量子光学课程论文

量子光学发展史及其发展现况

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。本文对量子光学领域的发展史，现状进行了阐述，并进一步指出了当今的量子光学领域的几个前沿的课题.

关键词:量子光学光子量子理论

1引言

众所周知, 光的量子学说最初是由爱因斯坦于1905年在研究光电效应现象时提出来的，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了诺贝尔物理学奖；这是量子光学发展史上的第一个重大转折性历史事件，同时也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，他曾建立了狭义相对论和广义相对论等等），但他本人却只获得了这唯一的一次诺贝尔物理学奖。

2 量子光学的发展简史

1905年，A.阿尔伯特·爱因斯坦提出了光子假设，成功地解释了光电效应现象，爱因斯坦认为光子不仅具有能量，而且与普通实物粒子一样具有质量和动量（见光的二象性）。1923年，A.H.康普顿利用光子与自由电子的弹性碰撞过程解释了X射线的散射实验（见康普顿散射）。与此同时，各种光谱仪的普遍使用促进了光谱学的发展，通过原子光谱来探索原子内部的结构及其发光机制导致了量子力学的建立。所有这一切为量子光学奠定了基础

从1906 年到1959 年的这50 多年时间内, 有关光的量子理论的研究工作虽然也曾取得过许多重要成就, 但就其总体发展而言, 仍然是比较缓慢的. 其最明显特征就是光的量子理论尚未形成完整的理论体系.

自1960 年国际上诞生第一台红宝石激光器以来, 有关这一领域的科学研究工作进入到了空前活跃的快速发展时期. 由此, 直接导致了量子光学的诞生与发展. 真正将量子光学的理论研究工作引上正轨并推向深入的, 是E1T 1Jaynes 和F1W 1Cumm ings 两人。1963 年, E. T. Jaynes 和F. W. Cumm ings 两人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Jaynes2 Cumm ings 模型, 这标志着量子光学的正式诞生. 此后, 人们围绕着标准JCM 及其各种推广形式做了大量的而且是富有成效的理论与实验研究工作.

随着研究工作的深入和深化, 随着研究对象、研究内容和研究范围的拓展, 以及随着研究方法和研究手段的更新与改进, 今天的量子光学领域已经出现了一系列全新的、重大突破性进展. 特别是在1997 年, S . Chu, C. C. Tannoudji和W. D. Ph illi p s 等人因研究原子的激光冷却与捕获而分获1997 年度诺贝尔物理学奖, 从而将量子光学领域的研究工作推向了第一个高潮. 1997 年以后, 量子光学领域又出现了许多新的发展迹象. 因此,在这种情况下, 我们有必要对量子光学领域已往的辉煌成就进行总结回顾, 并对当前量子光学领域的最新发展动态以及下个世纪初量子光学领域的未来发展趋势和发展方向进行分析与展望, 以使人们在今后新的探索中能够受到新的启发, 并力争在21 世纪初期取得更大的突破.

3 量子光学的若干发展领域

3.1场与物质(原子、分子或离子)相互作用模型。

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Jaynes2 Cumm ings 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

3.2 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。

3.3 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.

第二, 研究模间的经典与非经典量子关联性对光子反聚束及高阶反聚束效应的影响.

第三, 探索高阶反聚束光的产生、测量、控制以及最佳技术应用途径等3.4 光场压缩态

多模压缩态光将在科学技术领域内具有较之单模压缩态和双模压缩态光更为广阔的应用前景和更为重大的应用价值. 诸如, 用于孤子产生、孤子压缩、孤子控制以及孤子传输与孤子通讯问题, 超短激光脉冲的脉宽压缩与阿秒(10- 18s)界限的突破问题, 时域压缩的量子极限与超快科学领域中的时间尺度问题, 超短超强激光脉冲与物质(原子、分子或离子)的瞬态超快相互作用问题, 以及全光或者离子阱量子计算机的研制问题等等. 这些都是当前乃至21 世纪人们经常遇到并且必须尽快加以解决的重大科技问题。

预计, 随着多模压缩态理论的进一步发展和完善, 同时也随着研究工作的进一步深入和深化, 过去人们一直试图但却一直未能验证的一些量子力学基本原理, 有可能通过一系列全新的量子光学实验来验证。特别是由于压缩态光场突破了量子极限的制约, 这就使得人们过去曾经希望达到但因理论高度和理论指导不够, 或者因技术手段暂时受限从而难以达到的许多科学探测有可能成为现实光场压缩态领域的理论与实验研究工作, 共经历了 3 个大的发展阶段。这三个大的发展阶段分别是: ①单模压缩态阶段(1970 年至1996 年) , 其间历

时27 年; ②双模压缩态阶段(1989 年至1997 年) , 其间历时9 年; ③多模压缩态阶段(1998 年及其以后).

3.5 薛定谔猫态光场

薛定谔猫态光场是一类典型的非经典光场, 它不仅可以呈现出各种压缩及高阶压缩效应, 而且还可以呈现出亚泊松光子统计和光子反聚束效应, 这就为人们进一步揭示光场的量子本质提供了可靠的理论根据. 特别是, 由于薛定谔猫态光

场在量子态的制备、全光量子计算机的研制、量子隐形传态、量子信息论、不可解密的量子保密光通信等量子信息学的理论与技术研究领域有着十分广泛

的应用, 因而使得这一研究成为当前量子光学领域中倍受人们关注的前沿性热点研究课题. 因此, 对薛定谔猫态光场的各种经典及非经典效应进行深入探讨, 既具有重要的学术意义, 又具有重大的应用价值。

3.6 量子信息学

量子信息科学(简称量子信息学) , 主要是由物理科学与信息科学等多个学科交叉融合在一起所形成的一门新兴的科学技术领域.

量子信息科学的主要任务就在于: ①开展基础量子信息科学领域的研究工作, 其中包括:量子信息科学的物理基础、量子编码、量子算法、量子信息论等; ②开展量子光通信领域的研究工作, 其中包括: 量子密码术、量子隐形传态、“量子隐形传物”和量子概率克隆等; ③开展全光量子计算机的开发与研制工作; ④以光子作为信息和能量的载体, 以全光量子计算机作为发送与接收终端, 以光缆作为光量子信息的主要通道, 同时借助于人造通信卫星等空间技术, 首先在国内建立局域网量子保密通信体系, 并将其率先用于国防科技领域以便提高国家的安全防卫能力. 即在国内初步开通局域网“信息高速公路”; ⑤根据全球一体化进程, 并选择适当的时机, 将国内的局域网“信息高速公路”并入国际网络体系之中, 最终实现全球一体化的真正科学意义上的“信息高速公路”. ⑥为保障在“信息高速公路”开通之后国家的信息安全不受任何威协, 那么, 就必须在“信息高速公路”开通之前加大力度, 重点研究和建设好国家局域网新型量子安全体系。

4 结束语

量子光学最初是从量子电动力学理论中发展、演变而来的. 它既是量子电动力学理论的一个重要分支, 又是激光全量子理论深入发展的结果. 同时, 量子光学还构成一门新兴的应用基础性学科——光子学的理论基础. 量子光学的主要任务就在于, 研究光场的各种经典和非经典现象的物理本质、揭示光场的各种线性和非线性效应的物理机制、揭示光场与物质(原子、分子或离子)相互作用的各种动力学特性及其与物质结构之间的关系、揭示光子自身相互作用的基本特征、机理、规律以及光子的深层次结构等。量子光学目前正处在更大的辉煌发展前夕的一个重要的十字路口, 它曾经取得过一系列重大进展和一些辉煌成就, 但在21 世纪, 量子光学领域的成绩和成就将会更加炫丽多彩, 特别是有关光子结构问题的研究将把量子光学领域的科学研究工作推向顶峰。