量子光学与量子信息

量子光学与量子信息

摘要：本文简要介绍量子光学及量子信息学科的研究内容及发展概况,侧重概述该领域的重要实验研究成果及应用前景。

关键词：量子光学量子信息应用前景

Quantum Optics and Quantum Information

Abstract:This paper describes research in quantum optics and quantum information science and development overview, focusing on an overview of important experimental research and application prospects in this field.

Key words:Quantum Optics Quantum Information Application Prospect

量子光学与量子信息是20世纪末期兴起的最具生命力的新兴学科，它们以不可替代的实验手段验证那些尚存争议的量子力学基本原理，从深层次上推动着物理学的发展。另一方面，将基本理论与操纵单量子的独特实验方法应用于信息处理，又开拓出实用性极强的量子信息新领领域。域。正由于此，这两门学科不仅吸引着世界众多理论与实验物理学家为之努力，得以日新月异地迅猛发展，而且它在通讯、信息处理及计算机科学中所显示出的令人震撼的具大潜力与优势，也引起各国金融界、工业界及政府部门的广泛关注。我国在国家科技部、教育部及国家自然科学基金委等部门的支持下，也开展了这一领域的研究,形成了一支以中青年为主的科研队伍，在理论与实验两方面都做出了一些重要的、具有创新性的贡献，获得国际同行的认可和好评。当前，量子光学与量子信息学科正处于取得重大突破的前夜，许多问题尚待探索，是极具挑战性的前沿科学研究。

1 量子光学

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20世70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。

以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等。

1.1 光场的量子噪声

光场的量子噪声在光子学及其诸多的应用研究中占有重要的地位。量子噪声与光放大、光探测等物理过程紧密相关。若在光场的每一个模式中的光子数很大，则完全可用光的经典理论来描述，反之，若每一个模式中有一个或少数的光子时，就必须考虑量子噪声的影响。为了克服或消除量子噪声的影响，人们卓有成效地进行了诸多方面的研究。

（1）光场压缩态的产生和应用

随着认识的深人，人们已经发现有三类光：一是混沌光,它是自发辐射过程产生的光子构成的，给出的是最大噪声的光场；二是相干光即激光，具有很低的总噪声，并称之为真空噪声；三是由非线性过程产生的非经典光，如压缩光、光子数态光等。

由于压缩态中可以使光场的某个正交分量具有比相干态更小的量子噪声，因此，在光通信、高精度测量等诸多应用中可突破散粒噪声极限，具有极为重要的实际意义。

自1985年首次在实验中获得压缩光场的近十多年来，世界各国的有关实验室在光场压缩态的获得和探测等方面进行了卓有成效的研究工作，已实现了正交相位压缩、强度差压缩、

振幅压缩等。目前，国内外有关实验室的注意力和兴趣已经转向压缩光的应用方面。其中，最引人注目的两个方面是:利用压缩光进行低于散粒噪声的高精度测量和利用压缩光实现与原子的相互作用，特别是实现与冷原子的相互作用。此外，具有量子非局域纠缠特性的双模压缩态光场，是未来量子信息处理系统中完成量子信息操作与传递的重要“工具”。近期完成的量子离物传态就是压缩态光场在量子信息学科中的成功应用。

（2）突破散粒噪声极限的超高精度测量

光场的量子噪声是提高光信息传输、处理、探测和测量能力的最终限制。因此，在信息科学等诸多领域中，突破由量子噪声形成的散粒噪声极限（SNL）的限制是科学界长期追逐的目标。压缩态光场的出现，为实现灵敏度突破SNL限制的超高精度测量打开了希望之门。各国科学家已完成了一系列压缩态光场的应用研究课题。如将正交压缩真空态用于填补干涉仪的“暗”通道，使振幅、相移、偏振及光谱测量的灵敏度达到高于由SNL所限定的水平。除正交压缩真空态之外，通过运转于阂值以上的光学参量振荡器获得量子相关的孪生光束，其强度差的量子噪声低于散粒噪声极限，而且，理论与实验研究表明，较之正交压缩真空态，这种强度差压缩在实验上更易实现，因此它的应用研究也更具有吸引力。目前国际上几个著名的量子光学实验室已用强度差压缩光完成了灵敏度突破SNL的微弱信号检测，双光子吸收光谱分析等实验。

1.2 光场与物质相互作用中的动量传递

光与物质相互作用的动量传递是量子光学研究的另一个重要方面，也是近年来发展十分迅速的研究领域。光与原子或离子的相互作用中，由于动量传递形成的辐射压力足以控制原子或离子的运动，最成功的应用是对原子和离子的激光冷却与俘获。

利用辐射场与物质相互作用的动力效应，通过适当选择激光的偏振、频率和强度，可以用光束控制原子的运动状态，使之减速，并可进一步将其稳定地俘获于空间某一特定的势阱中；也能操纵原子或其它微小粒子（如细胞、细菌等）使之按照一定的要求移动或偏转。

近年来，激光冷却与俘获的理论和实验技术已经日趋完善，并被广泛应用于基础科学和高技术领域的研究。人们已经提出诸多的冷却机制，使原子冷却的温度不断降低。例如，除早期的“光子粘胶”方法外，近来还提出速度选择相干布居俘获方法等,能使原子被冷却到光子反冲极限温度以下。虽然光子粘胶方法可冷却原子，并在一定程度上限制原子扩散，但还不能构成稳定的原子势阱。在最初的静磁阱与光学阱的基础，人们又提出磁光阱，通过多能级原子与外部的非均匀磁场相结合，实现了散射力原子阱。其后又通过不断完善使阱深、俘获区域、稳定性等均达到原子俘获的要求。目前，世界各国几乎所有的现代化光学实验室均建立了激光冷却与俘获原子的装置，并用以开展各具特色的前沿性科学研究工作。

对于冷原子而言多普勒效应对于谱线宽度的影响被有效抑制，因此可以将泵浦光和探针光更准确地调谐在原子共振线附近，以获得较大的非线性极化。被冷却和俘获的原子样品成为一种新的很好的非线性光学介质。例如:有的研究组已将被冷却和俘获的艳原子样品置于光学谐振腔内，在极低的闹值功率下观测到了双稳、多稳、喇曼光以及量子噪声压缩等丰富的非线性量子光学效应。除了冷却和俘获中性原子外，冷却和俘获离子以及用“光”操纵细

胞等方面的研究也获得了很大的进展。所有这些都表明，激光冷却和俘获技术已为我们提供了一种前所未有的实验手段，使我们能够到达并触及微观粒子，窥探原子世界,用宏观手段来验证量子力学的基本原理。

2 量子信息

20世纪前半叶，自然学科诞生了最具影响力的两门学科，量子力学和信息学。前者成为目前研究微观粒子运动规律离不开的理论基础，使人类对自然界的认识发生了里程碑的突破，它解释和预言了大量奇妙的物理现象，如微观粒子的波粒二象性、隧道效应和纠缠现象