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腔量子电动力学

2018-08-30 10:07:29     所属分类:量子信息

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。

目录

  • 1 杰恩斯-卡明斯模型描述
  • 2 原理
  • 3 历史
  • 4 物理学诺贝尔奖
  • 5 注释
  • 6 参考文献

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

其中,

  • 表示一个受激原子
  • 表示n-1个光子
  • 表示一个基态原子
  • 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

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,,一个初始态为的四分之一周期的共振,会制成最大纠缠态。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

  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)

参考文献

  • Hamish Johnston. Quantum-control pioneers bag 2012 Nobel Prize for Physics. physicsworld.com. 2012. 
  • 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

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