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量子光学
发布时间:2007-10-17    来源:统计整理   阅读次数:1133 分享到:

    量子光学,quantum optics,是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)。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目前量子光学的主要研究课题。

   2005年,近代量子光学的奠基人、美国哈佛大学著名物理学家格劳伯(Glauber)教授荣获了诺贝尔物理奖,它深刻地反映出量子光学在当代科学发展中发挥着相当重要的作用。

  1925年,格劳伯生于美国纽约。1949年,24岁的格劳伯从美国哈佛大学获得物理学博士学位。1963年,格劳伯提出自己的“相干性量子理论”,第一次将爱因斯坦的量子论用在光学领域,不仅解决了一些基础性的问题,而且奠定了量子光学的基础,开创了一门全新的学科。此后又在《物理评论》等杂志上发表了几篇相关论文,奠定了量子光学学科的理论基础,被美誉为″量子光学之父″。
    2005年10月4日,80岁的格劳伯与约翰•霍尔、特奥多尔•汉施一起,获得诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学委员会主席斯温伯格说,格劳伯研究的结果对我们在现代理解光行为有深刻意义。他是能够回答烛光与激光到底有什么本质区别的人。
量子光学的一大成就是激光,而激光可以说是人类历史上最伟大的发明之一。日常生活中,在医院、工厂、学校到处可见激光的影子,在家庭里使用的DVD播放器、计算机、数码相机中也都有激光器。
   下面从量子信息、玻色-爱因斯坦凝聚和量子调控三个方面来展望量子光学的发展。
1.量子信息。量子信息是量子力学与信息科学交叉融合的新兴学科,目前已成为世界关注的热门研究领域。量子信息可以突破现有信息技术的物理极限,开拓出新的信息功能,为信息科学的持续发展提供新的原理和方法。其中,量子密码特别是在光纤量子密钥分配方面的研究已取得重大突破,其目前的研究方向是低误码率、高比特率、网络化和远程传输,以及研究可控单光子源和红外单光子探测技术等;量子因特网是基于量子纠缠的量子通信网络,目前仍然处于单元技术的基础研究阶段,最近“量子中继”这一关键技术的研究取得重要进展,我国年青学者段路明教授提出运用原子系综实现量子中继的方案,引起科学界的高度兴趣;量子计算机的研究仍然处于基础阶段,寻找物理上可扩展的具有容错能力的“量子芯片”是世界各国科学家当前奋斗的方向。目前主要研究兴趣是固态量子计算和基于量子光学的量子计算两个方向。
2.玻色-爱因斯坦凝聚。BEC的发生不需要粒子间的相互作用,是一种纯粹的宏观量子力学现象。文章阐述了玻色-爱因斯坦凝聚的过程,并解释了其实现的条件。第一次观测到BEC而获得诺贝尔奖的Wolfgang Ketterle教授认为,BEC是许多宏观粒子现象的核心,可以给出量子漩涡、量子长程关联等的微观图像,量子化的漩涡在超流和超导中都扮演了重要的角色。另外,通过一些办法可以使一个BEC凝聚体的两部分产生干涉,这种干涉还导致了原子激光的产生。文章对BEC的发展进行了展望,BEC的实现目前只在囚禁原子气体和液氦中成功,难以得到实际应用,探索新的BEC系统是一个富有挑战性的工作。
3.基于量子光学的量子态控制。文章指出对基于量子光学的量子态控制进行研究的重要意义。广义上,量子态控制是指实现量子态的控制演化,目前主要指光子、原子、离子态和量子点等之间的相互转换和相互操作。激光冷却和电磁感应透明是量子态控制的重要基础。激光冷却的实现有华人科学家朱棣文的杰出贡献(获1997年诺贝尔奖),这个技术目前已得到广泛的应用。电磁感应透明是量子光学的新进展,文章阐述了该现象的原理及其类似的一些现象 .

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