量子光学与量子信息讲课教案
《量子光学》课件
压缩态：量子光 学中的特殊状态， 其量子态密度小 于真空态密度
特点：压缩态具 有较高的相干性 和较低的噪声， 可以提高量子通 信和量子计算的 效率
应用：压缩态在 量子通信、量子 计算、量子精密 测量等领域具有 广泛的应用前景
研究进展：近年 来，压缩态的研 究取得了重要进 展，如压缩态的 制备、测量和操 控等。
量子光学在量子通信、量子 计算等领域有广泛应用
量子光学的研究内容
量子光学的基本 原理
量子光学的实验 方法
量子光学的应用 领域
量子光学的发展 趋势
量子光学的发展历程
量子力学的诞生：1900年，普朗克提出量子概念，量子力学开始萌芽 量子光学的兴起：1927年，海森堡提出不确定性原理，量子光学开始发展 量子光学的成熟：1948年，玻尔提出量子光学理论，量子光学逐渐成熟 量子光学的应用：20世纪60年代，量子光学在通信、计算等领域得到广泛应用
量子光场的相干态描述
相干态：量子光场的一种特殊状态，具有确定的相位关系
相干态的性质：相干态具有确定的相位关系，可以描述为相干态的叠加
相干态的表示：相干态可以用相干态的叠加来表示，其中每个相干态的相位关系是确定的
相干态的应用：相干态在量子光学、量子信息等领域有广泛的应用，如量子通信、量子计算 等
单光子计数是一 种常用的量子光 场测量方法，可 以测量单个光子 的存在和数量。
光子关联测量是 一种测量量子光 场中光子之间的 关联性的方法， 可以测量光子之 间的纠缠、相干
等性质。
量子态层析是一 种测量量子光场 中光子状态的方 法，可以测量光 子的波长、偏振、
相位等信息。
量子光场的测量 实验
实验目的：测量量子光场的性质和 特性
量子力学中的量子力学中的量子光学与量子信息
量子力学中的量子力学中的量子光学与量子信息量子力学中的量子光学与量子信息量子力学是物理学中的一门重要学科，研究微观物质的行为规律。
其中，量子光学和量子信息是量子力学中的两个重要分支，它们在科学研究和信息技术领域都有着重要的应用。
本文将对量子力学中的量子光学和量子信息进行探讨和论述。
一、量子光学量子光学研究的是光子（光的最基本单位）的行为和性质，并将量子力学的概念与光学相结合。
光是由一束束光子组成的，光子在传播过程中表现出粒子和波动性质，并受到量子力学的规律限制。
量子光学的研究对象包括光的发射、吸收、干涉等现象，以及光的相干性、单光子、量子纠缠等特性。
1. 光子的量子特性光子是一种离散的能量量子，具有粒子性质。
根据普朗克量子假设，光子的能量与频率成正比，E = hν，其中E为光子的能量，ν为光的频率，h为普朗克常量。
由此可知，光子的能量具有量子化特性，而与传统光学中连续的光波不同。
2. 光的干涉与相干性光的干涉是光的波动性质的表现，而量子光学研究的是光的单光子干涉。
单光子干涉实验证明了光的双重性质，即光既可以看作粒子，又可以看作波动。
相干性指的是光的波动特性保持一致的性质，量子光学研究中，相干性也表现为光子的纠缠态。
3. 光子的纠缠态量子纠缠是量子光学中的重要概念。
两个或多个光子处于纠缠态时，它们的状态无法独立描述，即使它们之间存在很远的空间距离，一方的测量结果仍会与另一方有关。
量子纠缠的研究及应用有助于量子通信和量子计算等领域的发展。
二、量子信息量子信息是基于量子力学原理的信息加工和传输学科。
相比经典信息，量子信息利用了量子态的特殊性质，具有更大的信息处理能力和更高的安全性。
主要包括量子通信、量子计算和量子密码学等领域。
1. 量子通信量子通信是利用量子纠缠和量子隐形传态等量子特性实现信息传输的方式。
其中，量子隐形传态是一种利用量子纠缠态实现信息传输而不受空间距离限制的方法。
通过量子通信，可以实现安全的信息传输和密码学的应用。
量子光学和量子信息
量子光学和量子信息量子光学和量子信息是当代科学中两个重要的研究领域，它们在物理学和计算机科学等领域有着广泛的应用。
量子光学研究光与物质的相互作用，以及光的量子特性，而量子信息研究利用量子态来存储和传递信息。
本文将分别介绍量子光学和量子信息的基本概念和应用。
量子光学是研究光与物质相互作用的学科。
光是由许多量子粒子组成的，这些粒子称为光子。
量子光学研究光的发射、吸收、传输等过程，并研究光与物质之间的相互作用。
量子光学的研究对象包括光的干涉、衍射、激光等现象。
通过研究这些现象，科学家们可以更好地理解光的本质和行为。
量子光学在信息传输和通信中有着重要的应用。
量子光学的一个重要应用是量子密钥分发。
量子密钥分发是一种安全的通信方式，可以确保通信双方的信息不被窃听和篡改。
量子密钥分发利用了量子纠缠的特性，将密钥以量子态的形式传输给接收方，确保密钥的安全性。
另一个重要的应用是量子计算机。
量子计算机利用了量子叠加和量子纠缠的特性，可以在某些特定的计算问题上比传统计算机更快地进行计算。
量子光学在量子计算机中起到了至关重要的作用。
量子信息是研究利用量子态来存储和传递信息的学科。
量子信息研究的基本单位是量子比特，也称为量子位。
与经典计算机使用的比特不同，量子比特可以同时处于0和1两个状态，这种状态称为量子叠加。
另外，量子比特之间还可以存在量子纠缠的关系，这种关系使得它们之间的状态是相互关联的。
利用量子叠加和量子纠缠的特性，可以进行更加复杂的计算和通信。
量子信息在密码学和通信领域有着重要的应用。
量子密码学利用了量子态的特性来实现安全的通信。
量子密码学的一个重要应用是量子密钥分发，它可以确保通信双方的密钥安全，避免被窃听和篡改。
量子通信还可以用于量子远程传态，即利用量子纠缠的特性来传输量子态。
这种传输方式可以实现量子信息的远程传递，为量子通信和量子计算提供了重要的基础。
总结起来，量子光学和量子信息是两个重要的研究领域，它们在物理学和计算机科学等领域有着广泛的应用。
量子光学与量子信息
量子光学与量子信息量子光学是研究光与物质相互作用的领域，而量子信息则是以量子力学为基础的信息科学。
这两个领域是密切相关的，它们共同推动了科学技术的发展，并在各个领域展现出巨大的潜力。
量子光学是研究光的量子性质和光与物质相互作用的学科。
光是由许多粒子组成的光子流，而量子光学则是研究光子的行为和特性。
光的量子性质在许多方面都有着独特的应用，例如量子计算、量子通信和量子加密等。
在量子光学领域中，科学家们通过实验和理论研究，探索光的量子行为和如何利用这些行为进行信息处理。
量子信息是以量子力学为基础的信息科学，它利用量子力学中的特殊性质来进行信息的存储、传输和处理。
量子信息的最基本单位是量子比特（qubit），它可以同时处于多个状态的叠加态。
这使得量子信息处理具有高度的并行性和复杂性，远远超过了经典信息处理的能力。
量子信息的研究领域包括量子计算、量子通信、量子密码等。
量子光学和量子信息在许多方面都有着密切的联系。
首先，量子光学是量子信息领域中的重要组成部分，光子作为量子比特的载体，在量子计算和量子通信中发挥着关键的作用。
其次，量子光学的研究成果为量子信息的发展提供了基础和技术支持，例如实现高效的光子源、光子操控和光子检测等。
此外，量子光学和量子信息的交叉研究也为其他领域的发展带来了新的机遇和挑战，如量子光学在生物医学、材料科学和量子化学等领域的应用。
量子光学和量子信息的研究不仅是科学家们的努力方向，也是人类社会面临的重要挑战。
量子计算的实现将彻底改变计算机的性能和能力，带来巨大的科学和经济效益。
量子通信的安全性和保密性将为信息社会的发展提供坚实的保障。
因此，加强量子光学和量子信息的研究，培养和吸引更多的科学家和工程师参与其中，对于推动科学技术的发展和社会进步具有重要意义。
量子光学与量子信息是两个紧密相关的领域，它们共同推动了科学技术的发展，并在各个领域展现出巨大的潜力。
量子光学研究光的量子性质和光与物质相互作用，而量子信息利用量子力学的特殊性质进行信息的存储、传输和处理。
量子光学与量子信息
量子光学与量子信息量子光学与量子信息是当今物理学界研究的热点之一。
量子光学是研究光与物质相互作用的规律，并探索新的光量子效应的一门学科。
而量子信息则是利用量子态的特殊性质进行信息传递和处理的学科。
下面将就量子光学与量子信息这两个方面进行探讨。
一、量子光学1. 光的量子性光在粒子性和波动性两个方面都有着独特的性质。
在粒子性方面，光是由许多不可分割的能量单位——光子构成。
而在波动性方面，光则是带有相位信息的波动。
在这种对抗性质的作用下，光子在介质中传播，会发生衍射、干涉等现象，由此推动了光学研究的发展。
2. 光量子效应光量子效应是指在光子与物质相互作用时，产生的一系列奇妙现象，如光子的产生、吸收和散射。
这些现象的研究不仅有助于理解光子的产生和消失机制，也为光子与物质的晶格振动之间的相互作用提供了新的思路。
3. 量子光学对信息科学的影响人们利用光量子效应进行信息传输和处理已成为重要的领域之一。
量子通信和量子计算是光量子效应应用的两大方向，它们利用了光子的量子性质来改善信息的传输和处理效率，为信息技术的发展打下了坚实的基础。
二、量子信息1. 量子态的本质光的量子性质，使得光子具有二元性——波粒二象性。
这意味着，一个光子可以处于许多可能的量子态中。
因此，人们可以根据光子的量子态信息，进行一系列复杂的信息处理。
2. 量子纠缠量子纠缠是一种量子态之间的相关性，是量子信息学的重要概念之一。
两个量子态纠缠在一起的时候，一个量子态的改变会影响另一个量子态状态的改变。
利用量子纠缠，可以进行一些传统计算方法无法胜任的任务，如量子密钥分发、量子远程态传输等。
3. 量子计算量子计算是一种结合了量子力学和计算机科学的新兴领域。
通过利用量子特性，如量子超并、量子纠缠等，计算机能够在短时间内处理大量数据，并执行传统计算机无法胜任的任务。
总之，量子光学与量子信息是两个重要的前沿学科。
光的量子性使得光子具有独特的物理特性，为量子信息学提供了丰富的资源和工具。
量子光学讲稿(2012.4)
姓名： 学院：
王成志 物理与电子科学学院
长
沙
理
工
大
学
目
录
前言 第 1电 章磁 场 的量子化 § 1.1 真空中的经典电磁场 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 1.2 电磁场的量子化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 1.3 算符代数的某些定理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 2几 章种 重 要的光场态 § 2.1 光场的粒子数态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2.2 光场的相干态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2.3 光场的压缩态 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 第 3光 章场 与 原子的相互作 用 § 3.1 光场与原子的相互作用哈密顿量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 3.2 量子化光场与原子的相互作用哈密顿量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 3.3 J–C模型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
《量子光学》PPT课件_OK
2.11030
hn 6.6261034 0.71
2021/7/21
33
当量子数n改变一个单位，振动系统的能量改变的百 分比为
E n
1
10 30
E n 2.11030
可以看出，相对于宏观振子，其量子数n甚大、 能级
差很小, 振动系统能量的分立特性不明显。因此在经 典力学中，可视宏观振子的能量是连续变化的。
1. 选择性吸收体：在一定温度下，只对某些 或某段波长范围的辐射有明显吸收，对其他波 长吸收很少。 有色反光体 2. 灰体：单色吸收系数是一个常数，但小于1.
它对各种波长的辐射有同等程度的吸收和 反射. 3. 绝对黑体： 在任何温度下均能全部吸收投 射到它上面的辐射，即吸收系数为1，反射系数 为0.
轴截距 称为截止频率或
红限，
，入射光频率
小于截止频率时无论光 强多大
遏止电势差的大小与入射光 都不能产生光电效应。每种金 的频率成线性关系，与光强无关。 属有自己的截止频率。
与材料 无关的普适常量
与材料 有关的常量
时无论光强多弱41 ，光 照与电子逸出几乎同时发生。
波动理论的困难
42
光量子理论
43
普朗克常量 数值为 6.63×10- 3 J ·s 4
并很快被检验与实验结果相符。
27
Eo ( T )
4
理论曲线
1011 W m -2 m -1 普朗克的黑体
单色辐出度函数及曲线线
3
e 2phc 2
E o(T) = 5
1
hc
kT 1
2
1
0
0
1
2
波 长 28
3
4
5
10- 6m
量子光学与量子信息的实验室搭建指南
量子光学与量子信息的实验室搭建指南随着量子科学的发展，量子光学与量子信息研究开始引起越来越多科学家的关注。
为了推动这一领域的研究，搭建一个高效、可靠的实验室至关重要。
本文将为您提供一份搭建量子光学与量子信息实验室的指南，旨在帮助您顺利开展相关研究。
实验室位置与规划实验室的位置及规划对其日后的研究成果和运作效率有着重要的影响。
首先，选择一个安静、干净、通风良好的区域。
避免选择靠近高功率电器或磁场干扰的地方，如电梯间或发电机房。
其次，根据实验的要求规划实验室的大小与布局。
确保实验室有足够的空间容纳光学仪器、实验台、电源和仪器设备，并预留一定的行进空间，以方便日常操作和维护。
实验装备与仪器搭建一个量子光学与量子信息实验室需要选择合适的装备和仪器设备。
以下是一些常见的仪器和设备供您参考。
1. 激光器：激光器在量子光学和量子信息的实验中起到非常重要的作用。
根据实验需求，选择合适波长、功率和稳定性的激光器。
2. 光学元件：光学元件包括透镜、偏振器、光栅等。
根据实验的需要选择合适的光学元件，并确保它们具有良好的质量和光学性能。
3. 光学探测器：光学探测器用于检测和测量实验中的光信号。
常见的光学探测器包括光电二极管、光电倍增管、光纤光栅等。
4. 实验台和支架：实验台和支架用于安装和支撑光学元件、实验设备和样品。
选择稳固且可调节的实验台和支架，以确保实验的可操作性和稳定性。
5. 控制与数据采集系统：量子光学和量子信息研究通常需要对实验参数进行精确控制和数据采集。
选择合适的控制与数据采集系统，可帮助您实现实验的准确性和稳定性。
实验环境与安全为了保证实验结果的可靠性和实验人员的安全，创造一个良好的实验环境是至关重要的。
以下是一些建议，以确保实验环境的卫生和安全。
1. 温度和湿度控制：对于一些对环境条件敏感的实验，如冷原子实验，温度和湿度的控制至关重要。
使用空调和加湿设备来维持实验室的适宜温湿度。
2. 辐射防护：对于一些使用放射性物质或高功率激光器的实验，确保实验室的辐射防护设备完好并有效。
量子光学课程教学大纲
课堂授课
授课对象
（TargetAudience）
致远学院物理方向本科生，物理与天文学院本科生
*授课语言
(Language of Instruction)
英语或双语
*开课院系
（School）
物理与天文学院
先修课程
（Prerequiຫໍສະໝຸດ ite）量子力学，光学授课教师
（Instructor）
金贤敏
课程网址
(CourseWebpage)
*课程简介（Description）
本课程将以量子力学和光学为基础，以量子信息科学与技术为牵引并贯穿全程，探索和理解光的量子化概念以及光量子态的产生和探测。通过本课程的学习，学生将理解物质的量子化，光子统计，光子聚束效应；学习各种光量子态包括相干态、压缩态和光子数态。通过四个专题，全面了解量子光学的最新研究前沿和量子物理与量子信息动态，包括量子纠缠与量子隐形传态、量子通信、量子计算和量子模拟等。
4.Single-photon sources
4
授课
课间回答问题
大作业
第九章（第9周，每周4学时）
1.Hong-Ou-Mandelinterference
2.Quantumdense coding
3.Exerciseclass
4
授课
课间回答问题
大作业
第十章（第10周，4学时）
1.Quantum teleportation
（2）课程末写一篇研究计划或者设想的论文，可以是基于2）中调研课题的延伸，也可以是结合自己所处研究组所从事的研究与量子光学交叉结合的研究设想（50%）。
*教材或参考资料
(Textbooks & Other Materials)
量子光学与量子信息
量子光学与量子信息近年来，量子光学和量子信息已经成为物理学和信息科学领域的热门研究方向。
它们不仅在科学研究中具有重要意义，而且在实际应用中也有巨大潜力。
本文将探讨量子光学和量子信息的基本原理以及它们在现实生活中的应用。
量子光学是研究光与物质相互作用的量子效应的学科。
在传统的光学中，我们描述光子是经典的粒子，而不考虑其量子性质。
但当我们研究光与微观物质的交互作用时，量子效应就变得不可忽略了。
量子光学研究的关键是如何描述和探测光的量子特性，比如光的量子叠加态和光的量子纠缠。
这些研究对于光学通信和量子计算等领域的发展都有重要意义。
量子信息是一门研究利用量子态来存储、传输和处理信息的学科。
与经典信息不同，量子信息理论允许信息的存储和传输在量子态中进行，从而可以实现超越经典信息理论的功能。
量子信息中最重要的概念之一就是量子比特，或称为量子位。
量子比特与经典比特不同，可以同时处于0和1态的叠加态，这种超越经典逻辑的特性使得量子信息处理具有无比的优势。
量子光学和量子信息之间有着密切的联系。
光子是量子信息的理想载体之一，因为它既可控制量子态的生成和操作，又易于传输和检测。
基于光子的量子信息处理是目前最为成功的实验平台之一。
通过利用光子的量子性质，科学家们已经实现了量子通信的重要基石——量子密钥分发。
量子密钥分发利用了量子纠缠的性质，能够实现绝对安全的密钥交换。
此外，量子光学也为量子计算提供了极大的便利，光子的高速传输和相对稳定性使得构建大规模量子计算机成为可能。
除了量子通信和量子计算，量子光学和量子信息还有许多其他应用。
例如，量子光学在精密测量中具有广泛的应用。
量子测量可以克服经典测量的一些限制，提高测量的精确度。
利用量子效应，科学家们已经实现了基于光的量子计量标准，为精密测量提供了良好的基础。
此外，量子传感器和量子成像技术也是量子光学和量子信息的热门研究领域。
量子传感器可以利用光的量子性质来提高测量灵敏度，并应用于生物医学、环境监测等领域。
量子光学与量子信息处理
量子光学与量子信息处理引言量子光学与量子信息处理是现代科学领域中备受关注的研究领域，它融合了量子物理与光学技术，广泛应用于通信、计算和加密等方面。
本文将介绍量子光学与量子信息处理的基本原理、应用以及未来发展趋势。
一、量子光学的基本原理量子光学是研究光与物质相互作用过程中的量子效应的学科，它基于量子力学理论，探讨了光子的量子特性以及光与物质的相互作用。
量子光学的基本原理包括以下几个方面：1. 光子的量子特性：光子是电磁辐射粒子的量子形式，具有离散的能量水平，在光与物质相互作用中表现出波粒二象性。
2. 光与物质的相互作用：光与物质的相互作用过程中存在吸收、发射、散射等现象，这些过程可以通过量子力学的理论框架进行描述和解释。
3. 量子光学效应：量子光学效应包括光的量子干涉、量子纠缠和光的非经典性与非线性效应等。
这些效应使得量子光学在信息处理和通信领域具有巨大的潜力。
二、量子信息处理的基本原理量子信息处理是利用量子力学理论处理和传输信息的技术，相对于经典信息处理，它具有更高的计算能力和更高的信息传输安全性。
量子信息处理的基本原理包括以下几个方面：1. 量子比特：量子计算的最基本单位是量子比特，与经典计算的比特不同，量子比特可以同时处于多种状态，这种超position态的特性赋予了量子计算更高的计算能力。
2. 量子纠缠：量子纠缠是指在两个或多个量子比特之间建立一种特殊的关系，其中一个比特的状态的变化会立即影响到其他比特的状态，这种非经典的相互关联性在量子计算和量子通信中起着重要作用。
3. 量子门操作：量子门操作是进行量子计算的基本操作，它包括量子比特的超position态的变换、测量和纠缠控制等。
通过不同的量子门操作可以实现量子计算的逻辑操作。
三、量子光学与量子信息处理的应用领域量子光学与量子信息处理在众多领域中展现出了广泛的应用潜力，包括但不限于：1. 量子通信：量子通信利用量子纠缠和量子加密技术，可以实现绝对安全的信息传输。
《初识光量子与量子世界》 说课稿
《初识光量子与量子世界》说课稿尊敬的各位评委、老师：大家好！今天我说课的题目是《初识光量子与量子世界》。
下面我将从教材分析、学情分析、教学目标、教学重难点、教法与学法、教学过程以及教学反思这几个方面来展开我的说课。
一、教材分析本节课选自于_____教材的_____章节。
这部分内容在整个物理学知识体系中具有重要的地位和作用。
量子力学作为现代物理学的重要分支，其研究对象和方法与经典物理学有很大的不同。
而光量子的概念则是开启量子世界大门的关键钥匙之一。
通过对光量子的学习，学生能够初步了解量子力学的基本思想和方法，为后续更深入的学习打下基础。
同时，这部分内容也与现代科技的发展密切相关，如激光技术、半导体技术等，对于培养学生的科学素养和创新意识具有重要的意义。
二、学情分析授课对象为_____年级的学生，他们在之前的学习中已经掌握了一定的物理学基础知识，如光学、电磁学等。
但是，量子力学的概念和思维方式对于他们来说是全新的，具有较大的挑战性。
这个阶段的学生思维活跃，好奇心强，具备一定的探究能力和逻辑思维能力。
然而，他们对于抽象的概念和复杂的理论理解起来可能会存在困难。
因此，在教学过程中，需要通过生动形象的例子和实验，帮助学生建立起直观的认识，逐步引导他们理解和掌握相关知识。
三、教学目标基于对教材和学情的分析，我制定了以下教学目标：1、知识与技能目标（1）学生能够理解光量子的概念，知道光的能量是量子化的。
（2）了解光电效应的基本规律，能够运用光量子理论解释光电效应现象。
（3）初步认识量子世界的基本特征，如微观粒子的波粒二象性。
2、过程与方法目标（1）通过观察实验、分析数据，培养学生的观察能力和逻辑思维能力。
（2）经历对光电效应现象的探究过程，使学生体会科学探究的方法。
3、情感态度与价值观目标（1）激发学生对科学的好奇心和求知欲，培养学生勇于探索、敢于创新的科学精神。
（2）让学生感受物理学的奇妙和魅力，增强学习物理学的兴趣和信心。
量子光学与量子信息
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基础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和1905年,普朗克和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基本物理思想。
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发展。
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基础的量子光学学科领域。
光量子或称光子为基本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学基本规律,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和相干性,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，量子光学的原理和理论基础为：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(λ,T )，如炉子,酒精灯…2．平衡热辐射：相同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：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在λλλd ~+范围内辐射能量)T (dE λ和波长间隔λd 的比值λλλd )T (dE )T (e =2． 辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。
λλd )T ,(e )T (E ⎰∞=0三． 吸收比、反射比1． 吸收比：JB )T (a = 单色吸收比：)T ,(J )T ,(B )T ,(a λλλ=2． 反射比：JR )T (=ρ 单色反射比：)T ,(J )T ,(R )T ,(λλλρ= 不透明物体：1=+)T ,()T ,(a λρλ四．绝对黑体（黑体）1． 定义：1=)T ,(a λ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洞：1=)T ,(a λ且0=)T ,(e λ2．灰体：1<=ηλ)T ,(a 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)T ,(e )T ,(a )T ,(e B i i λλλ= 因此，“绝对黑体的单色辐出度”，是当时研究的尖端课题。
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量子光学与量子信息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基础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和1905年,普朗克和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基本物理思想。
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发展。
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基础的量子光学学科领域。
光量子或称光子为基本能量单元的量子化光场遵循量子电动力学基本规律,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和相干性,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，量子光学的原理和理论基础为：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(λ,T )，如炉子,酒精灯…2．平衡热辐射：相同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：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的波长在λλλd ~+范围内辐射能量)T (dE λ和波长间隔λd 的比值λλλd )T (dE )T (e = 2． 辐出度：单位时间内从物体表面单位面积上向各个方向所发射的各种波长的辐射总能量。
λλd )T ,(e )T (E ⎰∞=0三． 吸收比、反射比1． 吸收比：J B )T (a =单色吸收比：)T ,(J )T ,(B )T ,(a λλλ=2． 反射比：J R )T (=ρ 单色反射比：)T ,(J )T ,(R )T ,(λλλρ= 不透明物体：1=+)T ,()T ,(a λρλ四． 绝对黑体（黑体）1． 定义：1=)T ,(a λ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洞：1=)T ,(a λ且0=)T ,(e λ2． 灰体：1<=ηλ)T ,(a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)T ,(e )T ,(a )T ,(e B i i λλλ= 因此，“绝对黑体的单色辐出度”，是当时研究的尖端课题。
推论：①若T A ＝T B ，则辐射多的吸收也多，不能辐射亦不能吸收； ②λ一定时，绝对黑体辐射和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b T m =⋅λK m .b ⋅⨯=-31089722． 斯特藩－玻尔兹曼定律4T )T (E B σ=42810675---⋅⋅⨯=K m W .σ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；42-=λπλckT )T ,(e B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；T hcB e hc )T ,(e λλπλ--=522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1252-=-T k hc B e hc e λλπ 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νεh=的整数倍；3．发射和吸收的能量只能是ε的整数倍。
四．历史回顾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1897~1899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，他很快接受，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表面上时，有电子从表面逸出的现象。
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；N I Ne i I S ∝⇒=∝即：单位时间内从金属表面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0221eU ek mv -=ν 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0ν,光电效应第三定律kU 00=ν，0νν>才会产生光电效应 （P ．222表20－1，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0ν时，则不会产生光电效应；4．光电效应的时间：s 810-≤三． 光电效应与光的波动理论的矛盾1． 光子的初动能：0221eU ek mv -=ν 按波动说，应取决于入射光强I2． 光电效应的时间：s 810-≤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：电子逸出物体表面所需的最小能量。
1． 光子假设→光具有粒子性① 光是运动着的粒子流→光子② 每个光子的能量为νεh =如：⇒=nm 500λ)J (.hch 1910983-⨯===λνε③ 光的能流密度：νh n S =n ：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A mv h +=221ν 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：① Ne I ∝：↑⇒I 光子数↑⇒光电子数↑② 0221U k U A h mv a -=-=νν00eU A A h ek h ===⎩⎨⎧νa U ：遏止电压，0U ：逸出电位③ ekA h A ==0ν 光电子动能不小于零④ s t 810-≤：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，密立根进行了精密的测量，证明ν~U a 确为直线，且直线的斜率为e h。
1923年获奖4. 光子的能量、质量和动量2c h m hP h νλνε===⎩⎨⎧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行了系统研究二． 实验装置：如图三． 实验结果1． 散射线中有与入射线波长0λ相同的射线（经典散射,瑞利散射），也有0λλ>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0λλλ∆-=nm sin .sin c m h e 20048602222ϕϕλ∆== nm )cos (.)cos (cm h e ϕϕλ∆-=-=10024301四． 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 和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精确可解模型。
腔体量子电动力学是近年来量子光学和原子物理的一个重要研究领域,它研究的对象是在电磁谐振腔中的单个原子和一些光子相互作用。
近年来,在原子和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和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和最典型的模型,也是量子光学中少数精确可解的模型之一。
近年来, J-C模型不论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和Cummings提出了解决原子和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。
由于该模型有精确可解的解析解，所以成为近代量子光学中研究问题的基础。
J-C模型在偶极近似和旋转波近似下的哈密顿量。
这种相互作用能表明在原子跃迁时伴随光子的发射和吸收过程"(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跃的前沿课题。
腔内原子的辐射谱, 由于其结构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和相互作用规律, 因而对这一问题进行深入研究, 既具有重要的学术价值, 又可开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体现光场的非经典特征的。
理论研究表明：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。