量子光学

量子光学的进展
光物理是近代物理发展最活跃的领域之一。

特别是近30年来，由于激光的问世，光学的面貌发生了深刻的变化，光物理的研究内容也从传统的光学与光谱学迅速扩展到光学与物理其他分支学科的交汇点。

诸如激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学、强光光学和量子光学正不断趋于完善和成熟。

量子光学是研究光场的量子统计性质与物质相互作用的量子特征的学科。

它包括：非经典光场‘激光操纵原子、分子及其应用’量子光学和量子力学的交叉与渗透的研究。

尽管人类认识到光的量子性已经近一百年，但是应用量子理论研究光辐射与光场的相干性及统计性还只是近年来的事。

从光量子论的诞生，到随后量子力学的建立，对物理学乃至整个自然科学产生了极其深刻的影响。

一 hbt实验
1956年，由汉堡、布朗及退斯完成了光学关联实验。

这一实验又常以三人姓氏第一字母打头，被称为hbt实验。

他们把发自放电管的辐射，经滤波后，由半透半反分光器分为两束，其中一束经时间延迟器。

两只光电倍增管分别接收两束光后，再把其输出信号馈送到一个相关器中。

这样，相关器测量到的将是两个不同时空点光场强度起伏的关联，不再是过去的相干实验中所测的光场强度自身的相位关联。

通过这一实验，他们首次证实了光场存在有高阶相关效应，这是过去任何经典干涉与衍射实验所没能观察到的。

就相干光的频率而言，光场的强度起伏关联是一个缓慢变化的量，它的测量值受到外界的扰动要比测量相位关联微弱得多。

hbt实验给相干性带来了全新的概念。

根据经典理论，传统光场的随机性只用一个一阶相关函数描述就够了，这就是一阶相干度为1时，即对应完全相干性情况。

然而，hbt实验测出的光场起伏却表明，上述相干性的描述并不完备，还必须补充二阶或更高阶的相关函数。

只有当一阶、二阶或更高阶的相干度均为1时，才能称为完全相干光。

在普通光源情况下，不可能获得这种真正的完全相干光。

然而，一台理想的激光器所产生的光场就处于相干态，只有激光诞生后，人们才有可能获得真正的相干光源。

二压缩态研究
hbt实验还表明，量子电磁场意义下的相干态光场，并不是无噪声的光场，它们包含了真空起伏的量子涨落，因而具有经典体系所不具有的统计性质。

这种光场的量子性又导致人们对压缩态的研究。

根据量子场论，处于真空中，各量子场的每一个振动模式仍会不停地振动，这种振动称为真空零点振荡。

与此同时，真空中各量子场间还会相互作用，不断有各种虚粒子产生、消失或转化，这就是真空的量子涨落。

从这种意义上看，真空本身就是一种极其复杂的媒质。

因此，当用量子场论的观点、方法研究光的传播时，一束具有确定频率、确定偏振态和传播方向的单模光波，其振动的模量与相位角均为互不对易的算符，根据测不准原理，完全相干光条件下的量子相干态，在振幅平面上不再对应于一个点，而是一个圆斑。

圆斑的大小等于电场的真空起伏涨落，称为零点振动。

这意味着，即使在“完全黑暗”之中，电磁场仍存在微小的起伏。

普通光波是经典光波与这种真空起伏的叠加，它们相干的结果构成噪音场，这将使测量的精度从根本上受到限制。

如何使这种无规则的起伏压缩至最小，是人们十分关注的问题。

近年来，研究人员发现，在某些情况下，光束中的这种量子噪音可以被压缩到很小，而且，当光波的一部分噪音被压缩至很小时，另一部分光波噪音却被放大，而对被压缩噪音的光波进行测量时，其精确度有可能超出测不准原理给出的限制。

为了得到压缩光，最初设想使用一种周期性泵浦的方法。

令谐振腔一端的反射镜往返运动，当腔长变化的频率达到光频的两倍时，到达反射镜上的光波能量会周期性地被放大和缩小。

这意味着，腔体靠长度的变化，不断地向光波放出或从光波抽取能量。

若反射镜振动相对光波具有一定的相位时，光波则被放大，电磁振荡趋于增强；反之，光波被衰减，电磁振荡趋于减弱。

真空噪音是由许多无规则的波构成的，它们具有相同的频率，但振幅与相位却呈现无规则变化。

当一定相位的波被放大时，另外一些波则被衰减。

能量重新分配的结果，腔内的真空噪音将由一部分高振幅波与一部分低振幅波组成，这两部分波的强弱又交替变化着，这种光波即称为压缩态。

上述设想虽然很巧妙，但是事实上，不可能使反射镜以光频数量级振动。

1 985年，美国贝尔实验室的斯鲁施尔（slusher）研究小组以上述原理为基础，
提出了一种代替反射镜振动的实验方案。

他们在谐振腔中放入一个充满钠原子蒸气的容器。

由于在钠原子气中光速比真空中低，光经过钠蒸气室的光程加大。

当用激光激发钠原子，由于激光的激发，钠原子蒸气室的光程迅速变化，这种变化的频率又恰好与光频相当，因而代替了反射镜的往返振动。

他们的这一实验获得了成功，首次利用所形成的驻波场的激光，周期地激发钠原子而获得了压缩光，使压缩后的真空噪音下降了7%。

这一实验的成功带来了积极的反响。

美国ibm 的艾尔马丹（almaden）研究中心的谢尔比（shelby）、麻省理工学院的夏皮洛（shapiro，i.）等人利用不同的方法也得到了光场的压缩态。

目前世界上最高压缩量的单模压缩态是由得克萨斯大学的基布尔（kimble，j.）与中国科学院物理研究所的吴令安、山西大学的彭堃墀共同获得的，他们得到的压缩光噪音水平较真空噪音下降了近70%。

压缩光是非经典光，它的量子特性对于揭示场的物理本质有着重要的价值。

压缩态光场又是通过非线性过程由相干光场产生的，对它的研究又使量子光学与非线性光学得到了交叉。

同时，由于压缩光具有比一般标准量子噪音低的起伏，可以大幅度地提高信噪比，可望能在对像引力波这样的微弱信号检测、光通信及原子、分子物理学等方面得到特殊的应用，因此，光压缩态研究已成为目前光学领域中重要的基础研究与前沿课题之一。

三腔量子电动力学
量子光学的目标是在量子电动力学的理论框架内，重新研究各种非线性相互作用过程，目的在于揭示各种非经典效应，研究产生这些效应的实验方法，并开辟它们的应用途径。

近年来，腔技术的发展，已使超导微波腔的q值达到了101 1数量级，光子在腔体内的存留时间可以长达几分之一秒，这为腔量子电动力学的研究奠定了实验基础，也使这一课题成为近年来光学研究的热门领域之一。

处于激发态的原子，可以通过自发辐射过程跃迁到基态。

实际上，引起自发辐射的物理机制是真空的量子起伏。

由量子电动力学可以精确地计算出这种自发辐射的速率。

然而，若把激发态的原子置于一个腔体中，由于腔只允许某些分立的本征模存在，腔的存在将使真空场的谱结构发生变化，然而场在自由空间的任
何模式都有真空的起伏，这就使得腔体中原子与真空的相互作用与在自由空间中不同。

人们很关心这种情况下，原子的自发辐射是否会受到影响，如果有影响又是何种影响。

此外，当腔内不是真空，而存在有相干光场时，原子自发辐射的振荡频率又将如何变化，由于腔的存在，自发辐射光的最小谱线宽度又发生什么变化。

人们预料，这些问题的研究对于腔量子电动力学的发展有重要作用。

目前，理论与实验的研究均已证实，腔的存在对原子与电磁场相互作用有明显的影响。

1987年，实验发现了称为拉比(ra-bi)振荡的效应。

在实验中，向不完全真空、且有一定热辐射(2.5k)的腔体内，注入高激发态的里德伯原子，由于所发出的光子在腔体内停留的时间长，高激发态原子在跃迁时，偶极矩又较大，使原子在腔内的自发辐射有可能是可逆的，即反复地释放和吸收光子，这就使原子在上下两能级间来回振荡。

当原子跃迁频率恰与某一腔频共振时，即可观察到拉比振荡现象。

由于能证实量子相干理论，拉比振荡现象已经成为腔量子电动力学的重要实验之一。

1980年，人们曾利用量子电动力学从理论上预言，拉比振荡还会有衰减—复苏—衰减的效应。

这一效应只可能由量子电动力学得到解释，因为如果用经典理论描述光场，拉比振荡应保持恒定，若是应用量子电动力学，拉比振荡频率与光子数n的平方根成正比，而量子相干态不是光子数的本征态，它应是n 在一个值附近的许多光子数本征态的叠加，因此，原子在两个能级上的几率之差应该与不同的拉比振荡频率相关。

当各种振荡相位分散时，振荡将衰减；相位一致时，振荡将加强。

这一预言很快地被实验所证实。

四超辐射研究
早在激光出现以前，以创立标量-张量理论研究引力、并对宇宙原始大爆炸的微波背景辐射做出预言而闻名于世的美国物理学家迪克(dicke,roberthenry1 916～)就在他的一篇著名论文中预言，“在多个原子的受激辐射过程中，原子间的‘合作’效应能在发射动力学中起重要作用”。

近十几年来，迪克的这一预言引起了一些人的注意。

迪克所预言的，即是一种超辐射现象。

超辐射是多个原子在一起时，所产生的一种相干自发辐射。

此时，多个原子与共同的辐射场相互作用，构成一个合作的整体。

彼此合作的n个原子的辐射相
位相同时，由于相干叠加，自发辐射的光强将与n2成正比。

在非相干自发辐射时，由于n个原子辐射的相位彼此毫无联系，自发辐射的光强将只与受激态的原子数n成正比。

所以，光强与n2成正比，是超辐射与一般辐射相区别的主要特征。

超辐射现象属于原子或分子在辐射过程的弛豫时间内，所发生的一系列非线性光学效应。

这种情况只有在入射光极强、相干性极好的条件下才能发生。

除此以外，这种现象还要求有足够的弛豫时间范围。

在初始时，所有原子都处于激发态，各个原子跃迁电偶极矩在相位上彼此没有关联，所以在第一个光子发射时，与普通的辐射没有任何区别，它的发射时间具有较大的不确定度。

然而，在第一个原子发射第一个光子之后，各个原子与辐射场相互作用的结果，它们的跃迁电偶极矩的相位产生了关联，这不仅增加了第二个光子的辐射率，减小了发射时间的不确定度，而且在发射方向上也以第一个光子的发射方向做为从优选择。

随着发射光子数的增加，相位关联越来越强，辐射率继续增大，发射时间的不确定度随之减小，直到发射高峰出现。

此时，总的发射时间不确定度等于各次发射不确定度平方和的根，而其中第一次所占的比例为3/4最大，以后逐次减小。

由于在高峰时，原子跃迁电偶极矩相位达到了最大关联，辐射强度与n 2成正比，这一切表明，超辐射光不是一般的混沌光，而是一种相干光。

这种相干光产生的机制与激光的受激辐射不同，它是多个原子自发辐射时，与共同的辐射场相互作用而出现的干涉效应。

超辐射相关重要实验
1973年，美国麻省理工学院的费尔德(feld)研究小组最早在可见光波段上观察到了超辐射现象。

以后又有一些涉及不同原子系统、不同泵浦方式和不同光谱发射区的超辐射实验获得了成功。

近年来，人们对超辐射进行了大量的研究，包括超辐射产生条件、原子合作的建立过程与机制、合作长度、孕育期、峰值特点及物理性质和不同抽运方式、不同样品、不同原子密度对超辐射的影响等。

1982年，人们从实验上观测到了超辐射过程。

同一年，劳仑斯-利弗莫尔实验室和普林斯顿大学研制成功x射线激光器。

x射线激光的问世，不仅对生物科学、微电子学、固体物理和材料科学研究产生了重要的影响，它还使人们看到，
利用超辐射实现的x射线的相干辐射研究具有广阔的应用前景。

超辐射除了强度大、谱线锐度高等优点外，在短波区更具有较大的辐射几率。

它无需谐振腔，因而避免了谐振腔材料的困难。

而且，在超辐射时，上能级寿命短，会增加辐射率。

因此，在x射线激光发生困难之处，正是x射线超辐射的优越性所在。

超辐射的另一个特点也引起了人们的注意，这就是它的非线性效应。

由于它显现出较强的非线性效应，可以用于高分辨率光谱学研究。

喇曼超辐射及双色超辐射又可用于超辐射调谐输出。

利用超辐射的反聚束效应与压缩效应还可望提供光子简并度高、量子噪音低的超辐射源。

上述这些技术的实现，又能进一步推动超辐射理论研究的进展。

崭新的一页
①科学家让光波“驻足”
美国科学家在实验室中成功使光波在传播路线上停止了片刻。

在实验中，美国哈佛大学的研究人员将一束红色激光射入铷原子气体中，然后用另外两束控制光束和介质相互作用，结果使介质形成了一个个层面，对激光进行交替传输和反射。

当激光试图穿越这些层面时，光子就会被反弹回来，在极小范围内往复运动，最终，光子不再向前运动，“停止在原地”，成功实现了光传播的停顿。

而当两束控制光波被取消后，光波又可继续向前自由传播。

这项成果被认为有助于提高传统的光纤通信和数据传输技术，甚至可以帮助科学家建造设想中的量子计算机。

②光子晶体中的巨lamb能移
光子晶体，也叫光子带隙材料，是一种新型的人造周期性介电结构。

类似于电子的半导体材料，它是“光子的半导体结构”。

光子晶体为光的传播和辐射提供了全新的控制方式。

它在光电器件和光学芯片方面有着诱人的应用前景，因而被我国和世界许多国家列为战略研究项目。

中科院物理所王雪华博士,顾本源研究员与澳大利亚国立大学的yuri s. kivshar教授合作，对非均匀电磁系统中原子的lamb能移提出一个普适的理论公式,发现非均匀电磁系统中的lamb能移主要是来自于实光子的吸收和再辐射过程,这一成果打破了1947年以来一直认同的传统概念[phys. rev. 72, 241 (1947) by lamb and retherford, phys. re
v. 72, 339 (1947) by bethe]:既在均匀空间中,lamb能移主要来自虚光子的
吸收和再辐射过程。

对光子晶体，他们首次预言了巨lamb能移效应。

对均匀分布在光子晶体中的原子集合，进一步预言了位置依赖的lamb能移将使一个能级扩展成一个能带，就像原子气体中速度依赖的多普勒效应一样。

③澳华科学家领导研究激光传送数据获进展
澳洲科学家不久前示范如何向外太空多位接受者遥距传送数据。

这是继两年前澳洲国立大学量子光学研究小组演示如何在两点之间以一道激光传输资讯的重大突破后，取得的新进展。

这个在世界量子物理学上率先开拓研究新领域的小组，现在证明他们能用激光向3位接受者传送资讯。

然而只有在其中两位接受者互相配合下，才能接受到这些数据资料，这种情况被称为量子秘密共享。

该小组的领导人华裔博士林秉江说，在通常情况下，3位接受者每位只接到三分之一的资讯，但在量子物理学上，这种情况不会发生，相反，每一位都收不到任何东西。

但是，如果他们在共同努力的情况下接受激光束，当中任何两者都能接到全部资讯。

他说，这就像魔术一样，任何两者把他们接到的资讯合起来，就能得到百分之百的资讯。

总之，我们可以预见由于量子光学本身的特点和无限的应用可能性，未来将在光通讯、数据传输等领域发挥重大作用，至可以帮助科学家建造设想中的量子计算机。

我们的世界将会由此迈入一个崭新的量子时代！
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