光学体系宏观_微观纠缠及其在量子密钥分配中的应用_安雪碧
量子光学 544
量子光学 百科名片 量子光学 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理问题的一门学科。量子光学一词是在有了激光后才提出来的。 目录[隐藏] [编辑本段] 简介 概念 量子光学quantum optics 以辐射的量子理论研究光的产生、传输、检测及光与物质相互作用的学科。到了 量子光学图例 19世纪，特别在光的电磁理论建立后，在解释光的反射、折射、干涉、衍射和偏振等与光的传播有关的现象时，光的波动理论取得了完全的成功（见波动光学）。19 世纪末和20世纪初发现了黑体辐射规律和光电效应等另一类光学现象，在解释这些涉及光的产生及光与物质相互作用的现象时，旧的波动理论遇到了无法克服的困难。1900年，M.普朗克为解决黑体辐射规律问题提出了能量子假设，并得到了黑体辐射的普朗克公式，很好地解释了黑体辐射规律（见普朗克假设）。 光子假设
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。阿尔伯特·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。20世纪60年代激光的问世大大地推动了量子光学的发展，在激光理论 量子光学图例 中建立了半经典理论和全量子理论。半经典理论把物质看成是遵守量子力学规律的粒子集合体，而激光光场则遵守经典的麦克斯韦电磁方程组。此理论能较好地解决有关激光与物质相互作用的许多问题，但不能解释与辐射场量子化有关的现象，例如激光的相干统计性和物质的自发辐射行为等。在全量子理论中，把激光场看成是量子化了的光子群，这种理论体系能对辐射场的量子涨落现象以及涉及激光与物质相互作用的各种现象给予严格而全面的描述。对激光的产生机理，包括对自发辐射和受激辐射更详细的研究，以及对激光的传输、检测和统计性等的研究是量子光学的主要研究课题。[编辑本段] 研究内容 统计性质 下面从光的相干统计性质、自发辐射、受激辐射等方面简要阐述量子光学的内容。 图1a示出由点光源S发出经双缝P1，P2的振动E1(t+τ)，E2(t)在屏上Q点叠加，光强I(Q)可表示为 图1a 式中〈〉表示对时间t求统计平均，τ表示经狭缝P1，P2的光的相对时间延迟，с为光速。式(1)右端前两项为E1，E2的光强，后两项为E1，E2在Q点叠加后的干涉项，描述屏上干涉条纹。若将狭缝拿掉如图1b，用光电管接收Q，Q'点的光强，输出随机的光电流信号n(t+τ)，n'(t)， 图1d 。实验表明，这两个随机信号存在一定的相关性。它们的积对时间求平均n(t+τ)n'(t)>与相对时间延迟τ有关，这种相关性又称为光子符合计数。因为仅当n(t+τ)与n'(t)
量子与光学
量子与光学 ——量子光学领域的历程、进展以及量子点 徐慧远 111086
一、量子光学 在经典力学中，生活的简单的。颗粒就是颗粒，波就是波，并且我们确切地知道事物存在的位置和状态。然而，任何一个学过物理的人都会告诉你，在量子领域，问题就变得复杂多了。下面我将从一个特别的视角来描述量子——量子光学，把量子理论和光学结合在一起构成了一个奇特，精彩的世界。 根据澳大利亚昆士兰大学的量子光学领域的专家Gerard Milburn的说法，这一领域的研究要追溯到上世纪60年代。值得一提的是，哈佛大学的Roy Glauber教授最先开始量子电磁场的相干光研究，并以此获得了诺贝尔奖。 Milburn解释道，“Roy在光学干涉实验中展示了已经广为人知的相干性质领域的量子状态。尽管这证实了特定的场态会从经典光学中重新得到已知的结果，但是这一新的量子光学领域表明了独特的量子表现将会变成某些类型情境的证据”。“通过理论科学家和实验科学家之间的紧密的交流，这一学科在上世界60至90年代之间的历史可以看成是一种这一前景的稳固的实现。” 根据Milburn的说法，上世界70年代是研究光子计数统计的量子特性的最重要的10年，并且在预言和观测光子的反聚束方面达到了顶峰。在随后的80年代科学家们又反过头来补充研究光的波动性，重点关注于相位依赖特性。在90年代，纠缠态的非经典方面又成为了研究的主要领域，随后出现了贝尔不等式这些具有先驱性的成果。 90年代还见证了在原子凝聚物和量子信息这些新领域的分歧，并且取得了重大的进步。量子光学早90年代早期就已成为量子信息理论领域的一些新思想的理想的实验土壤，并且之后取得了巨大的成功。许多更加令人称奇的关于量子理论的预言（包括电子传输和反贝尔不等式）都已经被证实在量子光学领域具有惊人的可靠性。Milburn还解释了这些巨大成功的原因： “实验室要想达到光频段，温度就必须极其低。因而光频段的热激发通常可以忽略的，因此可以直接研究量子相干性而不用去考虑热噪声产生的隐藏的影响。当然，必须得考虑自发辐射和光子吸收，”Milburn还提到“这一领域的大部分的进展都是来自于减轻这些热噪声影响从而得到相干量子控制的一个非凡的水平，尤其是在量子通信协议方面，比如说量子密匙分配。” 那么将来这一领域将会怎样呢？下一个十年，量子光通信和计算无疑将会继续取得重大的成果。Nature的一篇社论中高度评价了量子信息协议的实现在近些年取得的进展。目前应用方面主要受到硬件方面的限制，尤其是光子探测器和可靠的单光子源的需求。好消息是有文章表明在这方面已经有了稳步的进展。 近来在处理要求更高的任务时所涉及到的量子光学系统定标方面的一项非常重要的发展就是集成光学电路的应用，这打开了片上量子光学实验的这一具有有人前景的大门。已有文章报道了实现了具有很高集成度的器件，从而避免了繁
第21章--量子光学基础
第21章--量子光学基础
第二十一章 量子光学 基础 一、选择题 1、用频率为ν1的单色光照射某一种金属时，测 得光电子的最大动能为E K 1；用频率为ν2的单色 光照射另一种金属时，测得光电子的最大动能为 E K 2．如果E K 1 >E K 2，那么 (A) ν1一定大于ν2． (B) ν1一定小于ν2． (C) ν1一定等于ν2． (D) ν1可能大于也可 能小于ν2． ［ D ］ 2、用频率为ν1的单色光照射某种金属时，测得 饱和电流为I 1，以频率为ν2的单色光照射该金属 时，测得饱和电流为I 2，若I 1> I 2，则 (A) ν1 >ν2． (B) ν1 <ν2． (C) ν1 =ν2． (D) ν1与ν2的关 系还不能确定． ［ D ］ 3、已知某单色光照射到一金属表面产生了光电 效应，若此金属的逸出电势是U 0 (使电子从金属 逸出需作功eU 0)，则此单色光的波长λ 必须满 足： (A) λ ≤)/(0eU hc ． (B) λ ≥)/(0 eU hc ． (C) λ ≤)/(0 hc eU ． (D) λ ≥) /(0hc eU ． ［ A ］ 4、已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子 的最大动能是 1.2 eV ，而钠的红限波长是5400
?，那么入射光的波长是 (A) 5350 ?． (B) 5000 ?． (C) 4350 ?． (D) 3550 ?． ［ D ］ 5、在均匀磁场B 内放置一极薄的金属片，其红 限波长为λ0．今用单色光照射，发现有电子放出， 有些放出的电子(质量为m ，电荷的绝对值为e ) 在垂直于磁场的平面内作半径为R 的圆周运动， 那末此照射光光子的能量是： (A) 0λhc ． (B) 0 λhc m eRB 2)(2+ ． (C) 0λhc m eRB +． (D) 0λhc eRB 2+． ［ B ］ 6、一定频率的单色光照射在 某种金属上，测出其光电流 的曲线如图中实线所示．然 后在光强度不变的条件下增 大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚线所示．满足题意的图是： ［ D ］ O I U O I U O I U O I U
量子计算的发展讲解学习
量子计算的发展
量子计算的发展 摘要：量子计算是量子力学的新进展,它是一种和传统的计算方式迥然不同的新型计算.其概念是全新的,它将使计算技术进入一种前所未有的新境界。对于某些问题,量子计算机可以达到常规计算机不能达到的解题速度.量子计算机可以解决常规计算机不能解决的某些问题量子计算由于其强大的并行计算能力和可以有效的模拟量子行为的能力而日益受到人们的关注。本文介绍了量子计算的含义及其基本原理，以及对于未来量子计算的发展前景。 关键词：量子计算；量子计算机；量子位
目录 引言 (4) 1基本概念 (4) 1.1量子计算 (4) 1.2量子计算机 (4) 1.3量子位 (5) 2.量子计算的原理 (6) 2.1量子叠加性 (6) 2.2量子纠缠 (7) 3.量子计算的发展 (7) 3.1中期发展 (7) 3.2发展前景 (8)
量子计算的发展 引言 自MaxPlanck在1900年提出量子假说以来,量子力学给人类生活带来翻天覆地的变化,改变了经典物理学对世界的认知方式。量子计算和量子计算机概念起源于著名物理学家Feynman，是他在1982年研究用经典计算机模拟量子力学系统时提出的。1985年Deutsch提出第一个量子计算模型即图灵机，量子计算才开始具备了数学的基本型式。由此,量子计算迅速吸引了全世界研究者的注意并成为一门具有巨大潜力的新学科。 1. 基本概念 1.1量子计算 量子计算是应用量子力学原理来进行有效计算的新颖计算模式,它利用量子叠加性、纠缠性和量子的相干性实现量子的并行计算。量子计算从本质上改变了传统的计算理念。 1.2.量子计算机
量子光学与量子信息讲课教案
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。 关键字：量子光学量子信息 JC模型 TC模型 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 λ λλd )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
量子光学2012.6.18
2011级全日制“光学与原子分子”专业 《量子光学 》课程复习题 一、名词解释：量子拍；超荧光；光频梳；原子钟；旋波近似；时间相干性和空间相干性；红外光谱；量子扩散；拉曼光谱。 二、问题回答： 1、激光的全量子理论与经典激光理论的相同点与不同点在哪里。 2、腔量子电动力学理论的应用和发展经历。 *3、为什么V 型三能及原子与光场相互作用出现量子拍而Λ型三能及原子不出现。 三、设a 为量子化电磁场的湮灭算符，证明： 1. [ ]+ ++??= a a a a n n , 证明：左边=[][][])1()1()2()1(,,,-++-+-+++-++=+++n n n n na a a a a a a a a a a ， 右边=)1(=+n na ， 左边=右边，等式成立。 2. 设∑ -=n n n n e ! 2 2 α αα ，仅当121>>-αα时，该两模相干态才近似正交的。 由已知：∑ -=n n n n e ! *1 2 /||12 1ααα， ∑ -=m m m m e ! 2 2 /||2 2 2αα α， 2 * 12 2212 2212 22 12 22 12 /)|||(|2 *12 /)|||(|2 *1 2 /)|||(|2 *12 /)|||(|21! ! ! ! ! ααααααααααααδααααααe e n e m n e m n m n e n n n n m nm m n n m m n +-+-+-+-====∑ ∑ ∑ ∑ ∑ 则：2 21* 2 12*12221|) (|)|||(|2 2 1αααααααααα--+++-==e e 当121>>-αα时，即∞→-||21αα
量子光学重点整理
一、量子调控的途径：外场调控（振幅、相位、啁啾及形状等手段调控）和结构调控（利 用材料的结构特征调控，比如原子、分子及半导体微结构等）； 量子干涉与相干现象：激光诱导原子态相干，导致了介质不同激发通道间的量子干涉。从而可操控介质的光学特性。 经典相干导致原子相干 经典干涉导致量子干涉 量子化的基本思想： 找出描述经典场的一组完备的正则“坐标”和“动量”，然后把它们视为相应的算符，满足正则坐标和正则动量的对易式，从而使其量子化。 粒子数算符 ??? N a a+ =的本征态就是FOCK态|n>。 Fock表象也叫占有数表象能量表象二、 相干态的三种定义： 1，湮灭算符的本征态 2. ()0 D αα = 相干态是位移算符作用在真空态上得来的，是谐振子基态的位移形 式。 3.光子数态的分解： 相干态的性质： 1.粒子数分布是泊松分布相干态下的光子的平均数目
2.相干态是最小不确定态 3.相干态并非正交系 4.相干态是光场正频部分（湮灭算符）的本征态，具有和真空态一样的最小测不准关系。 5.相干态的相干度是1. 压缩态： 相干态时： FOCK态时： 压缩算子： 压缩相干态：双光子想干态 一、实现光学压缩态的基本条件 1、有合适的机制，对光强或光场的振幅的起伏进行抑制； 2、有合适的对相位灵敏的放大机制，使得被压缩的光场分量放大，而另一个分量衰减。实现光学压缩态的实验途径 1、四波混频产生光学压缩态 2.用光学参量振荡实现压缩态的实验 三、压缩态光的应用 1）.减小光通讯中的噪声，大大提高信噪比
2）.引力波检测 3）.激光光谱 海森堡绘景下的薛定谔方程： 二能级近似： 电偶极近似： 旋转波近似： 旋转波近似的全量子理论理解： 慢变振幅近似：
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。 关键字：量子光学 量子信息 JC 模型 TC 模型 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。
量子光学
第十五章 量子光学 教学基本要求： 1、理解光电效应的实验规律及爱因斯坦光电效应方程。理解光的波粒二象 性。 2、理解康普顿效应的实验规律，以及光子理论对这个效应的解释。 §15-1 黑体辐射 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 λ λλd ) 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、 绝对黑体的辐射定律 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 例：地球距离太阳km .81051?,太阳 直径km .D 610391?=，太阳表面的温度 K T 6000=。若太阳可看成绝对黑体，问在地球表面受阳光垂直照射时每平 方米的面积上每秒钟得到的辐射能是多少？ 六、普朗克公式 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 3．普朗克公式
2014年量子光学考试试题
2013-2014年第二学期《量子光学基础》考试试题 1、V 型三能级原子与两个经典光场作用。频率为ω1的经典光场与能级|a>，|b>耦合，频率为ω2的经典光场与能级|a>，|c>耦合。系统的哈密顿量为H =H 0+H 1，H 0=?ωa |a >
第21章 量子光学基础
第二十一章 量子光学基础 一、选择题 1、用频率为ν1的单色光照射某一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 1；用频率为ν2的单 色光照射另一种金属时，测得光电子的最大动能为E K 2．如果E K 1 >E K 2，那么 (A) ν1一定大于ν2． (B) ν1一定小于ν2． (C) ν1一定等于ν2． (D) ν1可能大于也可能小于ν2． ［ D ］ 2、用频率为ν1的单色光照射某种金属时，测得饱和电流为I 1，以频率为ν2的单色光照射该金属时，测得饱和电流为I 2，若I 1> I 2，则 (A) ν1 >ν2． (B) ν1 <ν2． (C) ν1 =ν2． (D) ν1与ν2的关系还不能确定． ［ D ］ 3、已知某单色光照射到一金属表面产生了光电效应，若此金属的逸出电势是U 0 (使电子从金属逸出需作功eU 0)，则此单色光的波长λ 必须满足： (A) λ ≤)/(0eU hc ． (B) λ ≥)/(0eU hc ． (C) λ ≤)/(0hc eU ． (D) λ ≥)/(0hc eU ． ［ A ］ 4、已知一单色光照射在钠表面上，测得光电子的最大动能是 1.2 eV ，而钠的红限波长是5400 ? (A) 5350 ?． (B) 5000 ?． (C) 4350 ?． (D) 3550 ?． ［ D ］ 5、在均匀磁场B 内放置一极薄的金属片，其红限波长为λ0．今用单色光照射，发现有电子放出，有些放出的电子(质量为m ，电荷的绝对值为e )在垂直于磁场的平面内作半径为R 的圆周运动，那末此照射光光子的能量是： (A) 0λhc ． (B) 0λhc m eRB 2)(2+ ． (C) 0λhc m eRB +． (D) 0λhc eRB 2+． ［ B ］ 6、一定频率的单色光照射在某种金属上，测出其光电 流的曲线如图中实线所示．然后在光强度不变的条件下增大照射光的频率，测出其光电流的曲线如图中虚 线所示．满足题意的图是： ［ D ］ 7、用频率为ν 的单色光照射某种金属时，逸出光电子的最大动能为E K ；若改用频率为2ν 的单色光照射此种金属时，则逸出光电子的最大动能为： (A) 2 E K ． . （B ） 2h ν - E K ． (C) h ν - E K ． (D) h ν + E K ． ［ D ］
量子光学作业1
作业一 Maxwell方程的物理意义及其应用举例。 麦克斯韦方程组的积分形式： 麦克斯韦方程组的微分形式： 式中、、、分别是电感强度（电位移矢量）、电场强度、磁感强度和 磁场强度，对和的积分分别表示磁场中任一闭合曲面和闭合回路上的积分。表示闭合曲面内包含的总电量。表示积分闭合回路包围的传导电流。方程组 的第一式是高斯定理的数学表示；第二式是法拉第电磁感应定律的数学表示式；第三式表示磁场是无源场，不存在像电荷那样的“磁荷”；第四式表示在交变电 磁场情况下，磁场既包括传导电流产生的磁场，也包括位移电流产生的磁场。
是自由电荷的体密度，是传导电流密度，是位移电流密度 高斯磁定律表明，磁单极子实际上并不存在于宇宙。所以，没有磁荷，磁场线没有初始点，也没有终止点。磁场线会形成循环或延伸至无穷远。换句话说，进入任何区域的磁场线，必需从那区域离开。以术语来说，通过任意闭曲面的磁通量等于零，或者，磁场是一个螺线矢量场。 式中、、、分别是电感强度（电位移矢量）、电场强度、磁感强度和 磁场强度，对和的积分分别表示磁场中任一闭合曲面和闭合回路上的积分。表示闭合曲面内包含的总电量。表示积分闭合回路包围的传导电流。方程组 的第一式是高斯定理的数学表示；第二式是法拉第电磁感应定律的数学表示式；第三式表示磁场是无源场，不存在像电荷那样的“磁荷”；第四式表示在交变电 磁场情况下，磁场既包括传导电流产生的磁场，也包括位移电流产生的磁场。 麦克斯韦-安培定律阐明，磁场可以用两种方法生成：一种是靠电流（原本的安培定律），另一种是靠含时电场（麦克斯韦修正项）。在电磁学里，麦克斯韦修正项意味着含时电场可以生成磁场，而由于法拉第感应定律，含时磁场又可以生成电场。这样，两个方程在理论上允许自我维持的电磁波传播于空间。 麦克斯韦方程组揭示了电场与磁场相互转化中产生的对称性优美，这种优美以现代数学形式得到充分的表达。但是，我们一方面应当承认，恰当的数学形式才能充分展示经验方法中看不到的整体性(电磁对称性)；另一方面，我们也不应当忘记，这种对称性的优美是以数学形式反映出来的电磁场的统一本质。因此，我们应当认识到应在数学的表达方式中"发现"或"看出" 了这种对称性，而不是从物理数学公式中直接推演出这种本质。 补充介绍一下梯度，旋度，散度的概念： 梯度：在向量微积分中，标量场的梯度是一个向量场。标量场中某一点上的梯度指向标量场增长最快的方向，梯度的长度是这个最大的变化率。一个标量函数的梯度记为：或，其中表示向量微分算子。在三维情况，该表达
量子纠缠态的制备
量子纠缠态的制备 摘要：量子纠缠是量子信息中最重要、也最为神奇的一个课题.量子纠缠是一种有用的信息“资源”，在量子隐形传态、量子密集编码、量子密钥分配以及在量子计算的加速、量子纠错、防错等方面都起着关键作用.在量子信息中，信息的处理离不开量子态及其演化.而量子纠缠态毫无疑问是各种量子态中最为重要的一种.它可用于检验量子力学的基本原理，而且也是实现量子通信的重要信道.所以，纠缠态的制备和操作就显得尤为重要，文章简要介绍量子纠缠态的定义、量子纠缠态的度量及分类、量子纠缠态的制备，并介绍纠缠态的一些应用. 关键字：量子纠缠;腔QED;离子阱;生成纠缠；蒸馏纠缠
Quantum Pestering Condition Preparation Abs trac t: T he q uantum entanglement is o ne o f the most impo rtant subject, and also the supernatural part of q uantum informatio n sc ienc e. As an important quantum resource, the entangled states are p laying the key ro le in many sorts of quantum informatio n process, for examp le, quantum t e le p o r t a t io n,q u a n t u m d e n s e c o d in g,a n d q u a n t u m k e y d is t- rib utio n as we ll as q uantum co mp utatio n acc elerat io n, the q uantum correct-erro r, guard-error and so on. In q uantum informatio n sc ience, informatio n process ing cannot leave the quantum state and it’s the ev- olution. But quantum entanglement cond itio n is witho ut a doubt in each kind o f q uantum s tate the mos t imp o rtant o ne kind. It may us e in examining the q uantum mec hanics the b as ic p rinc ip le, mo reo ver also realizes the quantum correspondence important channel. T herefore, the pes tering co nd itio n p rep aratio n and the op eratio n app ears esp ec ia lly impo rtantly, artic le brief int roductio n quantum entanglement cond ition definit io n, q uantum entanglement co nd it io n meas ure and c lass ified, q u a n t u m e n t a n g le me n t c o nd it io n p r ep a r a t io n, a nd in t r o d u c t io n e n t a n g l e m e n t c o n d i t i o n s o m e a p p l i c a t i o n s. Key word: Quantum entanglement; Cavity QED; Ion trap；Formation of entanglement；Disillation of entanglement
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
量子光学模型
量子光学模型 量子光学模型及其发展 A.各种量子光学模型 1.标准JCM的物理内涵、重要性和局限性 1.1标准JCM的物理内涵 1963年，E.T.Jaynes和F.W.Cummings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Jaynes—Cummings模型(以下简称标准JCM)，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。这个模型的建立，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。 1.2标准JCM的重要性——科学价值和技术价值 第一，标准JCM的建立，既标志着量子光学领域的理论研究工作步入正轨，使得人们关于场—原子之间相互作用的理论研究工作一下子深入到了物质结构的深层次，同时又促进量子光学领域的理论研究向纵深发展。虽然，在当今量子光学领域中标准JCM只是一个很简单的模型，但它在整个量子光学的建立与发展过程中所起到的历史性转折作用却是毋须置疑的。这就是标准JCM的科学价值。 第二，随着微波激射技术的发展，随着单原子微波激射器的研制成，人们目前已经能够在微波腔中产生并制备各种非经典光场态，并利用单原子微波激射器来研究场—原子相互作用过程中场及原子的各种动力学特性、各种线性和非线性效应的物理机制，以及各种经典和非经典效应的物理本质等。尤为重要的是，利用单原子微波激射器还可以在微波腔内再现标准JCM的各种物理属性等。因此，从这个意义上讲，单原子微波激射器实质上就是标准JCM的物化和技术再现。可见，标准JCM不只体现在理论上，而且还体现在实物原型上，它是科学与技术的完美结合体。这就是标准J CM的技术价值。 1.3标准JCM的局限性 由于标准JCM过于简单，故不足以描述整个量子光学领域中场—物质(原子、分子或离子)之间的各种相互作用问题。其局限性主要表现在以下5个方面：①标准JC M只考虑了单模光场情形，而对于双模及多模光场未进行任何探讨；②标准JCM只考虑了单个理想二能级原子情形，而对于两个及多个二能级原子以及两个及多个多能级原子的情形未进行任何探讨；③标准JCM只考虑了场—原子之间的单光子相互作用，而对于简并双光子和简并多光子相互作用的情形未进行任何探讨；④标准JCM 是一个线性相互作用模型，而对于场—原子之间以及原子—原子之间的各种非线性交叉耦合相互作用未进行任何探讨；⑤标准JCM是在旋转波近似下获得的，而对于未作旋转波近似时虚光场(即在系统的Hamiltonian中违背能量守恒定律的项)的影响等未进行任何探讨。 这就是标准JCM的理论缺限和不足之处。
量子纠缠
贝尔不等式的谬误与祸害 先来编造一个幽默故事作为文章的引言。有一对米你双胞患了重病，一位郎中A搞到大师B的一个“经典药方”。不过有两个条件，（1）患者客观实在，（2）双胞一方的诊治不影响对方，也不受对方处境安排的影响。前者称为实在性条件，后者称为定域性条件，这两个条件合理到可称十足废话。不料治疗无效，大师B的经典药方不容丝毫怀疑，因此郎中A断言这对双胞必定缺少定域的实在性。可以想到，这对双胞只要缺实在性或缺定域性二者之一就治疗无效，即如果他们不缺实在性，必缺定域性，反之，如果不缺定域性，那就必缺实在性。到底缺哪个，或二者皆缺，还是无法断定的。后来，另有一位郎中G搞到大师L的一个不那么经典的药方，条件（1）同前，条件（2）有所放松，把“也不受对方处境安排的影响”改为“但会受对方处境安排的影响”。结果还是治疗无效，大师L的药方更不容怀疑，他还是诺奖得主呐，于是郎中G说，否定他们的定域性还不够，还要否定他们的实在性。我们注意到，从逻辑上讲，这些郎中从治疗结果都未能否定定域性和非实在性的联合。但是，郎中A还是“倾向于”承认非定域性和非实在性的联合，叫喊这种治疗无效敲响了爱因斯坦的定域实在论思想的丧钟，宣称实验已经证实大自然存在非定域性（鬼魅隔空作用），预期这个深刻科学发现将带来一场新的技术革命。“巫婆神汉”大喜，不仅鼓励营业，还被寄予获诺奖的厚望。诺奖得主约瑟夫森说：“这些发展可以导致对像传心术等过程的解释。” 言归正传。文章标题所指的贝尔不等式起因于玻姆理论和EPR论证，约翰·贝尔说：“当考虑多于一个粒子时，研究导波理论[玻姆的量子势理论]立即导致远距离作用问题或‘非定域性’和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森关联。”EPR论证关系到量子纠缠的解释和量子力学的完备性问题。爱因斯坦的朋友卡尔·波普尔说：“爱因斯坦，波多尔斯基和罗森（EPR）的著名论文，以我之见（为爱因斯坦1950年所确认），是设计证实一个粒子可以同时具有位臵和动量，作为反对哥本哈根诠释。”三位作者相信物理实体客观存在和量子力学描述的不完备性，他们认为：“虽然因此我们已经证明波函数不提供物理实在的完备描述，这样的描述是否存在是尚待回答的问题。然而我们相信这样的理论是可能的。”爱因斯坦在写给马克斯·玻恩的信中说：“我不能虔诚地相信[这量子理论]，因为它不能与这个思想调和，即物理应当表示时空中的实在，无鬼魅远距作用。”1964年贝尔试图引进潜变量对量子力学恢复定域因果性，他假设点粒子具有实在性和定域性，沿用经典统计方法，提出一个不等式，从而“证明”任何潜变量理论与量子力学不相容，即后人所称的贝尔定理。他说：“‘定域因果性’的显然定义在量子力学中行不通，而且这不能归于那个理论的不完备性”。后来有四位物理学家提出贝尔不等式的一个变种，称为CHSH不等式，适合于用光学实验检验。他们考虑一对偏振纠缠光子，光子各经一个偏振器达到一个探测器，用一个符合计数器记录这些探测器输出信号的符合情况。设两个偏振器的方向设臵各为A和B，实验可测量偏振关联函数E(A,B)。偏振器方向的设臵可以改变，可有(A,B)、(A,B')、(A',B)和A',B')四种情形，他们推导出的不等式为：|E(A,B)-E(A,B')+E(A',B)+E(A',B')|的值小于等于2。若取A与B'的夹角为67.5度，其余三种情形的夹角均为22.5度，由量子力学预言的值为2乘根号2（近似2.828），这个值违反CHSH不等式（小于等于2）。阿莱恩·阿斯佩克特等实验检验发现结果基本上符合量子力学预言，因此他们认定爱因斯坦的定域实在论思想是错误的。亨利·斯塔普称贝尔在量子理论上的工作是“最深刻的科学发现”。尼古拉·盖辛说：“我敢断定，几十年后，在高中里将教授贝尔不等式，因为它们的数学简单性，它们作为科学方法例子的力量和它们对我们世界观的巨大影响。”他感叹：“我们真幸运生活在物理学发现和探究大自然非定域特性的时代。”值得注意的是，2007年4月阿斯佩克特在Nature上的一篇文章中说：“我们可以选择放弃[定域性和实在性]二个观
第21章量子光学基础
第21章量子光学基础一、热辐射 热辐射的实验规律如右图能谱曲线所示。 1、基尔霍夫定律： （1）单色辐出度 从物体表面单位面积上辐射出来的波长从到围的辐射功率与波长间隔的比值：。（2）辐出度： （3）黑体：凡照射到某体上的辐射能量都被该物体全部吸收的物体称为黑体。它的吸收系数。它的反射系数。黑体的吸收本领最大，它的辐射本领也最大。 （4）基尔霍夫定律： 任何物体的单色辐出度与单色吸收比都等于同一温度下绝对黑体的单色辐出度，与物体的性质无关。即： 2、斯忒藩-玻尔兹曼定律 在一定的温度T，黑体的辐出度： 式中称为斯忒藩恒量， 3、维恩位移定律 式中为最大单色辐出度的波长，也叫峰值波长，恒量。 4、普朗克公式 （1）普朗克量子假设 物体辐射或吸收的能量是不连续的。存在着能量最小单元，称为能量子。物体辐射和吸收
的能量只能是这个最小单元的整数倍。 （2）普朗克公式： 式中c是光速，k是玻耳兹曼常数，为普朗克常数。 二、光电效应 1、光电效应的实验规律 （1）饱和电流与入射光强成正比。 （2）光电效应存在一定的截止频率。 （3）光电子的初动能（遏止电压）与入射光频率成线性关系，而与入射光强度无关。（4）光电效应的弛豫时间非常短。 2、爱因斯坦光子假设 光是以光速c运动的粒子流。这些粒子称为光子。每一光子的能量。（质量，动量）光的能量密度S（光强）决定于单位时间通过单位面积的光子数N，频率为的单色光的能流密度。 3、爱因斯坦方程 式中A为逸出功：为逸出电位差。 当初动能为零时：为截止频率，称为红限波长。 初动能和遏止电压的关系： 利用光子假设和爱因斯坦方程能够解释光电效应实验规律。 三、康普顿效应 1、x射线散射实验规律