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量子光學導論/(美)克里斯托弗.格里 版權信息
- ISBN：9787302535188
- 條形碼：9787302535188 ; 978-7-302-53518-8
- 裝幀：平裝
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
量子光學導論/(美)克里斯托弗.格里 本書特色
本書對量子光學領域包括光的量子本質以及光與物質的相互作用作了初步介紹。 本書內容幾乎完全與量子化的電磁場相關。涵蓋的主題包括空腔中單模場量子化、多模場量子化、量子相位、相干態、相空間贗幾率分布、原子與場的相互作用、J-C模型、量子相干理論、分束器和干涉儀、非經典場壓縮態、糾纏光子局域實在論（涉及下轉換、腔量子電動力學的實驗實現、囚禁離子、退相干及其應用、量子信息處理和量子密碼術）的檢驗。本書提供了大量課后習題以及綜述文獻目錄。 本書專為那些已經學過量子力學的高年級本科生以及低年級研究生開設量子光學課程而設計。
量子光學導論/(美)克里斯托弗.格里 內容簡介
本書對量子光學領域包括光的量子本質以及光與物質的相互作用作了初步介紹。 本書內容幾乎接近與量子化的電磁場相關。涵蓋的主題包括空腔中單模場量子化、多模場量子化、量子相位、相干態、相空間贗幾率分布、原子與場的相互作用、J-C模型、量子相干理論、分束器和干涉儀、非經典場壓縮態、糾纏光子局域實在論（涉及下轉換、腔量子電動力學的實驗實現、囚離子、退相干及其應用、量子信息處理和量子密碼術）的檢驗。本書提供了大量課后習題以及綜述文獻目錄。 本書專為那些已經學過量子力學的高年級本科生以及低年級研究生開設量子光學課程而設計。
量子光學導論/(美)克里斯托弗.格里 目錄
目錄
第 1章引言 .1
1.1本書的范圍和目標 .1
1.2歷史 .1
1.3本書內容 5
參考文獻 6
更多閱讀的建議 6
第 2章場量子化 .8
2.1單模場的量子化 8
2.2單模場的量子漲落 . 13
2.3單模場的正交算符 . 14
2.4多模場 . 15
2.5熱平衡場 21
2.6真空漲落和零點能 . 25
2.7量子相位 29
習題 34
參考文獻 36
參考書目 36
第 3章相干態 37
3.1湮滅算符的本征態和*小不確定態 . 37
3.2位移真空態 . 41
3.3波包和時間演化 43
3.4相干態的產生 . 44
3.5相干態的更多性質 . 45
3.6相干態的相空間圖像 . 48
量子光學導論
3.7密度算符和相空間幾率分布 . 50
3.8特征函數 55
習題 60
參考文獻 61
參考書目 62
第 4章原子輻射的發射和吸收 . 63
4.1原子-場相互作用 . 63
4.2原子與經典場的相互作用 . 65
4.3原子與量子場的相互作用 . 69
4.4拉比模型 73
4.5全量子模型與 J-C模型 76
4.6綴飾態 . 83
4.7密度算符方法：在熱態上的應用 . 86
4.8大失諧下的 J-C模型：色散相互作用 89
4.9 J-C模型的推廣 91
4.10 J-C模型的施密特分解和馮 ·諾伊曼熵 . 91
習題 93
參考文獻 95
參考書目 96
第 5章量子相干函數 97
5.1經典相干函數 . 97
5.2量子相干函數 . 101
5.3楊氏干涉 104
5.4高階相干函數 . 106
習題 111
參考文獻 112
參考書目 112
第 6章分束器與干涉儀 . 113
6.1單光子實驗 . 113
6.2分束器的量子力學描述 114
目錄 VII
6.3單光子干涉儀 . 120
6.4無相互作用測量 121
6.5相干光的干涉測量 . 123
習題 124
參考文獻 125
參考書目 125
第 7章非經典光 . 127
7.1正交壓縮 127
7.2正交壓縮光的產生 . 141
7.3正交壓縮光的探測 . 142
7.4振幅（或光子布居數）壓縮態 . 143
7.5光子反聚束 . 145
7.6薛定諤貓態 . 147
7.7雙模壓縮真空態 154
7.8高階壓縮 160
7.9寬帶壓縮光 . 161
習題 162
參考文獻 164
參考書目 165
第 8章耗散相互作用和退相干 . 167
8.1導引 . 167
8.2單系統實現或系綜實現 168
8.3單個量子系統的實現 . 170
8.4三能級原子的亞穩態和傳輸動力學 . 173
8.5退相干 . 175
8.6從退相干中生成相干態：光平衡 . 178
8.7總結 . 178
習題 178
參考文獻 179
參考書目 180
第 9章量子力學的光學驗證 181
9.1光子源：自發參量下轉換 . 182
VIII 量子光學導論
9.2 HOM干涉儀 185
9.3量子擦除器 . 187
9.4誘導的量子相干 189
9.5光子的超光速隧穿 . 191
9.6局域實在論和貝爾理論的光學驗證 . 192
9.7弗朗松實驗 . 197
9.8下轉換光在無絕對標準度量學方面的應用 . 199
習題 200
參考文獻 201
參考書目 202
第 10章腔量子電動力學以及離子阱的實驗 203
10.1 里德伯原子 . 203
10.2 與腔場進行相互作用的里德伯原子 205
10.3 J-C模型在實驗中的實現 . 209
10.4 在腔 QED中制備糾纏原子對 . 212
10.5 用大失諧條件下的原子-場相互作用實現薛定諤貓態以及從量子到經典的退相干 213
10.6 光子數的量子非破壞測量 . 217
10.7 J-C型相互作用在囚禁離子運動中的實現 217
10.8結束語 220
習題 221
參考文獻 221
參考書目 223
第 11章量子糾纏的應用 ——海森伯極限下的量子干涉和量子信息處理. 224
11.1 量子糾纏優勢 225
11.2 糾纏和干涉測量 226
11.3 量子隱形傳態 228
11.4 密碼術 230
11.5 私鑰密碼系統 230
11.6 公鑰密碼系統 232
11.7 量子隨機數產生器 . 233
11.8 量子密碼術 . 234
目錄 IX
11.8.1量子密鑰分發 234
11.8.2 BB84協議 234
11.8.3 B92協議 237
11.8.4埃克特協議 . 238
11.9量子通信的前景 239
11.10量子計算邏輯門 . 239
11.11一些量子門的光學實現 . 243
11.12退相干和量子糾錯 . 247
習題 247
參考文獻 248
參考書目 250
附錄 A密度算符、糾纏態、施密特分解和馮·諾伊曼熵 . 251
A.1密度算符 . 251
A.2兩態系統和布洛赫球 . 254
A.3糾纏態 . 255
A.4施密特分解 256
A.5馮·諾伊曼熵 258
A.6密度算符的動力學 259
參考文獻 259
重要文獻 259
附錄 B果殼里的量子測量理論 . 261
參考文獻 263
附錄 C推導大失諧（遠離共振）相互作用下的有效哈密頓量 . 264
參考文獻 266
附錄 D非線性光學和自發參量下轉換 . 267
參考文獻 268
第 1章引言 .1
1.1本書的范圍和目標 .1
1.2歷史 .1
1.3本書內容 5
參考文獻 6
更多閱讀的建議 6
第 2章場量子化 .8
2.1單模場的量子化 8
2.2單模場的量子漲落 . 13
2.3單模場的正交算符 . 14
2.4多模場 . 15
2.5熱平衡場 21
2.6真空漲落和零點能 . 25
2.7量子相位 29
習題 34
參考文獻 36
參考書目 36
第 3章相干態 37
3.1湮滅算符的本征態和*小不確定態 . 37
3.2位移真空態 . 41
3.3波包和時間演化 43
3.4相干態的產生 . 44
3.5相干態的更多性質 . 45
3.6相干態的相空間圖像 . 48
量子光學導論
3.7密度算符和相空間幾率分布 . 50
3.8特征函數 55
習題 60
參考文獻 61
參考書目 62
第 4章原子輻射的發射和吸收 . 63
4.1原子-場相互作用 . 63
4.2原子與經典場的相互作用 . 65
4.3原子與量子場的相互作用 . 69
4.4拉比模型 73
4.5全量子模型與 J-C模型 76
4.6綴飾態 . 83
4.7密度算符方法：在熱態上的應用 . 86
4.8大失諧下的 J-C模型：色散相互作用 89
4.9 J-C模型的推廣 91
4.10 J-C模型的施密特分解和馮 ·諾伊曼熵 . 91
習題 93
參考文獻 95
參考書目 96
第 5章量子相干函數 97
5.1經典相干函數 . 97
5.2量子相干函數 . 101
5.3楊氏干涉 104
5.4高階相干函數 . 106
習題 111
參考文獻 112
參考書目 112
第 6章分束器與干涉儀 . 113
6.1單光子實驗 . 113
6.2分束器的量子力學描述 114
目錄 VII
6.3單光子干涉儀 . 120
6.4無相互作用測量 121
6.5相干光的干涉測量 . 123
習題 124
參考文獻 125
參考書目 125
第 7章非經典光 . 127
7.1正交壓縮 127
7.2正交壓縮光的產生 . 141
7.3正交壓縮光的探測 . 142
7.4振幅（或光子布居數）壓縮態 . 143
7.5光子反聚束 . 145
7.6薛定諤貓態 . 147
7.7雙模壓縮真空態 154
7.8高階壓縮 160
7.9寬帶壓縮光 . 161
習題 162
參考文獻 164
參考書目 165
第 8章耗散相互作用和退相干 . 167
8.1導引 . 167
8.2單系統實現或系綜實現 168
8.3單個量子系統的實現 . 170
8.4三能級原子的亞穩態和傳輸動力學 . 173
8.5退相干 . 175
8.6從退相干中生成相干態：光平衡 . 178
8.7總結 . 178
習題 178
參考文獻 179
參考書目 180
第 9章量子力學的光學驗證 181
9.1光子源：自發參量下轉換 . 182
VIII 量子光學導論
9.2 HOM干涉儀 185
9.3量子擦除器 . 187
9.4誘導的量子相干 189
9.5光子的超光速隧穿 . 191
9.6局域實在論和貝爾理論的光學驗證 . 192
9.7弗朗松實驗 . 197
9.8下轉換光在無絕對標準度量學方面的應用 . 199
習題 200
參考文獻 201
參考書目 202
第 10章腔量子電動力學以及離子阱的實驗 203
10.1 里德伯原子 . 203
10.2 與腔場進行相互作用的里德伯原子 205
10.3 J-C模型在實驗中的實現 . 209
10.4 在腔 QED中制備糾纏原子對 . 212
10.5 用大失諧條件下的原子-場相互作用實現薛定諤貓態以及從量子到經典的退相干 213
10.6 光子數的量子非破壞測量 . 217
10.7 J-C型相互作用在囚禁離子運動中的實現 217
10.8結束語 220
習題 221
參考文獻 221
參考書目 223
第 11章量子糾纏的應用 ——海森伯極限下的量子干涉和量子信息處理. 224
11.1 量子糾纏優勢 225
11.2 糾纏和干涉測量 226
11.3 量子隱形傳態 228
11.4 密碼術 230
11.5 私鑰密碼系統 230
11.6 公鑰密碼系統 232
11.7 量子隨機數產生器 . 233
11.8 量子密碼術 . 234
目錄 IX
11.8.1量子密鑰分發 234
11.8.2 BB84協議 234
11.8.3 B92協議 237
11.8.4埃克特協議 . 238
11.9量子通信的前景 239
11.10量子計算邏輯門 . 239
11.11一些量子門的光學實現 . 243
11.12退相干和量子糾錯 . 247
習題 247
參考文獻 248
參考書目 250
附錄 A密度算符、糾纏態、施密特分解和馮·諾伊曼熵 . 251
A.1密度算符 . 251
A.2兩態系統和布洛赫球 . 254
A.3糾纏態 . 255
A.4施密特分解 256
A.5馮·諾伊曼熵 258
A.6密度算符的動力學 259
參考文獻 259
重要文獻 259
附錄 B果殼里的量子測量理論 . 261
參考文獻 263
附錄 C推導大失諧（遠離共振）相互作用下的有效哈密頓量 . 264
參考文獻 266
附錄 D非線性光學和自發參量下轉換 . 267
參考文獻 268
展開全部
量子光學導論/(美)克里斯托弗.格里 節選
第 1章引言 1.1本書的范圍和目標 量子光學是當下活躍發展的物理領域之一。盡管作為一個主要研究領域它已經至少存在了 20年，不少研究生從事其中，但在過去幾年間它也開始影響本科生的教學課程。這本書來源于我們在帝國理工學院和紐約城市大學教授四年級本科生和一年級研究生的課程教材。在量子光學中有眾多非常好的專業研究方向可供介紹，但我們覺得應從強調基本概念的角度考慮到高年級本科生和低年級研究生的根本需求。當下這是一個吸引了*聰明學生的領域，部分是因為領域本身的非凡發展（諸如量子隱形傳態、量子密碼術、薛定諤貓態、貝爾不等式對局域實在論的違背等）。我們希望本書能為這個激動人心的學科提供一個容易理解的導論。 我們的目標是為假定已經選修過量子力學課程的高年級本科生或那些有興趣將來從事這方面研究的一二年級研究生寫一本涵蓋量子光學本質的入門級教科書。我們所介紹的內容并不簡單，對本科生以及低年級研究生而言將會是挑戰，但我們試圖采用*為直接的方式。盡管如此，本書中仍然會有部分內容會讓讀者覺得比其他部分更難一些。在每章*后安排的習題同樣也難度不一。我們所講述的幾乎都是關于量子化的電磁場和它們對原子的作用，以及非經典光場的行為。本書的目標是把量子光學和近年來發展的量子信息處理聯系在一起。 本書涵蓋的課題包括：諧振腔中單模場的量子化、多模場的量子化、量子相位問題、相干態、相空間贗幾率分布、原子 -場相互作用、杰恩斯 -卡明斯（ Jaynes-Cummings, J-C）模型、量子相干理論、分束器和干涉儀、非經典場（壓縮態等）、下轉換獲得的糾纏光子對局域實在論的檢驗、腔量子電動力學的實驗實現、囚禁離子（或原子）、退相干問題，以及量子信息處理的某些應用，特別是量子密碼術。本書的每一章都留有許多課后習題以及進一步閱讀的參考文獻。許多習題涉及數值計算，其中有些較為煩瑣。 1.2歷史 本節用來簡要回顧光學和光子學的物理思想的歷史沿革。更多的細節可在玻恩（ Born）和沃爾夫（ Wolf）的第六版《光學原理》的“歷史介紹”一章中找到。有關量子力學思想的發展史可在惠特克（ Whitaker）*近的一本書 [1]中找到，它的可讀性很強。阿魯塞范（ A. Muthukrishnan）、斯庫利（ M. O. Scully）和祖貝里（ M. S. Zubairy）近期的一篇文章 [2]以*容易閱讀的方式詳細地檢閱了光和光子的概念發展。 遠古世紀的人們已經對光和光束的本性著迷不已。在 17世紀之前，人們已經很好地建立起兩個重要的概念：波和粒子。在 19世紀上半葉，麥克斯韋在對作為電磁波的光仔細研究之后為現代場論打下根基。那時經典物理除了在少許諸如黑體輻射和光電效應等方面有點令人擔心以外，似乎無往不勝。這些當然就是量子力學革命的種子。作為一位骨子里保守的理論物理學家，普朗克為了解釋發熱物體的光譜，似乎是相當不情愿地提出熱輻射以分立的量子化單元進行發射和吸收。正是愛因斯坦推廣了他的思想，提出這種新的量子代表了光本身而不僅僅是吸收和發射的過程，這樣就能夠描述物質與輻射如何建立熱平衡（引入受激輻射的想法），同時也能解釋光電效應。到了 1913年，玻爾將量子化的基本思想運用到原子動力學中去，從而能夠預言原子光譜譜線的位置。 在光量子的想法被引入很久以后，化學家吉爾伯特·列維斯（ Gilbert Lewis）創造了光子這個新名詞。在 1926年，Lewis寫道： 如果我們設想某個假設的實體，它僅在極短時間內作為輻射能量的載體，而在其余時間內作為原子內的一個重要結構元素而存在，似乎應該把它稱為光的粒子、光的微粒、光的量子或光量子??我因此冒昧地提議命名這個假設的新粒子為光子，它不是光但在每個輻射過程中扮演了重要角色 [3]。 很清楚 Lewis和我們現在的想法差距相當大！ 德布羅意在一次異想天開中產生了關于光量子的想法，展示出它在波動和粒子方面的雙面性。在 1925—1926年令人驚訝的短時間內，海森伯、薛定諤和狄拉克為量子力學奠定了基礎。他們提供給我們所有至今還在使用的理論工具：表象、量子態演化、幺正變換、微擾論等。量子力學內在的幾率特性是馬克斯·玻恩發掘的，他提出了幾率幅的思想，從而能夠對干涉進行全量子化的處理。 費米和狄拉克是量子力學的開拓者，他們同時也是首批考慮量子化的光如何與原子相互作用以及如何傳播的專家。 20世紀 30年代費米把自己在安娜堡發表演說的內容發表在《現代物理評論》上。這篇文章總結了在那個年代人們所了解的有關庫侖規范下非相對論量子力學的知識。他對干涉（特別是李普曼條紋）的處理方法至今仍然值得閱讀。關于這一點有必要引用威利斯·蘭姆（ Willis Lamb）的一段話： 在開始討論（問題）前要決定需要從全宇宙中引入多少自由度，決定需要什么簡正模式才能足夠處理，決定如何對光源進行建模并推導它們如何驅動系統 [4]。 這段表述總結了本書貫穿始終的方法。 魏斯科普夫（ Weisskopf）和維格納（ Wigner）把非相對論量子力學的新方法運用到自發輻射和共振熒光的動力學中，預測了穩態躍遷的指數衰減率。他們的工作中已經出現了接下來困擾量子電動力學長達 20年的自能問題，直到施溫格（ Schwinger）、 費恩曼（ Feynman）、朝永振一郎（ Tomonaga）和戴森（ Dyson）發展出重整化的方案才得以解決。在此時*為突出的工作是庫施（ Kusch）對電子反常磁矩以及蘭姆（ Lamb）與盧瑟福（ Rutherford）對原子輻射能級偏離的觀察。對此感興趣的讀者可以在施韋伯（ Schweber）那本關于量子電動力學的權威著作 [5]中發現對這段歷史的詳細描述。這期間的研究體現了把真空作為一種有觀察效應的場進行考慮的重要性。在 20世紀 40年代晚期的一個重要工作中，開西米爾（ Casimir）受膠體比原先僅考慮范德瓦爾斯作用要穩定得多的觀測事實啟發，闡述了原子間長程力的量子電動力學本質。并且他把原子間長程力與場的零點振動關聯在一起，指出真空中的金屬平板之間由于這樣的零點振動而相互吸引。 愛因斯坦繼續他在量子力學基本原理方面的研究，并在 1935年與波多爾斯基（ Podolsky）和羅森（ Rosen）合作的著名文章中指出量子關聯的怪異。這篇文章的想法經由玻姆（ Bohm）和貝爾關于量子關聯本性的具體預言而引爆了現代物理中*為活躍的領域之一，并成為量子信息處理新課題的基礎。 基于振幅干涉即一階關聯的光學相干已經被研究了多年。 20世紀 50年代，漢伯里·布朗（ Hanbury Brown）和特維斯（ Twiss）以光強度干涉作為星光干涉儀的研究工具，并指出熱光子的探測時間如何集束化。這些工作引導了光子統計和光子計數理論的發展，并導致量子光學作為一門獨立學科的開端。在光子統計思想發展的同時，研究者們開始探索光與物質相互作用中的相干性。隨著拉比（ Rabi）、拉姆塞（ Ramsey）以及其他人的工作開展，射頻光譜學已經在原子光束的研究中初露端倪。在 20世紀 50年代到 60年代，卡斯特勒（ Kastler）、布羅塞爾（ Brossel）、希爾瑞（ Series）、多德（ Dodd）和其他人發展了光與原子相互作用的靈敏光泵浦探測器。 20世紀 50年代早期，湯斯（ Townes）和他的小組以及巴索夫（ Basov）和普羅霍羅夫（ Prokhorov）已經基于初態精確制備、粒子數布居反轉和受激輻射開發出分子微波輻射源，即新的微波激射器。 50年代，艾德·杰尼斯（ Ed Jaynes）在研究量子化是否在微波激射器運行中起到作用方面扮演了重要角色（并以此為后期全量子模型的原子 -場耦合方面的工作做好了準備，其中出現了后來被稱為 J-C模型的工作）。把微波激射器推廣到光頻段，從而開發出的激光革新了現代物理和技術。 格勞伯（ Glauber）、沃爾夫（ Wolf）、蘇達香（ Sudarshan）、曼德爾（ Mandel）、克勞德（ Klauder）及其他許多人發展了基于相干態和光電探測的量子相干理論。相干態允許我們在相空間中描述光的行為并使用早期由維格納和其他一些人發展的贗幾率概念。 在激光被開發出來的前幾年并沒有出現可調光源，這使得對原子和光或者分子和光相互作用的細節感興趣的研究者們不得不依賴于分子內偶然的共振。盡管如此，這還是導致了人們開始研究相干作用和相干瞬態，如光子回波、自感應透明、光學章動以及其他現象（具體的描述可參見已成為標準的艾侖（ Allen）和埃伯利（ Eberly）的專著）。可調激光器在 70年代初期出現，特別是染料激光器使得量子光學和激光光譜學的研究在精度上煥然一新。共振相互作用、相干瞬態和其他方面的研究變得越發簡單明了，而且導致量子光學變得接近人們當下理解的樣子：我們首次能夠以非微擾的方式研究單個原子與光相互作用的動力學。斯特魯（ Stroud）及其小組發起了憑借觀測共振熒光分裂對共振熒光的研究。早期莫勒（ Mollow）曾預言相干驅動會導致共振熒光譜線分裂成塊。曼德爾（ Mandel）、金布爾（ Kimble）以及其他一些人展示了共振熒光如何反集束，這一特征曾被許多理論學者包括沃爾斯（ Walls）、卡邁克爾（ Carmichael）、科昂 -塔努吉（ Cohen-Tannoudji）、Mandel和 Kimble研究過。反集束現象以及它所關聯的（但并非等價的）光子統計的亞泊松分布為“非經典光”的研究奠定基礎。 20世紀 70年代的幾個實驗探索了光子的本性：它們的可分辨性以及在單光子水平上干涉的建立。激光冷卻迅速在 80年代和 90年代得到發展，從而允許在精確調控的基礎上制備物質狀態。實際上激光冷卻自身已經成為一個主流研究學科，因此我們決定在本書中不討論它。 隨著從激光到高強度脈沖光的發展，從安娜堡的弗蘭肯（ Franken）及其合作者的開創性工作開始，一系列的非線性光學現象得到研究。諧波發生、參量下轉換以及其他一些現象被展現出來。在非線性光學很大部分領域內的早期工作沒有一篇需要場量子化，也不需要合理描述的量子光學。但早期也有跡象表明可以做到這些。事實上量子非線性光學是由伯納姆（ Burnham）和溫伯格（ Weinberg）對下轉換中不同尋常的非經典關聯的研究（第 9章）開端的。在 Mandel和其他許多人的手里，下轉換中的這些關聯成為揭示量子光學基本觀念的基礎工具。 直到 80年代，人們研究的所有光場噪聲本質上都與相位無關。這種狀況隨著帶有相位相關噪聲的壓縮光源的產生而改變。壓縮光源使得人們能夠研究光場的海森伯不確定關系；再次證明參量下轉換是產生這些非尋常光場的*為有效的工具。 量子光學領域的人們很早就意識到如果能將原子禁閉在諧振腔中，那么就能極大地改變原子輻射躍遷動力學。珀塞爾（ Purcell）在其 1946年發表的以核磁共振為背景的著名文章中，已經預言通常認為不會變化的自發輻射率事實上會因為把作為光源的原子封閉在諧振腔內而得到改變。這是因為諧振腔內的模式結構和密度與自由空間中的截然不同。在 60年代晚期，將原子放到諧振腔內或放到靠近腔鏡的位置成為可能。到 80年代，理論學者夢想的研究單個原子與單模電磁場的相互作用成為可能。此時因為原子與場的相干激發交換，所以躍遷動力學變得完全可逆，直到相干性通過一個耗散的“退相干”過程*終消失。這個夢想就是曾提出的 J-C模型，它構成了量子光學的一個基本構成單元（本書會對此進行詳細討論）。 信息處理中的新基本概念引導費恩曼、貝尼奧夫（ Benio?）、多依奇（ Deutsch）、喬薩（ Jozsa）、貝內特（ Bennett）、埃克特（ Ekert）等在近年來發展出了量子密碼術和量子計算機等領域。與使用 0和 1表示經典比特不同的是，量子計算機的基本單元是受量子力學規律支配的二能級系統（量子比特），它可以存在于邏輯值 0和 1的相干疊加態上。那么由 n個比特構成的集合就可以處在至多由 2n個不同態（它們中的每個都代表一個二進制數字）構成的疊加態上。一旦我們能夠控制和操控比如 1500個量子比特，那么我們能夠進行存取的狀態數就超過了可觀察宇宙中所有粒子數的總和。計算則由同時對所有疊加態作用的幺正變換執行。這些建構的幺正變換基礎構成了量子門的基本單元。與之相關的加密技術的絕對安全可以通過使用量子光源來保證。 使用量子疊加與量子糾纏的結果是高度的并行性，它能夠指數級地提高計算速度。大量在經典計算機上不具有可行性的問題在量子計算機上能夠被有效解決。皮特·肖爾（ Peter Shor）在 1994年開發的量子算法就有這樣的指數級速度提高。這個算法用來解決一個重要的實際問題，即質因子分解問題。隨后人們提出可能實現量子計算機的實驗系統，比如線性離子阱和核磁共振。目前我們處在這兩個體系都已發展出量子門的階段。量子計算與量子密碼術和量子通信密切相關。不少實驗室已經開展了演示這些原則上可能實現的想法的基礎實驗。 線性離子阱是*有可能實現量子計算，也是我們在本書中詳細討論的平臺之一。在這個系統中制備量子態（用激光冷卻加上光學泵浦）以及對電子亞穩態和熒光的狀態測量都是較為成熟的技術。在線性離子阱中，每個禁閉的帶電離子（其原子是鈣或鈹）被激光冷卻到微開爾文級的溫度，它們沿著線性射頻保羅型離子阱的對稱軸分開排列成一串。任何一個離子的內態都能與整個串振動的量子態發生交換。將照射離子的激光輻射脈沖的頻率調整到等于離子內態共振頻率減去離子串振動的某個簡正模式頻率，就可以做到這一點。它使得單聲子能夠進出振動模式。如果用類似的激光脈沖對準另一個離子，則振動態就與該離子的內態耦合起來。用此方法可以產生所有離子量子態的一般的幺正變換。離子阱有若干特征受到人們歡迎。它在不需要任何新技術突破的前提下就能對量子比特進行操作。它可以用來測量任何離子的狀態，并重復多次而毫無問題，這是量子糾錯協議得以執行的重要特征。 在諧振腔內禁閉的原子或離子可以和電磁場模式發生強耦合，從而允許量子態處理以及量子長程通信之間強強聯合的發生。這也提示了量子存儲器可能建構的方式。原則上用這些量子系統可以實現經典計算不能完全模擬的更強大的量子處理器，但因退相位和自發輻射引起的消相干是一個難以克服的障礙。 量子糾纏態是特定形式的量子密碼術和量子隱形傳態的關鍵資源。糾纏同時也是量子計算強大的原因。在理想情況下，量子計算能比任何經典計算機以指數級加速完成特定任務。更深入的認識量子糾纏在量子信息論中所扮演的角色將使我們改進現有應用并發展出量子信息處理的新方法。這些都是后面章節要講述的內容。 那么量子光學的未來是什么？它為激光科學和新的原子物理提供支撐。它甚至可能成為我們能夠實現全新技術的載體。憑借量子光學，量子力學允許我們以一種全新的方式對信息進行處理和傳輸。當然我們現在所預言可能出現的技術也許會和意料之外的事情混淆在一起，整個領域因為不斷出現的意外而繼續充滿冒險。 ……
量子光學導論/(美)克里斯托弗.格里 作者簡介
景俊，浙江大學物理學系教授/博士生導師。 1998-2002年，上海交通大學物理系 本科 2002-2007年，上海交通大學物理系 博士 2007-2014年，上海大學物理系，講師、副教授 2010-2012年，美國新澤西史蒂文斯理工學院，博士后 2013-2014年，美國紐約州立大學布法羅分校物理系，研究科學家 2014-2017年吉林大學原子與分子物理研究所，教授/博士生導師 2016年，香港理工大學應用物理系，研究科學家
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