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1、光光1光的干涉、衍射和偏振实验光的干涉、衍射和偏振实验-光的波动性光的波动性2光电效应实验光电效应实验-光的粒子性光的粒子性3单光子分光实验单光子分光实验-光子不可分光子不可分3.1一个光子分为反射光和透射光一个光子分为反射光和透射光3.2透射光通过多个分光器透射光通过多个分光器3.3反射光和透射光汇聚于第二个分光器反射光和透射光汇聚于第二个分光器1.一个光子分为反射光和透射光一个光子分为反射光和透射光2.透射光通过多个分光器透射光通过多个分光器透射光通过多个分光器透射光通过多个分光器经典的随机性可通过获取其信息而成为确定，经典的随机性可通过获取其信息而成为确定，如掷一次硬币，掷前每一面朝上的
2、几率都是如掷一次硬币，掷前每一面朝上的几率都是1/2；掷后若朝上的一面的几率为掷后若朝上的一面的几率为1，则另一面朝上的几率为则另一面朝上的几率为0；量子随机性不可移去，量子随机性不可移去，如一个光子经过一次分光器后，如一个光子经过一次分光器后，透射光仍有透射光仍有1/2的几率再一次被透射，的几率再一次被透射，1/2的几率再一次被反射。的几率再一次被反射。3.反射光和透射光汇聚于第二个分光器反射光和透射光汇聚于第二个分光器在两条光路相等的情况下，D（1）以100%的几率探测到，D（2）以0%的几率探测到。当光到达第二个半镀银的玻璃片当光到达第二个半镀银的玻璃片M M（2 2）之前，之前，用一个
3、全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，光子以光子以1/21/2的几率被探测器的几率被探测器D D（1 1）和和D D（2 2）所接收所接收. . 当光到达第二个半镀银的玻璃片当光到达第二个半镀银的玻璃片M M（2 2）之前，之前，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，用一个全吸收屏将两路光的任一路吸收掉，光子以光子以1/21/2的几率被探测器的几率被探测器D D（1 1）和和D D（2 2）所接收所接收. .以以此，此，可以进行可以进行量子无损害测量量子无损害测量，可以作为可以作为量子计算机的基本元件量子计算机的基本元件。光速光速0 0 前言前言1 1、关于光速
4、、关于光速2 2、一些实验结果、一些实验结果3 3、超光速理论超光速理论4 4光速仍是信息速度的极限光速仍是信息速度的极限 的最新实验根据的最新实验根据5 5、评述、评述运动速度超过光速的现象运动速度超过光速的现象称为称为超光速现象超光速现象或或超光速效应超光速效应，简称简称“超光速超光速（superluminalsuperluminal）”。超光速运动的粒子称为超光速运动的粒子称为超光速粒子超光速粒子，或或快子快子（tachyontachyon）。）。在其中出现在其中出现“超光速超光速”现象的介质现象的介质称为称为“快光快光（fast-lightfast-light）”物质物质。光脉冲在光学
5、介质中传播的速度光脉冲在光学介质中传播的速度没有没有精确的定义。精确的定义。任何脉冲都是任何脉冲都是一些具有不同频率一些具有不同频率 的正弦基波的正弦基波的组合。的组合。单个正弦基波在光学介质中传播，单个正弦基波在光学介质中传播，具有确定的相速度具有确定的相速度v =c/n( )，其中其中c为真空中的光速，为真空中的光速，n( )为该光学介质的折射率，为该光学介质的折射率，对于不同的频率对于不同的频率 有不同的折射率，有不同的折射率，因而有不同的相速度。因而有不同的相速度。光脉冲在光学介质中传播的近似理论，光脉冲在光学介质中传播的近似理论，脉冲的波峰的传播速度为群速度脉冲的波峰的传播速度为群速
6、度vg=c/ng,其中群折射率ng=n+dn/d|=，为波包的中心频率。dn/d是光学物质的色散。在典型的光学物质中，在典型的光学物质中，存在一个狭窄的光谱区域，存在一个狭窄的光谱区域，出现出现dn/d = = （1/1/ 2 2）（）（| | 1 1(+)(+) | | 2 2(-) (-) + |+ | 1 1(-)(-) | | 2 2(+)(+)） 假设这两个粒子从源产生的时候总动量为零，假设这两个粒子从源产生的时候总动量为零，它们沿相反的方向自由运动。它们沿相反的方向自由运动。两个粒子在两个粒子在分开分开前有相互作用，分开后前有相互作用，分开后设设没有。没有。这这两个粒子两个粒子组组
7、成的系成的系统统的状的状态态用用| | 1 1 | | 2 2 表示。表示。第一个粒子的自旋第一个粒子的自旋为为+1/2+1/2，则则第二个第二个应为应为-1/2-1/2，这这种情况表示种情况表示为为| | 1 1(+)(+) | | 2 2(-)(-)，第一个粒子的自旋第一个粒子的自旋为为-1/2-1/2，第二个，第二个为为+1/2+1/2，这这种情况表示种情况表示为为| | 1 1(-)(-) | | 2 2(+)(+)。只有只有这这两种情况，因此两种情况，因此 量子超空间传输的实验量子超空间传输的实验已在已在19971997年实现了年实现了（见见NatureNature,390,575.
8、1997,390,575.1997）。 量子隐形传态量子隐形传态（teleportation）20002000年，年，Nature发表潘建伟等的发表潘建伟等的实验结果，实验结果，证明三个光子的纠缠态的证明三个光子的纠缠态的量子非局域性量子非局域性1。1Jian-WeiPan,DikBouwmeester,MatthewDaniell,HaraldWeinfurterandAntonZeilinger，Experimentaltestofquantumnonlocalityinthree-photonGHZentanglement，Nature，3February2000,Vol.403,No.
9、6769,p.5152.2.量子隧穿与超光速量子隧穿与超光速 1993年，加利福尼亚大学伯克利分校的Raymond Chiao证明：量子理论还允许另一种超光速旅行存在：量子隧穿。 ChiaoChiao通过测量可见光光子通过测量可见光光子通过特定过滤器的隧穿时间，通过特定过滤器的隧穿时间，证明了证明了“超光速超光速”隧穿效应的存在。隧穿效应的存在。结果隧穿光子先到达探测器，结果隧穿光子先到达探测器，证明它们穿越过滤器的速度证明它们穿越过滤器的速度可能为光速的可能为光速的1.71.7倍。倍。3.3.使光速变慢甚至完全停止使光速变慢甚至完全停止 19981998年美国哈佛大学的年美国哈佛大学的Len
10、e Vestergaard HauLene Vestergaard Hau宣布，宣布，她把光速降到了每秒她把光速降到了每秒1717米。米。20012001年，她使光完全停止了。年，她使光完全停止了。她的研究小组所用的材料，她的研究小组所用的材料，是处于玻色爱因斯坦凝聚态的物质。是处于玻色爱因斯坦凝聚态的物质。 2001年年1月月19日日Nature发表了发表了Hau领导的小组领导的小组1和R.L.Walsworth和D.Lukin2分别独立地完成将光停下来的实验分别独立地完成将光停下来的实验。1ChienLiu,ZacharyDutton,CyrusH.Behroozi,LeneVesterg
11、aardHau,Observationofcoherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses,Nature,409,490-493(2001)2MichaelM.Kash,VladimirA.Sautenkov,AlexanderS.Zibrov,L.Hollberg,GeorgeR.Welch,MikhailD.Lukin,YuriRostovtsev,EdwardS.Fry,andMarlanO.Scully，UltraslowGroupVelocityandEnhancedN
12、onlinearOpticalEffectsinaCoherentlyDrivenHotAtomicGas，Phys.Rev.Lett.82,5229(28June1999)；RonaldL.Walsworth和MikhailD.Lukin，Phy.Rev.Letts.,20014.4.天文学中的超光速现象天文学中的超光速现象 类星体有时喷出类星体有时喷出速度比光速快得多的喷流。速度比光速快得多的喷流。宇宙在膨宇宙在膨胀胀，星系彼此星系彼此远远离。离。星系之星系之间间距离越距离越远远，互相分离的速度越大。互相分离的速度越大。如果星系之如果星系之间间足足够远够远，它它们们退行的速度就比光退行的速
13、度就比光还还快。快。 5.5.宇宙暴涨与超光速宇宙暴涨与超光速 如果光速是任何信号传递速度的上限，如果光速是任何信号传递速度的上限，相距遥远的区域就不能达到热平衡。相距遥远的区域就不能达到热平衡。因为没有任何东西能够因为没有任何东西能够在大爆炸发生以后走完这段距离。在大爆炸发生以后走完这段距离。而如果两个区域不能交换热量，而如果两个区域不能交换热量，它们也就不会达到相同温度。它们也就不会达到相同温度。但宇宙在大尺度上是相当均匀的。但宇宙在大尺度上是相当均匀的。宇宙曾经历了宇宙曾经历了超光速超光速的的暴涨时期。暴涨时期。6.脉冲脉冲“超光速超光速”的实验的实验1美国普林斯顿大学研究员王理军2，最
14、近利用光脉冲通过一个充满特制铯气的密封容器，结果出现不寻常现象，该束光脉冲竟然几乎“同一时间”在容器两端不分先后地出现，并到达容器以外60英尺处。速度达到每秒18.6万英里，相当于光速300倍，这是一项重大发现。在经典物理学的范围内，依据爱因斯坦的相对论，包括迄今为止的所有实验结果均确认，真空中光的速度是物体速度的极限。在量子物理学中，量子的非定域性（non-locality）（曾被看作是奇怪的、超光速的“超距作用”）和量子远距传态（teleportation）等，近年已为实验所证明。但是还未发现信息传播的速度超过真空中的光速。出射光脉冲在入射脉冲峰值进入介质之前出现，出射光脉冲在入射脉冲峰值
15、进入介质之前出现，但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了。但在这之前入射脉冲的前沿早已进入介质了。 王理军王理军（LijunWang）博士是美国普林斯顿大学NEC物理科学研究所的华裔科学家（1992年美国Rochester大学物理学博士）。他说，量子力学的最重要的结论之一是我们必须接受“测量的精度在客观上存在一个限制”的事实。我的研究兴趣在证认这种限制的许多不同的方面.我的部分研究将指向光学技术的应用方面。王理军在他的博士学位学习期间的研究是在量子光学和激光物理方面。他在Duke大学的博士后研究工作是关于光与物质的相互作用以及原子的操作。他最近作的工作是观察光脉冲的超亮传播（superlumi
16、nalpropagation）。这一工作结果2000年在英国自然（Nature）杂志。1L.J.Wang,A.Kuzmich&A.Dogariu,Gain-assistedsuperluminallightpropagation,NATURE,VOL406,20JULY2000,2王理军博士自述：王理军博士自述：王理军（LijunWang），美籍华人，美国普林斯顿大学，NEC物理科学研究所研究科学家，1992年美国Rochester大学物理学和天文学博士。量子力学的最重要的结论之一是我们必须接受“测量的精度在客观上存在一个限制”的事实。我在量子光学的部分研究兴趣是证认这种限制的各个方面。自从我早在大学生时就读HanburyBrown和Twiss的论文,我被量子光学吸引了。我其后有了一些令人激动和有成效的研究经验。我的部分研究更多的是在光学技术的应用方面。作为NECI的研究科学家，在如此的理想的环境进行这些研究是一优惠。在博士学习期间的研究领域是量子光学和激光物理。在Duke大学作博士后的工作期间的研究领域是光与物质的相互作用以及原子的操作。在加入NECI以前,在研究所和一般原子的高等技
