腔量子电动力学

维基百科,自由的百科全书
跳转至: 导航搜索

腔量子電動力學(Cavity quantum electrodynamics,簡稱:cavity QED 或 CQED)描述了被微腔中的光場與其它粒子(例如原子)之間的相互作用 。對强作用腔量子电动力学所作出的研究,為量子邏輯提供了的一種實現途徑,這就是建造量子计算机的原理之一。

傑恩斯-卡明斯模型描述[编辑]

在光學腔内單個雙態原子的物理行为,可以用傑恩斯-卡明斯模型来做数学描述,原子與光子會共同進行真空拉比振荡英语vacuum Rabi oscillation,以方程式表達為

其中,

  • 表示一個受激原子
  • 表示n-1個光子
  • 表示一個基态原子
  • 表示n個光子

如果腔場與原子跃迁發生共振,經過一個半週期的振荡,腔場從開始沒有光子的量子態,由於相干性地與原子交互作用,變為零光子與單光子的疊加態,如同以下方程所示

並且,再度重複這機制,就可交換回原本狀態。這可被利用成為單光子源,或成為原子囚禁离子量子计算机英语trapped ion quantum computer光量子通信英语optical quantum communication之間的接口

相互作用的持續時間如果不同,則會在原子與腔場間製成不同程度的纠缠 。比方說,,一個初始態為的四分之一週期的共振,會製成最大纠缠态。理論而言,這可以用來製作量子计算机

原理[编辑]

被受困在微腔中的電磁場模式會因腔的邊界制約而被增強或抑制。微腔對電磁場模式的改變與对真空的改變是相似的,這有點類似高質量天體(黑洞中子星等)對時空的改變。 當原子处于受控微腔的真空場內,其自发辐射是可控的。原子最外層電子的跃迁(高能到低能)是造成原子發射出一個光子的原因。受激原子的最外層電子以很高的频率振荡輻射電磁波。如果把激發態原子放置于腔場中,光子可能無法存在與腔場中而導致原子長時間處於激發態。原子最外層電子的輻射會因腔場的不同而改變。

歷史[编辑]

雖然早在1916年,物理學家愛因斯坦就曾提出了原子自發輻射的概念,但他並不知道造成自發輻射的原因。很長一段時間以來,人們普遍認為這種輻射是一種原子的固有屬性(諸如質量自旋電荷等),是無法被改變的。隨著人們對量子點動力學的發展,對真空認識的逐漸加深,這種輻射被看做真空對原子相互作用的結果,而非孤立原子的自發行為。

1946年,Purcell發現: 在一定条件下,腔內原子的自发辐射率與處於自由空间中原子的自发辐射並不相同。[1]

1960年,Drexhage观察到:腔場會導致自发辐射的改变。[2]

1963年,傑恩斯和卡明斯建立了傑恩斯-卡明斯模型,用於描述光與原子之間的相互作用。[3]

實現 CQED的關鍵是取得高品质腔。早期為了獲取高品質腔,人們利用了高品质石英微球中的所谓回音壁模型 [4][5][6][7][8],使得腔的損耗與體積被大大降低了。法国ENS的Haroche小组更是獲得了品质因数為10^11的腔場。[9]

20世纪90年代,利用冷原子激素和光子廣電測試激素,當原子的傑恩斯-卡明斯模型得到了很好的实验检验。 [10]

1992年以后,原子,光子耦合構與微損耗腔場共同組成了一個糾纏系統。—— 目前少有的實驗室下可以觀察到的單粒子行為的系統之一。

物理學諾貝爾獎[编辑]

基於塞尔日·阿罗什戴维·瓦恩兰對量子系統控制做出的貢獻,2012年物理學諾貝爾獎被頒布給了這兩位科學家。

法國物理學家阿罗什建立了物理學的新领域,腔量子電動力學,其通過光學腔或微波腔來控制原子屬性,阿罗什專注於微波實驗,將微波技術反過來使用,即使用腔量子電動力學來控制單獨光子的物理性質。

在一系列突破性的实验中,阿罗什利用腔量子電動力學,實現了許多著名實驗,例如薛定谔猫实验[11]量子測量[12]量子計算[13][14]量子態製備[15]量子通信[16]等。在這些實驗哩,量子系統是處於兩個不同的量子態所組成的疊加態,直到接受量子測量為止。这種的状态极其脆弱,人們正在利用該技術來發展量子计算机。

註釋[编辑]

  1. ^ Purcell E M. Phys Rev. 1945, 69: 681.  缺少或|title=为空 (帮助)
  2. ^ Drexhage K H. Prigress in Optics(ed. by Wolf E). New York: North Holland. 1974. 
  3. ^ Jaynes E T, Cummings F W . Proc. 1963, 58: 89.  缺少或|title=为空 (帮助)
  4. ^ Braginsky V B, Ilchenko V S, Sov. Phys. Dokl. 1987, 32: 307.  缺少或|title=为空 (帮助)
  5. ^ Braginsky V B, Gorodetsky; 等. Phys. Lett. 18987, 173: 393.  缺少或|title=为空 (帮助)
  6. ^ Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune M; 等. Europhys. Lett. 1993, 23: 372.  缺少或|title=为空 (帮助)
  7. ^ 金乐天,王克逸,周绍祥. 物理. 2002, 31: 642.  缺少或|title=为空 (帮助)
  8. ^ gorodetsky M L; 等. Opt. Lett. 1996, 21: 453.  缺少或|title=为空 (帮助)
  9. ^ Haroche S, Kleppner D. Phys. Today. 1989, 1: 24.  缺少或|title=为空 (帮助)
  10. ^ Vuckovic J, Loncar M, Mabuchi H; 等. Phys. Rev. 2002, 55: 016608.  缺少或|title=为空 (帮助)
  11. ^ Schrodinger E. Die Gegenwartige Situation. Der Quantenmechanik Naturwissenschaften. 1935, 23: 807. 
  12. ^ Thorne K S; 等. Quantum Measurement.. Cambridge University Press. 1992. 
  13. ^ Pellizzar T, Gardliner S, Cirac J I; 等. Phys. Rev. lett. 1955, 75: 3788.  缺少或|title=为空 (帮助)
  14. ^ Turchette Q A, Hood, J I, Mabuchi H ea al. Phys. Rev. Lett. 1995, 75: 4710.  缺少或|title=为空 (帮助)
  15. ^ Parkins A S, Marte P, Zoller P; 等. Phys. Rev. Lett. 1993, 71: 3095.  缺少或|title=为空 (帮助)
  16. ^ Cirac J I, Zoller P, Kimble J H; 等. Phys, Rev. Lett. 1997, 44: 1727.  缺少或|title=为空 (帮助)

參考文獻[编辑]