光学工程前沿报告1 潘运

光学工程前沿之来自量子世界的新技术

潘运（MF1415003)

（南京大学光通信中心江苏南京 210008）

摘要：本文是听完全国光电技术与系统学术会议中量子技术的邀请报告后，自己的一些感想和总结。郭光灿院士首先介绍了量子世界的与经典世界的一些不同的特点，用来引起大家对量子学的兴趣，然后着重介绍了量子密码和量子计算这两方面的量子学的应用，这两项应用着重体现了量子学巨大的发展前景，最后鼓励大家投身与科学研究的事业中来，体现了郭院士不仅自己专心搞研究而且期望拉起一个研究队伍的科研理念。本篇报告着重介绍量子光学的一些基础性知识，并且对会议中量子学的应用做一些介绍。

关键词：量子光学，量子信息技术，量子世界

Abstract:This article is after listening to the National Optoelectronic Technology and Systems Conference invited the report quantum technology, some of their own feelings and summary. Academician Guangcan Guo first introduced the quantum world with some of the different characteristics of the classical world, to arouse interest in quantum science, and then focuses on the quantum cryptography and quantum computing applications of quantum science in these two areas, which focuses on two applications quantum Theory reflects strong growth prospects, and finally to encourage everyone to join the cause of scientific research in the past, reflecting the professor Guo concentrate not only their own research and expect to pull out of a research team of research ideas. This chapter report highlights some of the basic quantum optics knowledge, and for meeting the application of quantum science to do some introduction.

Keywords: Quantum Optics，Quantum information technology，Quantum World

1.引言

量子世界具有经典世界所不具有的特点，对于常年生活在宏观世界中的人来说，这种微观的量子世界的特点可能会然人感到怪异。但是正是由于量

子世界所具有的这种宏观经典世界所不具有的特点，所以对于量子学的研究必然能对经典世界的科学发展起到跨时代的推动作用。

2012年诺贝尔物理学奖颁发给了阿罗什（法）和瓦恩兰（美），用以表彰他们在实验方法上的基础性突破，这项突破使得单量子操作和单量子测量成为可能。

其中阿罗什提出了单光子腔囚禁光子【1】方案，如图1-1所示。利用高品质的腔将单个光子囚禁在光腔中，在腔中放入单个原子与光子发生相互作用，通过光腔来调控囚禁光子与环境的作用。

图1-1

而瓦兰恩提出了单离子阱囚禁单点离子方案，如图1-2所示。把囚禁离子的两个近简并基态作为一个两能级量子体系，将整个系统冷却到接近声子的基态，用激光来操控离子内态。

图1-2

由于经典世界是一个确定性的世界，而量子世界则是一个概率性的世界，所以经典世界里的理论大多拿到量子世界是行不通的。这就需要人来建立和

研究量子世界的理论并进行实验验证，而在量子世界里的发现应用到经典世界来时，由于量子世界的特殊性这些应用的理论基础必然是与经典世界不同的，因而这些技术也就更容易比现在的技术更有优势和更好的发展前景。如量子学可能带来的新技术：量子通信，量子计算机，量子模拟，量子度量学等。

2.量子学简介

量子世界的“怪异性”有一些具体的体现：

1. 在经典世界里我们可以在空间定域里清楚而准确的描述一个物体的位置信息，而在量子世界里我们没有办法给出一个粒子的确定时空信息，我们只能对该粒子的位置信息给出一个可能的概率分布。

2. 在经典世界中物体从一个位置运动到另一个位置必然有一条确定的运动轨迹，而且这个轨迹是可以通过一定得方法得到的，而在量子世界里粒子从一个位置到另一个位置的这个过程会有无数条可能的运动轨迹，我们不可能测得这个粒子是怎样运动到另一个位置的，但是我们可以得到这个粒子各种动作的可能的概率。

3. 对于经典世界中分开之后的两个物体，他们之间将会没有关联，可以各自确定他们的状态，而对于纠缠量子，他们之间互相关联，虽然没办法测得他们的状态，但是由于他们之间幽灵般的相互作用，可以得到他们状态间的关系。

总之，量子世界的粒子不再遵从经典力学，而是量子力学。

()()t x H dt

t x d i ,,

ψψ= 量子力学处理的是不可观测量()t x , ψ，2ψ是几率。反应自然界的基本规律是概率性。

量子纠缠

【2】【3】（EPR 效应）如图1-3，量子纠缠态：()

↓↑-↑↓=21AB ψ

图1-3

量子具有不可克隆性，不存在物理过程中可精确地复制任意量子态。这是量子密码安全行的基础，是量子信息提取不可逾越的障碍。如图1-4：

图1-4

量子调控是量子学应用的基础。量子调控要求能制备量子体系的量子态，操控其量子态的演化，测量量子体系的信息。量子体系是从单个粒子到多个粒子最终到宏观的量子物质的一个完整体系，只有能做到量子调控才能调控宏观量子物质。

量子纠缠有着大量妙用。如量子隐形传态，在1993年的一篇开创性论文“经由经典的EPR通道传送位置量子态”中，提出了一种方法可以将某个粒子的未知量子态（未知量子比特）传送给远处的另一个粒子，是该粒子处在这个未知的量子态上，洱源县的粒子不被传送，这就是所谓的“量子隐形传态”。

这种量子传态的基本原理是：通过两个互相纠缠的量子，其中一个量子用来测量原物的部分信息（经典信息），而另一个量子依靠纠缠保留了该原物未被提取的信息（量子信息）。然后接受者在获得这两种信息后，就可以制造出原物量子太的精确复制。这个隐形传态的过程有一下的特点：

1.原物始终留在发送者处，被传送的仅仅是原物的量子态，而且，发送者对这个量