量子光学lecture 7-8
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量子光学ppt
27
M (T ) /(1014 W m3 )
可
1.0
见
光
区
0.5
6000K
3000K / nm
0
1000 2000
m
普朗克的能量子假说
T m
以上两个实验定 律是遥感、高温 测量和红外追踪 等技术的物理基 础。
28
m
普朗克的能量子假说
29
（3）维恩定律
ec3 T
M o (T ) c2 5
两大新理论的诞生： ①狭义和广义相对论；
②量子力学
引言
18
量子概念是 1900 年普朗克首先提出的，距今已有 一百多年的历史.其间，经过爱因斯坦、玻尔、德布罗意、 玻恩、海森伯、薛定谔、狄拉克等许多物理大师的创新努 力，到 20 世纪 30 年代，就建立了一套完整的量子力学 理论.
量子力学
微观世界的理论 起源于对波粒二相性的认识
爱因斯坦光量子假设 康普顿散射
光的粒子性
光的波动性
光的波粒二象性
引言
16
“There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measurement.”
“……two small, puzzling clouds remained on the horizon”.
E吸收 E入射
普朗克的能量子假说
22
2. 基尔霍夫定律
同一个物体的发射本领和吸收本领有内在 联系
室温下的反射光照片 1100K的自身辐射光照片
普朗克的能量子假说
23
一个好的发射体一定也是好的吸收体。
《量子光学》课件
详细描述
量子光学的发展经历了从经典到量子、从理论到实验的演变。
总结词
量子光学的发展始于20世纪初，当时科学家开始研究光的量子性质。随着量子力学的建立和发展，人们逐渐认识到光不仅具有波动性质，还具有粒子性质。此后，量子光学逐渐发展成为一个独立的学科领域，并不断取得新的研究成果和突破。
详细描述
CHAPTER
CHAPTER
量子光学应用
05
03
量子信道容量
研究量子信道的容量限制，为量子通信技术的发展提供理论支持。
01
量子密钥分发
利用量子态的不可复制性，实现通信双方安全地生成和共享密钥，用于加密和解密信息。
02
量子隐形传态
利用量子纠缠，实现量子态的信息传输，即使在遥远距离上也能传送量子态的信息。
利用量子并行性和量子纠缠等特性，设计高效的量子算法，用于解决某些经典计算机难以处理的问题。
《量子光学》PPT课件
目录
contents
量子光学概述量子光场的描述量子光源量子光学实验量子光学应用总结与展望
CHAPTER
量子光学概述
01
量子光学是一门研究光子与物质相互作用、光子自身行为的科学。
总结词
量子光学是物理学的一个分支，主要研究光子与物质的相互作用以及光子自身的量子行为。它涉及到光子的产生、传播、吸收、散射等过程，以及光子与其他粒子相互作用时的量子特性。
新型量子光源
单光子源可实现单光子级别的操作、量子纠缠光源可实现量子通信和量子计算等应用。
特点
量子通信、量子计算、量子传感等。
应用
CHAPTER
量子光学实验
04
总结词
揭示量子波动性
详细描述
双缝干涉实验是量子光学中经典的实验之一，通过让单光子依次通过两条细缝，在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹，从而证明了光具有波动的特性。
量子光学的发展经历了从经典到量子、从理论到实验的演变。
总结词
量子光学的发展始于20世纪初，当时科学家开始研究光的量子性质。随着量子力学的建立和发展，人们逐渐认识到光不仅具有波动性质，还具有粒子性质。此后，量子光学逐渐发展成为一个独立的学科领域，并不断取得新的研究成果和突破。
详细描述
CHAPTER
CHAPTER
量子光学应用
05
03
量子信道容量
研究量子信道的容量限制，为量子通信技术的发展提供理论支持。
01
量子密钥分发
利用量子态的不可复制性，实现通信双方安全地生成和共享密钥，用于加密和解密信息。
02
量子隐形传态
利用量子纠缠，实现量子态的信息传输，即使在遥远距离上也能传送量子态的信息。
利用量子并行性和量子纠缠等特性，设计高效的量子算法，用于解决某些经典计算机难以处理的问题。
《量子光学》PPT课件
目录
contents
量子光学概述量子光场的描述量子光源量子光学实验量子光学应用总结与展望
CHAPTER
量子光学概述
01
量子光学是一门研究光子与物质相互作用、光子自身行为的科学。
总结词
量子光学是物理学的一个分支，主要研究光子与物质的相互作用以及光子自身的量子行为。它涉及到光子的产生、传播、吸收、散射等过程，以及光子与其他粒子相互作用时的量子特性。
新型量子光源
单光子源可实现单光子级别的操作、量子纠缠光源可实现量子通信和量子计算等应用。
特点
量子通信、量子计算、量子传感等。
应用
CHAPTER
量子光学实验
04
总结词
揭示量子波动性
详细描述
双缝干涉实验是量子光学中经典的实验之一，通过让单光子依次通过两条细缝，在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹，从而证明了光具有波动的特性。
《量子光学》课程教学大纲
《量子光学》课程教学大纲一、中文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容）量子光学()是高校理科物理专业学术型硕士的专业选修课之一。
本课程48学时，3学分。
主要内容包括：量子力学基础、经典电磁场与原子的相互作用、电磁场物理量的算符表示、电磁场的量子态、电磁场量子态在相干态表象中的表示、电磁场的相干性、量子电磁场与原子的相互作用、量子光学的发展历史和研究前沿、量子光学相关科技的发展历史和研究前沿几部分。
二、英文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容）Quantum Optics () is one of the specialized optional courses for academic master in Department of Physics. It has 48 periods and 3 credits. The major elements of Quantum Optics are quantum mechanics theory, the interaction between classical electromagnetic field and atom, operators of electromagnetic field, quantum states of electromagnetic field, the representation in coherence state for quantum states of electromagnetic field, the coherence of electromagnetic field, the interaction between quantum electromagnetic field and atom, the history and frontier of Quantum Optics and its application.三、教学目标1 通过本课程的学习，掌握量子光学的基本概念和基本规律，为后续的科学研究打下必要的量子光学基础。
量子光学
爱因斯坦在1948年4月悼念普朗克的会上, 充分肯定了普朗克常数发现的重大意义：
“这一发现成为20世纪整个物理学研究的基础。
从那时候起，几乎完全决定了物理学的发展。 要
是没有这一发现，那就不可能建立原子、分子以 及支配它们变化的能量过程的有用理论。而且， 它还粉碎了古典力学和电动力学的整个框架，并 给科学提出了一项新的任务 : 为全部物理学找出
4 ( , T ) r0 ( , T ). c
因此有
证明
2 2 r0 ( , T ) 2 kT. c
曲线
上式为瑞利 - 金斯公式。它在波长相当长 时才与实验曲线相符。随着波长的减小，辐射 能量无限大。这就是物理学发展史上所谓的紫 外灾难。
(2) 普朗克能量子假说
普朗克假说 : 黑体是由带电的线性谐振 子所组成。这些谐振子能量不能连续变化， 只能取一些分立的值，这些分立值的是最小 能量 0 的整数倍，即 0, 0 , 20 , 30 ,…, n0,…,称为谐振子的能级。最小能量
吸收本领定义为:
吸收
r ( , T ) ( , T ) . r ( , T )
入射
(4)基尔霍夫定律:
物体的单色辐出度和吸收本领的比值 与物体性质无关。对于所有物体，这个比 值是波长和温度的函数，可表示为
r (, T ) f (, T ). ( , T )
上式是基尔霍夫定律的数学表达式。
不同的
m1, m2, m3 形成三
kx
L2
维空间点阵, 8个格点形 L1 成一个长方体元, 每个 格点又属于8个长方体元. 因此 , 每一格点对应一个长方体元 , 有 n 个格 点，对应n个长方体元, 就有n个振动模式.
量子光学讲稿(2012.4)
《量子光学》讲稿
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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
（ 6）
将（5）代入（6）得：（刘维尔方程）
i ,
（ 7）
投影算符
密度算符及其运动方程
二能级原子密度矩阵
假设二能级的两个态为 a 和 b，也就是说
Ca a Cb b
对于二能级系统，有：
矩阵元为：
aa
a a
C
(t ) a
2
ab
a b C a (t ) C b (t )
通过密度算符
QM
P
也就是：
表示：
ensemble
Tr
Tr Tr
密度矩阵运动方程
由薛定谔方程可得密度矩阵满足的运动方程：
式（3）的密度的时间导数为：
P ( )
i
（ 5）
量子光学
王 江 光 学
二能级原子密度矩阵
密度矩阵概念 密度矩阵运动方程
二能级原子密度矩阵 原子间的弹性碰撞
密度矩阵概念
对于给定的物理系统，存在包含该系统所有信息的态矢量 。如果我们想要知道该系统某方面
的准确信息，则需要计算相应算符的期望值 。
（ 1）
而有些量子力学系统（例如多粒子问题），并不知道其态矢量，只知道一定的统计性质，这时 QM 求力学量的平均值不仅需要求量子力学平均，还需要求统计平均，即
*
ba
* ab
bb
b b CBiblioteka b(t )2
将密度矩阵算符写成矩阵形式：
aa ba
ab bb
原子间的弹性碰撞如果a=2,b=1
1
将（5）代入（6）得：（刘维尔方程）
i ,
（ 7）
投影算符
密度算符及其运动方程
二能级原子密度矩阵
假设二能级的两个态为 a 和 b，也就是说
Ca a Cb b
对于二能级系统，有：
矩阵元为：
aa
a a
C
(t ) a
2
ab
a b C a (t ) C b (t )
通过密度算符
QM
P
也就是：
表示：
ensemble
Tr
Tr Tr
密度矩阵运动方程
由薛定谔方程可得密度矩阵满足的运动方程：
式（3）的密度的时间导数为：
P ( )
i
（ 5）
量子光学
王 江 光 学
二能级原子密度矩阵
密度矩阵概念 密度矩阵运动方程
二能级原子密度矩阵 原子间的弹性碰撞
密度矩阵概念
对于给定的物理系统，存在包含该系统所有信息的态矢量 。如果我们想要知道该系统某方面
的准确信息，则需要计算相应算符的期望值 。
（ 1）
而有些量子力学系统（例如多粒子问题），并不知道其态矢量，只知道一定的统计性质，这时 QM 求力学量的平均值不仅需要求量子力学平均，还需要求统计平均，即
*
ba
* ab
bb
b b CBiblioteka b(t )2
将密度矩阵算符写成矩阵形式：
aa ba
ab bb
原子间的弹性碰撞如果a=2,b=1
1
量子光学课件古英
1940---1960 World WarÆRadarÆEnhanced signal ÆMaserÆhigh frequencyÆLaser 12
Quantum Optics几乎没有什么进展，原因有（2） （1）经典的电磁理论Maxwell方程太过完美 （2）光源 （热光源下，观察不到量子现象；激光？）
1901年，Max Planck Æ quanta 1905年，A. Einstein Æ photon 1913年，Bohr 解释了原子的分立谱线 1923年，Compton scattering theory E=ħω 1924年，DeBrogli 提出了物质波的波粒二象性 1927年，Quantum mechanics 建立，相对论 1924年，DeBrogli 提出了物质波的波粒二象性 1930年，QED建立, Feyman
描述微观粒子间的相互作用 物理量由算符和波函数表达
光场是量子化的电磁场
光与物质相互作用时，“理论”划分
全经典理论：光和物质均为经典 半经典理论：光是经典，介质是量子 半量子理论：光是量子，介质是经典 全量子理论：光和物质均为量子
ω
8
二、量子光学的发展历程 1、量子力学的发展史（与光相关的部分）
1900-1930，物理学发展的黄金时期，量子力学初建， 现代物理学的基础
A、黑体辐射问题 黑体：任何频率的光100%被吸收
ν
9
黑体辐射的实验结果
解决不了紫外发散的困难 Planck公式，长波和短射电磁波是以一份一份的方式 进行，每一份（量子）的能量是ħω
ħ： Planck常数，架起经典和量子的桥梁
10
B、光电效应（1888年H.Hertz发现的）
定义粒子数算符 n＝a＋a
Quantum Optics几乎没有什么进展，原因有（2） （1）经典的电磁理论Maxwell方程太过完美 （2）光源 （热光源下，观察不到量子现象；激光？）
1901年，Max Planck Æ quanta 1905年，A. Einstein Æ photon 1913年，Bohr 解释了原子的分立谱线 1923年，Compton scattering theory E=ħω 1924年，DeBrogli 提出了物质波的波粒二象性 1927年，Quantum mechanics 建立，相对论 1924年，DeBrogli 提出了物质波的波粒二象性 1930年，QED建立, Feyman
描述微观粒子间的相互作用 物理量由算符和波函数表达
光场是量子化的电磁场
光与物质相互作用时，“理论”划分
全经典理论：光和物质均为经典 半经典理论：光是经典，介质是量子 半量子理论：光是量子，介质是经典 全量子理论：光和物质均为量子
ω
8
二、量子光学的发展历程 1、量子力学的发展史（与光相关的部分）
1900-1930，物理学发展的黄金时期，量子力学初建， 现代物理学的基础
A、黑体辐射问题 黑体：任何频率的光100%被吸收
ν
9
黑体辐射的实验结果
解决不了紫外发散的困难 Planck公式，长波和短射电磁波是以一份一份的方式 进行，每一份（量子）的能量是ħω
ħ： Planck常数，架起经典和量子的桥梁
10
B、光电效应（1888年H.Hertz发现的）
定义粒子数算符 n＝a＋a