第六章 量子光学
量子光学
量子光学的进展光物理是近代物理发展最活跃的领域之一。
特别是近30年来，由于激光的问世，光学的面貌发生了深刻的变化，光物理的研究内容也从传统的光学与光谱学迅速扩展到光学与物理其他分支学科的交汇点。
诸如激光物理、非线性光学、高分辨率光谱学、强光光学和量子光学正不断趋于完善和成熟。
量子光学是研究光场的量子统计性质与物质相互作用的量子特征的学科。
它包括：非经典光场‘激光操纵原子、分子及其应用’量子光学和量子力学的交叉与渗透的研究。
尽管人类认识到光的量子性已经近一百年，但是应用量子理论研究光辐射与光场的相干性及统计性还只是近年来的事。
从光量子论的诞生，到随后量子力学的建立，对物理学乃至整个自然科学产生了极其深刻的影响。
一 hbt实验1956年，由汉堡、布朗及退斯完成了光学关联实验。
这一实验又常以三人姓氏第一字母打头，被称为hbt实验。
他们把发自放电管的辐射，经滤波后，由半透半反分光器分为两束，其中一束经时间延迟器。
两只光电倍增管分别接收两束光后，再把其输出信号馈送到一个相关器中。
这样，相关器测量到的将是两个不同时空点光场强度起伏的关联，不再是过去的相干实验中所测的光场强度自身的相位关联。
通过这一实验，他们首次证实了光场存在有高阶相关效应，这是过去任何经典干涉与衍射实验所没能观察到的。
就相干光的频率而言，光场的强度起伏关联是一个缓慢变化的量，它的测量值受到外界的扰动要比测量相位关联微弱得多。
hbt实验给相干性带来了全新的概念。
根据经典理论，传统光场的随机性只用一个一阶相关函数描述就够了，这就是一阶相干度为1时，即对应完全相干性情况。
然而，hbt实验测出的光场起伏却表明，上述相干性的描述并不完备，还必须补充二阶或更高阶的相关函数。
只有当一阶、二阶或更高阶的相干度均为1时，才能称为完全相干光。
在普通光源情况下，不可能获得这种真正的完全相干光。
然而，一台理想的激光器所产生的光场就处于相干态，只有激光诞生后，人们才有可能获得真正的相干光源。
量子光学
必须指出的是，光量子学说的提出，成功的解释了光电效应现象的实验结果，促进了光电检测理论、光电检 测技术和光电检测器件等学科领域的飞速发展；因此，从这个意义上讲，爱因斯坦是光电检测理论之父。不仅如 此，光量子学说的提出最终导致了量子光学的建立，所以说它是量子光学发展的源头和起点；因此，从这个意义 上讲，爱因斯坦是量子光学的先驱和创始人。尤为重要的是，爱因斯坦在其光量子学说中所提出的有关光量子这 一概念，几经发展形成了当今的光子这一概念，最终导致光子学理论的建立，并由此带动了光子技术、光子工程 和光子产业的迅猛发展；可见，光量子学说是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的发端；因此，从这个意 义上讲，爱因斯坦是光子学、光子技术、光子工程和光子产业的先导。除此而外，爱因斯坦在研究二能级系统的 黑体辐射问题时曾提出了受激辐射、受激吸收和自发辐射这三个概念，并形式的引入了爱因斯坦受激辐射系数、 受激吸收系数和自发辐射系数这三个系数等等；特别是受激辐射这一概念的提出，最终导致了激光器的发明、激 光的出现和激光理论的诞生，直至形成了当今的激光技术、激光工程和激光产业；因此，从这个意义上讲，爱因 斯坦本人是当之无愧的激光之父和激光理论的先驱。
图5研究实验
图6量子光学除了单个原子的自发辐射外，还有多个原子在一起时产生的相干自发辐射，也称超辐射。
发展历程
01
光电效应
02
理论体系
03
推向深入
04
学科成就
06
理论规则
05
激光之父
图7 M·普朗克提出了能量子假设众所周知，光的量子学说最初由A．Einstein于1905年在研究光电效应现象 时提出来的[注：光电效应现象包括外光电效应、内光电效应和光电效应的逆效应等等，爱因斯坦本人则是因为研 究外光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得诺贝尔物理学奖；这是量子光学发展史中的第一 个重大转折性历史事件，同时又是量子光学发展史上的第一个诺贝尔物理学奖。尽管爱因斯坦终生对科学的贡献 是多方面的（例如，他曾建立狭义相对论和广义相对论等等），但他本人却只获得这唯一的一次诺贝尔物理学奖]。
《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
量子力学中的量子光学
量子力学中的量子光学引言:量子光学是研究光与物质相互作用时所涉及到的量子效应的一门学科。
它是量子力学和光学的交叉领域，旨在研究和利用光与物质之间微观量子相互作用的基本规律。
本文将对量子光学的基本概念、主要理论模型以及应用领域进行探讨。
一、光的量子性光的量子性是指光在传播过程中表现出的粒子特性。
在经典物理学中，光被认为是一种电磁波，具有波动特性。
然而，根据爱因斯坦提出的光电效应理论以及普朗克的能量量子化假设，我们知道光也具有粒子性。
量子光学的基础是光的量子化，即将光的能量分解成一系列能量量子，每个能量量子被称为光子。
光子是光的基本粒子，具有能量和动量。
根据光的量子化理论，光的能量由光频以及普朗克常量决定。
二、光与物质的相互作用量子光学研究了光与物质之间微观量子相互作用的规律。
在物质中，光与原子、分子等微观粒子发生相互作用，产生吸收、发射、散射等过程。
这些相互作用是由光子与物质之间的相互作用引起的。
1.束缚态系统中的光与物质相互作用束缚态系统是指原子、分子等在某种势场中形成的稳定态。
在束缚态系统中，光与物质的相互作用主要通过能级之间的跃迁来实现。
当光照射到束缚态系统时，光子与物质之间的相互作用将导致能级的改变。
这一过程可通过光的吸收和发射来描述。
2.连续态系统中的光与物质相互作用连续态系统是指大量粒子构成的系统，如固体、液体和气体。
在连续态系统中，光与物质的相互作用主要通过散射过程来实现。
散射过程涉及到光与粒子之间的相互作用，其中包括散射角、散射截面等参数。
三、主要理论模型量子光学研究光与物质的相互作用，其中有几个主要的理论模型。
1.松原方程松原方程是描述光与物质相互作用的基本方程之一。
它是由松原在20世纪40年代提出的，在量子光学中具有重要的地位。
该方程描述了光波通过线性吸收介质传播的行为，其中包括折射、散射和吸收等过程。
2.光与原子相互作用的量子力学模型该模型主要用于描述光与单个原子的相互作用。
量子光学原理与实验
量子光学原理与实验量子光学是一门研究光与物质相互作用中涉及量子效应的学科。
它探索了光的量子特性，如光子的波粒二象性，量子叠加态和量子纠缠等，为实现量子信息处理和量子通信提供了理论基础和实验技术支持。
本文将介绍量子光学的原理和实验，以及其在科学研究和技术应用中的重要性。
一、量子光学的原理量子光学研究的核心是光与物质相互作用的量子特性。
根据光的波粒二象性，在量子光学中，光被描述为由光子组成的粒子流。
光子是光的量子，具有离散的能量和动量。
量子光学使用的理论框架是量子力学，通过波函数和算符的形式，描述了光的量子态和其演化。
1. 光的量子态根据量子力学的原理，光的量子态可以用波函数表示。
在量子光学中，最常用的描述光的量子态的形式是相干态。
相干态是具有确定相位关系和强度分布的光，可以通过干涉实验来检验光的波动性。
在相干态下，光的波函数是处于一个确定的状态，而非多个状态的叠加。
2. 光与物质的相互作用在量子光学中，研究光与物质的相互作用是重要的课题之一。
当光通过物质时，会发生散射、吸收和发射等过程，这些过程都涉及到光子与物质之间的相互作用。
光的相干特性和量子叠加态使得光子与物质的相互作用可以导致一些奇特的现象，如量子隐形传态和量子纠缠等。
二、量子光学的实验为了验证量子光学的理论，科学家进行了大量的实验研究。
量子光学实验设计的核心目标是观察和控制光的量子态，以及光与物质的相互作用。
以下为几个经典的量子光学实验：1. 干涉实验干涉实验是量子光学中常用的实验方法之一。
通过将光分为两束，然后再将它们重新合并，观察干涉效应。
干涉实验可以验证光的波动性和粒子性，并且可以用来测量光的相位差、强度等参数。
2. 光的操控与调控实验量子光学实验还包括对光的操控与调控。
研究者可以使用光学器件，如光栅、偏振器等，对光的波函数进行调制。
这些器件的设计和使用可以实现光的分束、偏振和调制等操作，从而实现对光的精确控制。
3. 量子纠缠实验量子纠缠是量子光学中的重要概念之一，也是量子信息处理的基础。
《量子通信》课件第六章量子信道
若输入量子状态的密度算子为 ，输出量子态 的密度算子为 ' ，则量子信道可表述为映射：
即经过信道后，映' 射 (为) 。
（6- 1）
'
（1）量子信道的酉变换表示
若信道对量子态的变换可用酉算子U表 示，则称 () U U †为信道的酉变换表示形式， 经过信道后状态 变为 。U输入输出过程 如图6.1所示，其中酉变化可以用一个量子 线路来实现。
具有运算元 {Ek} 的保迹或非保迹的量子运算 ，必
存在起始于纯态的一个环境E，以及由酉算子U和E 上的投影算子P所表征的动力学过程，使得有
() trE (PU( e0 e0 )U†P)
（6-17）
这里仅说明当() 为保迹量子运算时，目的是寻找
合适的U算子模拟这一过程，其中， ( )的算子和表示中
若将信道对量子态的作用看作测量，且测量
算子为 M m
，则m ()
M
m
M
† 为用测量算子描述
m
的信道模型。系统在测量后的状态 m () ，
获得这个结果的概率为
p(m)
tr
(
m
(
tr (
))
m (
。
))
6.1.2 量子信道的公理化表示
量子信道的公理化表示，与前述方法相比较 为抽象，但适用范围更广。如前所述，量子 信道定义为从输入空间 Q1 的密度算子集合到 输出空间 Q2 的密度算子集合的一个映射，该 映射具有以下性质
公理1：当初始状态为 时，tr[m ()] 表示由 表
征的过程出现的概率，
0 tr[m ()] 1
公理2：若 为密度矩阵集合上的一个凸线性映
射，即对概率{Pi} ，有
量子光学的理论和技术
量子光学的理论和技术量子光学是量子力学在光学领域的应用与发展，其研究对象是光和光与物质相互作用的过程。
量子光学通过量子力学理论描述了光线的本质，即光子。
光子不仅仅是光的粒子性质的象征，还是量子力学体系中物质微观世界的研究对象之一。
本文将介绍量子光学的理论和技术，分别从量子光学的基础、发展历程和应用研究等方面进行探讨。
一、量子光学的基础量子光学的诞生源于量子力学理论，量子力学描述了微观粒子的行为。
光学是一个应用广泛的领域，而在光学中，人们发现现象无法被经典物理学理论解释，这时量子力学引入光的波粒二象性概念解决了这个难题。
按照量子力学的惯例，粒子在该方面的表现是"波浪行为"，同时也表现出微粒子的性质。
光子不仅具有波动性而且具有粒子性，因此表现出波粒二象性。
此外，光子还有Spin自旋，反映了光子的角动量，光子还是其自身以及与其他微观物体相互作用的基本元件。
二、量子光学的发展历程量子光学兴起于二十世纪五六十年代，起初主要是为了解决光与物质相互作用的基本问题，随着理论研究的深入，逐渐形成了一整套完整的理论体系。
量子光学的发展经历了两个时期：早期的单光子量子光学和后来的多光子量子光学。
早期单光子量子光学主要研究了光的单个光子的性质，如光的自由度、量子态、纠缠态等内容。
多光子量子光学则是在单光子量子光学的基础上将光场状态拓为多体量子态，探索了光场的统计性态、非经典光和光场的纠缠等问题。
二十一世纪，量子光学在量子通信、量子计算、量子测量等领域发挥出了重要的作用。
三、量子光学的应用研究1. 量子密钥分发(QKD)量子光学最早应用是在量子通信安全领域中，其中最著名的就是量子密钥分发(QKD)。
在传统的公钥加密技术中，信息发送者需要将密钥通过非加密的信道发送至收到者，由于密钥在传输过程中可能会被劫持窃取，从而导致数据泄露。
而QKD则是利用光子的特殊性质，使信息发送方可以在不暴露密钥的情况下将密钥传输给接收方。
《量子光学》课件
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。
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第六章 量子光学
一、选择题(含多选题)
1、下列各物体，哪个是绝对黑体？
A.不辐射可见光的物体；
B.不辐射任何光线的物体；
C.不能反射可见光的物体；
D.不能反射任何光线的物体。
2、以金属表面用绿光照射开始发射电子，当用照射时，有电子发出？
A.紫光
B.橙色光
C.蓝光
D.红光
3、钾金属表面被蓝光照射，发出光电子，若照射的蓝光光强增加，则
A.单位时间内发出光电子数增加；
B.光电子的最大动能增加；
C.发出光电子的红限增加；
D.光电效应的发生时间后滞缩短。
二、填空题
1、波长为0.5微米的绿光频率为__________ Hz ，其电子能量为__________焦耳，合__________电子伏特；频率为1兆赫的无线电量子能量为__________焦耳。
2、已知从铯表面发射出的光电子最大动能为2e ，铯的脱出功为1.8eV ，则入射光光子能量为 __________eV ，即__________焦耳，其波长为__________埃。
3、发射火箭时的喷气温度为1000开，其辐射出最大能量的对应波长为__________。
窗体底部
4、人的体温约为300开，向外辐射最大能量的对应波长为__________。
三、计算题
1、利用维恩公式求：
（a ） 辐射的最可几频率m v ；
（b ） 辐射的最大可几波长m λ
（c ） 辐射的最大光谱密度T ,λε；
（d ） 辐射出射度)(0T Φ与温度T 的关系。
2、太阳光谱非常接近于m λ为04800A 的绝对黑体的光谱。
试求在1秒钟内太阳由于辐射而损失的质量，并估计太阳的质量减少1%（由于热辐射）所经历的时间。
太阳的质量为0m ，太阳的半径r 是m 8100.7⨯。
3、有一功率为W 的光源，发出波长为05890A 的单色光。
在距离光源3m 处有一金属板，试求每单位时间内打到金属板单位面积上的光子数。
4、 用波长为λ的光照射金属的表面，当遏止电压取某个值时，光电流便被截止。
当光的波长改变为原波长的n
1后，已查明使电流截止的遏止电压必须增大到原值的η倍。
试计
算原入射光的波长 。
5、若一个光子的能量等于一个电子的静能量，试问该光子的动量和波长是多少?在电磁波谱
中它是属何种射线?。