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1、第一章缔论进一步揭示出来，不断充实和完善着最子光学的内涵，拓展着它的研究领域。量子光学的飞速发展，进一步深化了人们对量子力学的理解，给量子力学以强有力的支持。尽管量子力学作为2 0 世纪科学发展的最深刻最伟人成就之。，已经从根本上改变和影响着人类的生活，但是人们对量子力学本身的完备性及其一些基本概念的理解仍然有争议，正是由于量子光学的发展才可能从实验卜去检验量子光学，从而促进了人们量j 于力学基本概念的理解和深化。例如：著名的“E P R佯谬”在推动量子力学的发展中起着重要的作用。爱冈斯坦认为量了力学是不完备的、不自洽的；尽管波尔持相反的观点，认为量子力学是非局域的理论，但长期以来这个争论只能
2、停留在哲学上，缺乏实验支持。直至1 B e l l 基于爱凶斯坦的隐变最理论推导出著名的B e l l 不等式，人们j 。有可能在实验上寻找判定这场争论的依据，随着量子光学的发展有很多实验证实了B e l l 不等式可以违背，1 9 9 7 年瑞士学者更直截了当地在1 0 k m 光纤中测量到作为E P R 对的两光子之间的关联，给量子力学以强有力的支持。另一对量子力学提出的质疑足著名的“薛定谔猫态”，为什么宏观世界不存在死猫和活猫的相干叠加态? 尽管我们形式上叮以写出死猫和活猫两种集体状念的叠加，但是完整地描述这一体系，应该包括无穷多内部自由度，而不管内部状态只谈论猫的死与活，这时我们应该用
3、约化密度矩阵，凶此系统可能在极短的时间内失去其相干性。由于原子光腔技术的发展，人们已经可以制备出多种“猫态”，这不仅是技术上的进步，而且对深刻理解量子力学，揭示“宏观体系是量子的”至关重要。近年来新兴的学科量子信息学与量子光学有着姊妹关系。量子信息学J 下是由于量子光学的发展而逐步发展起来，它是量子力学与电子学、光学、信息学等多学科相结合的产物，是一门新兴的交叉学科。可以说没有量子光学就没有量子信息学，女1 J 1 9 9 7 年1 2 月第。个在实验上实现量子隐形传态的奥地利小组，正是利用量子光学中参量下转换非线性光学过程来进行这一实验的。又如，原子与光场的相互作用是量子光学的典型问题，利用
4、这一体系进行量子通信，又是一个量子信息学的问题，又需要从量子光学本身去提供基本的物理过程。所以说量子光学和量子信息学密不可分。因此量子光学的一些问题，不但属于量子光学，它直接关系到量子力学的一些基本问题，关系到量子信息这一新的交叉学科的发展。正是由于这一问题的特第一争绪论殊性，本文将以光与原子的相互作用为研究对象，计划从量子力学提出问题，从量子光学的角度解决问题，自始至终关注量子信息学，使该文能够解决量子信息学需要解决的问题，使这一研究更有意义。1 3 问题的提出和选题的意义2 0 世纪初，人们对于微观世界的认识取得了巨大进步，诞生了量予物理学，它给了我们一个不同于经典物理的新规则，测不准原理
5、、最子态叠加原理、量子隧道效应、量子关联和量子纠缠、相下和退相干等。这就使得人们的认识深入到了微观领域和物质结构的深层次，由于人们认识了物质的波粒二象性、能够解释元素周期表、化学相互作用以及物体内电子的波函数，等等，这就为固体物理学、半导体物理学以及微电子技术的发展和信息时代的到来奠定了峰实的基础。这些进步使得从核技术到计算机技术以及由此带来的一切高新技术的发展成为可能。8 0 年以后，人们对各种设备全固化、集成化、微型化以及稳定性、安全性、可靠性、便携性和对信息处理高速度的要求，加快了计算机技术和微加工技术的研究和丌发，微处理器芯片以摩尔预言的规律趋于微型化。目日F 集成芯片的集成度将很快到
6、达其极限，量子定律支配的单原子晶体管即将面世。量子效应究竟对计算机速度以及计算方式会产生什么样的影响? 现实问题不容回避，形势促使人们不得不有意识地考虑由经典物理学支配的计算机硬件向量子物理学转移。新世纪伊始，物理学和信息科学面临着新的挑战，传统的经典计算机能否解决大数质因子分解问题? 能否实现不可破译、不可窃听的保密通信? 信息系统的安全问题能否得到可靠的保障? 诸如此类的问题一直是科学界关注的重要问题。若采用传统的经典计算机，答案显然是否定的。因此，为了保障信息系统的安全性和可靠性，量子计算机便摆上了议事日程。近十年来，物理学家把量子理论和信息科学结合起来，提出了一个耳目一新的概念、原理与
7、方法，于是量子信息作为新兴的学科便应运而生。目前，国际学术界所设想的量子信息网络是采用光子( 飞行的量子比特) 传递量子信息，而原子作为静止的量子比特存储量子信息；反之，原子作为飞行量子比特，而腔场作为静止的量子比特进行量子信息处理亦然，这两种模式科学界都给予了极大的关注。特别是随着这一领域的快速发展，使得原子、光子( 腔场)6第一章绪论以及原子与光场相互作用的地方微腔组成的相旺作用系统及其量子动力学特性已经成为当前围际量子信息领域研究的热点，本论文就是这浩瀚沧海中的1滴。随着科学技术的进步，宏观仪器和微观客体问相瓦作用的研究被迅速推进了现代实验室，受限小系统的干涉、退相干、关联和纠缠以及演化
8、控制等问题正经受着各种类型实验的精确检验。对此理论的研究是新世纪急需的理论先导和支撑。原子作为一个实体有其外部自由度位置和速度，该实体是由原子核和核外电子组成，所以义有其内部自由度核外电子的不同量子念。所以对原子的操作可分为对内部自由度量子态的操作以及对外部自由度位置和速度的控制，这就形成了以原予为对象的量子态工程原子冷却和捕获及原子内部态的操控【“1 。量子电动力学是关于电子和光子相互作用的量予理论，是物理学中最成功最精确的理论之一，并且也能用来描述其它带电基本粒子与电磁场的相丘：作用，量二f 电动力学在研究辐射场及其与物质( 原子、分子或粒子) 之间的各种相互作用时，便形成了当今量子光学的
9、核心内容。而腔量子电动力学是腔一光场一原子系统相互作用的最为精确的全量子理论。它的雏形最早町以追朔至U 1 9 6 3 年，E T J a y n e s 和F W C u m m i n g 两人提出的表征单模光场与单个理想二能级原子单光子相互作用的量子动力学模型，后人称之为标准J C 模型，简写为J C M t l 2 , 1 3 】，它是一个数学上严格精确可解的模型。随后人们围绕着J C M 做了大量的理论和实验研究工作，使人们关于场一原子之间相互作用的理论研究一下子深入到了物质量子化微观结构的深层次，随着研究工作的深入，伴随着研究方法和研究内容的拓展，以及研究手段的改进和更新，随着微波
10、激射技术的发展以及单原子微波激射器的成功实现，人们利用J C M 和成熟的实验技术研究场一原子之间相互作用过程中场和原子的各种动力学特性。今天的腔量子电动力学领域已经出现了一系列全新的重大突破。J C M 也由原来的标准型推广到了各种各样的原子与光场相互作用形式，例如：( 1 ) 简并双光子和简并多光子J C M t l 4 郴】；( 2 ) 缀饰多光子J C M 【1 8 】：( 3 ) 依赖于强度耦合的J C M 1 9 , 2 0 I ；( 4 ) 双模或多模腔场与单个或多个多能级原子相互作用的J C M t 2 “2 4 】：第一专绪论( 5 ) 附加克尔介质的J C M 2 5 2
11、6 ；( 6 ) 考虑S t a r k 效应的J C M 2 7 ；( 7 ) 非旋波近似F 的J C M l 28 】；( 8 ) 依赖于空间自由度酗J J C M 2 9 】：( 9 ) 单个冈禁粒子的J C M l 3 0 】；( 1 0 ) 在相位退相干影响F 的J C M 5 4 ，5 5 】；等等。从这些模型出发人们考察了腔场和原子的各种非经典特性。这些研究极大的推动了量子光学和量子电动力学发展，也给人们认识光与物质相瓦作用提供了理想工具和思想方法，取得了大最的科研成果。特别值得一提的是，1 9 9 7 年诺贝尔奖颁发给了对原子捕获和冷却做出贡献的科学家。在二十世纪I 二半叶，S
12、 t e r n G e r l a c h 实验技术以及后来的光泵技术允许分析和准备人量原子集合的内部量子态【3 9 】，该技术的发展最终导致受激辐射微波放大器及激光器的发明。近年来，人们为了用来描述最子光学和信息科学领域中信息在传输过程中保持原来状态的程度，引入了保真度的概念。对保真度的研究已成为量子通信和量子计算领域的一个热门问题。研究表明，在量子通信、量子计算和量子密码术中，量子态是信息的载体，由于要涉及量子态的传输问题，而量子态( 信息) 的传输必然要考虑保真度问题。但到目前为止，考虑在退相干影响下的J C M 的保真度的演化规律却未见报道。而在现实中，量子系统必然受到环境的影响，出
13、现退相干，所以本文的研究是很有意义的。1 4 国内外研究现状在法国，以J M R a i m o n d ，M B r u n e ，S H a r o c h e ，L D a v i d o v i c h ，N Z a g u r y和E H a g l e y 等人为代表的研究小组在这一领域做了大量的卓有成效的工作。1 9 9 0 年，该小组提出了一个利用R a m s e y 隔离振子场技术测量原子波函数的相位移方法，实现了在微波腔中非破坏性地监测光子数【3 1 1 ；1 9 9 2 年，进一步阐述了通过腔中原子场之间的色散耦合作用来实现光子数的量子非破坏测量和薛定谔猫态的生成3 2
14、 1 ；1 9 9 3 年提出了量子开关的概念【3 卅；1 9 9 4 年该小组提出了利用非局域微波场在两个腔之间进行原子态的隐形传态方案 3 4 】：1 9 9 6 年，该小组基于腔场和原子色散相互作用和对原子的相关测量，提出了几种制备和检测第一幸绪论经典E 可区分的电磁场相干叠加态的方案口5 ；1 9 9 7 年，首先在实验上通过原子在高Q 腔中交换单光子产生了E P R 纠缠原子对【36 ；其次，利用飞行原子携带的量子信息传递到了个高Q 腔，经过时间延迟后传递到了另一个原子，这样实现了由真空态和单原子态的叠加组成的量子存储器，并测量了该存储器的保持时间，完成了步基本的量子信息处理操作口”
15、；1 9 9 8 年对原子和光子在一个腔中相互作用过程中的纠缠、介观叠加和解相干机制进行了研究38 1 ；1 9 9 9 年，实验上利用R y b e r g 原子和高Q 腔中的0 和“1 ”光予态实现r 可调相位量子门 3 9 1 ；2 0 0 1 年，该小组实验上利用R v b e r g 原了和超导腔中的两模光予场实现r 腔中光场的最大纠缠态。以J I C i r a c ，P Z o l l e r ，S J v a nE n k ，W D u r 和B K r a u s 等为代表的跨国研究小组分别在美国、澳大利亚、德国等国家也做出了出色的工作。1 9 9 3 年他们基于原子与腔场之
16、间的相瓦作用提出了制备多原子纠缠念的方法【4 l 】；1 9 9 5 年该小组认真研究了在一个腔中实现电磁场的F o e k 态和一般叠加态的方案【4 “，该方案利用原子腔场之间强耦合绝热过程映射原子基念的Z e e m a n 相干性进入腔场模；同年，他们研究了利用腔量了电动力学系统进行量子计算过程巾的退相干效应以及纠错措施 4 3 1 ；1 9 9 7 年他们提出了利用光了在一个量子网络中节点( 腔和原予) 之间传递量予信息的方案【删，并研究了一个实际量子光学模型中在退相干量子通道上的理想量子通信方案【4 5 I ；1 9 9 8 年该研究小组进涉阐明了空间上分离的高Q 光腔中的原子之间通过标准光纤传递量子信息的物理过程 4 6 , 4 7 】；在上述研究的基础上，2 0 0 0 年提出了一个产生序列纠缠单光子波包的方法，并证明这些单光子波包可以被看作具有独立逻辑关系的量子位，在量子通信方面具有很高的应用价值1 4 8 ；我国学者段路明及其合作
