子光学实验包括:

參閱编辑

链接编辑

  1. ^ The Nobel Prize in Physics 2012. NobelPrize.org. [2018-10-11] (美国英语). 
  2. ^ The Nobel Prize in Physics 2005. NobelPrize.org. [2018-10-11] (美国英语). 
  3. ^ The Nobel Prize in Physics 2001. NobelPrize.org. [2018-10-11] (美国英语). 
  4. ^ The Nobel Prize in Physics 1997. NobelPrize.org. [2018-10-11] (美国英语).