腔量子电动力学

腔量子电动力学（Cavity quantum electrodynamics，简称：cavity QED 或 CQED）描述了被微腔中的光场与其它粒子（例如原子）之间的相互作用。对强作用腔量子电动力学所作出的研究，为量子逻辑提供了的一种实现途径，这就是建造量子计算机的原理之一。

杰恩斯-卡明斯模型描述

在光学腔内单个双态原子的物理行为，可以用杰恩斯-卡明斯模型来做数学描述，原子与光子会共同进行真空拉比振荡（英语：vacuum Rabi oscillation），以方程式表达为

|e\rangle |n-1\rangle \leftrightarrow |g\rangle |n\rangle ,

其中，

${\begin{smallmatrix}|e\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示一个受激原子
${\begin{smallmatrix}|n-1\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示n-1个光子
${\begin{smallmatrix}|g\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示一个基态原子
${\begin{smallmatrix}|n\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示n个光子

如果腔场与原子跃迁发生共振，经过一个半周期的振荡，腔场从开始没有光子的量子态，由于相干性地与原子交互作用，变为零光子与单光子的叠加态，如同以下方程所示

(\alpha |g\rangle +\beta |e\rangle )|0\rangle \leftrightarrow |g\rangle (\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ),

并且，再度重复这机制，就可交换回原本状态。这可被利用成为单光子源，或成为原子或囚禁离子量子计算机（英语：trapped ion quantum computer）与光量子通信（英语：optical quantum communication）之间的接口。

相互作用的持续时间如果不同，则会在原子与腔场间制成不同程度的纠缠。比方说,，一个初始态为 ${\begin{smallmatrix}|e\rangle |0\rangle \end{smallmatrix}}$ 的四分之一周期的共振，会制成最大纠缠态 ${\begin{smallmatrix}(|e\rangle |0\rangle +|g\rangle |1\rangle )/{\sqrt {2}}\end{smallmatrix}}$ 。理论而言，这可以用来制作量子计算机。

原理

被受困在微腔中的电磁场模式会因腔的边界制约而被增强或抑制。微腔对电磁场模式的改变与对真空的改变是相似的，这有点类似高质量天体（黑洞、中子星等）对时空的改变。当原子处于受控微腔的真空场内，其自发辐射是可控的。原子最外层电子的跃迁（高能到低能）是造成原子发射出一个光子的原因。受激原子的最外层电子以很高的频率振荡并辐射电磁波。如果把激发态原子放置于腔场中，光子可能无法存在与腔场中而导致原子长时间处于激发态。原子最外层电子的辐射会因腔场的不同而改变。

历史

虽然早在1916年，物理学家爱因斯坦就曾提出了原子自发辐射的概念，但他并不知道造成自发辐射的原因。很长一段时间以来，人们普遍认为这种辐射是一种原子的固有属性（诸如质量，自旋，电荷等），是无法被改变的。随着人们对量子点动力学的发展，对真空认识的逐渐加深，这种辐射被看做真空对原子相互作用的结果，而非孤立原子的自发行为。

1946年，Purcell发现：在一定条件下，腔内原子的自发辐射率与处于自由空间中原子的自发辐射并不相同。^[1]

1960年，Drexhage观察到：腔场会导致自发辐射的改变。^[2]

1963年，杰恩斯和卡明斯建立了杰恩斯-卡明斯模型，用于描述光与原子之间的相互作用。^[3]

实现 CQED 的关键是取得高品质腔。早期为了获取高品质腔，人们利用了高品质石英微球中的所谓回音壁模型 ^[4]^[5]^[6]^[7]^[8]，使得腔的损耗与体积被大大降低了。法国ENS的Haroche小组更是获得了品质因数为10^11的腔场。^[9]

20世纪90年代，利用冷原子激素和光子广电测试激素，当原子的杰恩斯-卡明斯模型得到了很好的实验检验。 ^[10]

1992年以后，原子，光子耦合构与微损耗腔场共同组成了一个纠缠系统。—— 目前少有的实验室下可以观察到的单粒子行为的系统之一。

物理学诺贝尔奖

基于塞尔日·阿罗什与戴维·瓦恩兰对量子系统控制做出的贡献，2012年物理学诺贝尔奖被颁布给了这两位科学家。

法国物理学家阿罗什建立了物理学的新领域，腔量子电动力学，其通过光学腔或微波腔来控制原子属性，阿罗什专注于微波实验，将微波技术反过来使用，即使用腔量子电动力学来控制单独光子的物理性质。

在一系列突破性的实验中，阿罗什利用腔量子电动力学，实现了许多著名实验，例如薛定谔猫实验^[11]，量子测量^[12]，量子计算^[13]^[14]，量子态制备^[15]，量子通信^[16]等。在这些实验哩，量子系统是处于两个不同的量子态所组成的叠加态，直到接受量子测量为止。这种的状态极其脆弱，人们正在利用该技术来发展量子计算机。

注释

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

参考文献

Hamish Johnston. Quantum-control pioneers bag 2012 Nobel Prize for Physics. physicsworld.com. 2012 [2016-05-16]. （原始内容存档于2017-12-27）.
Herbert Walther, Benjamin T H Varcoe, Berthold-Georg Englert and Thomas Becker. Cavity quantum electrodynamics. Rep. Prog. Phys. 2006, 69 (5): 1325–1382. Bibcode:2006RPPh...69.1325W. doi:10.1088/0034-4885/69/5/R02. Microwave wavelengths, atoms passing through cavity
R Miller, T E Northup, K M Birnbaum, A Boca, A D Boozer and H J Kimble. Trapped atoms in cavity QED: coupling quantized light and matter. J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 2005, 38 (9): S551–S565. Bibcode:2005JPhB...38S.551M. doi:10.1088/0953-4075/38/9/007. Optical wavelengths, atoms trapped

[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; et al. Phys. Lett. 18987, 173: 393. 缺少或|title=为空 (帮助)

[6] Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune M; et al. 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] rodetsky M L; et al. 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; et al. 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; et al. Quantum Measurement.. Cambridge University Press. 1992.

[13] Pellizzar T, Gardliner S, Cirac J I; et al. 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; et al. Phys. Rev. Lett. 1993, 71: 3095. 缺少或|title=为空 (帮助)

[16] Cirac J I, Zoller P, Kimble J H; et al. Phys, Rev. Lett. 1997, 44: 1727. 缺少或|title=为空 (帮助)

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