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。

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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 λ

2．

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；

② λ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 =⋅λ

K m .b ⋅⨯=-3108972

2． 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 hc B 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 1

252-=

-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

022

1eU 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

k

U 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）