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量子光學技術

作者:東譜科技(廣州)有限責任公司 瀏覽: 發表時間:2019-05-28 09:00:00 來源:天大光學中心

基於經典麥克斯韋電磁理論的傳統光電信息技術,包括光電成像、探測、通信和傳感等,對光子的操控和應用能力已經或即將達到經典理論極限。如何突破經典物理學理論的限製,發展下一代光電信息技術,是光學工程即將面對的巨大挑戰。從科學技術發展的規律來看,在傳統光電技術中引入更為基本和普適的量子光學技術,將是解決經典極限的有效途徑。

量子信息處理科學與技術

量子信息科學是量子物理、信息科學、計算機科學,以及光電子技術等相互融合而綻放出來的一朵科學的奇葩。不同於經典信息,量子信息遵從量子力學規律,從而在物理上展現出許多奇特的性質。經過幾十年的發展,量子信息科學與技術的研究範疇目前可簡要概括為以下幾個方面:

1) 量子密碼與量子通信。由於量子態具有不可克隆的特性,因此量子密碼無法被竊聽或者破譯。基於量子密碼技術建立起來的量子通信系統,原則上可以實現絕對保密的通信。

2) 量子計算。不同於傳統計算機中的信息單元用比特,在量子計算機中,信息單元稱為量子比特。利用量子態的疊加性質,結合設計合理的量子並行算法,量子計算具有遠超傳統計算機的 計算能力。

3) 量子模擬。在通用的量子計算機目前尚無法實現的前提下,利用現階段已經可以很好控製的小規模的量子系統來實現一些在其他系統中難以實現的物理現象演示(也稱為專用量子計算)。

4) 量子精密測量。在傳統的測量中,忽略量子效應,因此,無論測量儀器多先進,測量精度都會受到測不準原理的限製,也即所謂的標準量子極限。然而,通過巧妙利用量子糾纏性和量子疊加等量子效應,可使測量精度突破標準量子極限。

在研究量子信息處理的諸多不同物理系統中,如光學系統、冷原子系統、約瑟夫森結、超 導量子電路、固態量子點、核磁共振、囚禁離子和腔量子電動力學等,光子具有抗幹擾能力強、 傳輸速度快和易於操控等特點,是量子信息最理想的載體之一。人們已經在基於量子態光源的量子信息處理方面取得了眾多突破性的進展。從曆史上看,科學和技術的整體性進步常常來源於光 學理論和技術的突破。例如,對黑體輻射和光電效應等光學現象的深入理解,為量子論的誕生奠定了紮實的基礎。可以預期,量子光學信息處理技術的突破性進展可推動量子技術在其它領域的 進步。

由於量子信息科學與技術在涉及國家安全、 經濟發展與社會進步等諸方面有著難以估量的潛在的應用前景,探索、開發並利用量子信息的新奇的物理功能當前不僅受到國際科技界的廣泛關注,而且也引起各國政府、軍事部門與信息產業界的高度重視。然而,量子技術的應用潛力能否轉化為大規模實際應用,一個至關重要的環節是相關量子單元和器件能否在性能提升和實用化方面取得進一步突破。這些量子器件包括實用化量子光源,高性能新型光子探測器,以及量子開關和量子存貯等等。

量子態光源 

類似於激光器在激光技術中的作用,量子態光源在量子技術的研究中也扮演者十分重要的角色。量子態光源與經典光源(白熾燈光和激光等)相比,其不同之處主要表現在如下四方面: 

1) 描述光場的理論模型不同。經典光用麥克 斯韋電磁理論來描述,光場總能量的值可以是任意非負數值,光場的能量和位相可以同時有確定值。而量子光用量子理論來描述,光由基本粒子 ——光子構成,光場的總能量是光子能量的整數倍,能量和位相不能同時精確測得(Heisenberg 測不準關系)。 

2) 光子流的光子統計特性不同。對於經典光源,在任意時刻,光源中能夠發光的原子數目是隨機的,並且當前和下一時刻發出光子的數量和位相均無關聯,光場的光子數起伏不小於光源輸出的平均光子數。對量子態光源來說,光子數起伏可以小於光源輸出光子的平均數。例如,對於隻包含一個發光原子的系統,系統每次受到激發後,發射且隻發射一個光子,光子數的起伏為零。

3) 光場正交分量的起伏不同。光場量子化 後,兩個正交振幅分量分別對應與諧振子的位置和動量算符,滿足相應的測不準原理。對於經典光場來說,複平面內任意角度的正交振幅不確定度比相幹態(即理想激光器的輸出)的大。而量子態光源,通過控製光子流輻射過程,可以使複平面內某一角度的正交振幅不確定度比理想激光器輸出的小。 

4) 可分離光束/光子之間的關聯不同。對於量子系統,其可分離子系統對應的光束或光子之間可以存在一種沒有經典對應的、非局域量子糾纏關系。 

量子態光場的產生和分類 

製備量子態光場的方法有很多,如光與原子相互作用和非線性光學技術等。其中,光學參量過程是產生量子態光場的一個有效途徑。利用二階非線性介質和三階非線性介質中的光學參量過程,人們已成功地產生了各種各樣的量子態光場。 

                                                                                    二階和三階光學參量過程示意圖 

量子態光源通常可分為兩類:一類是離散變量量子光源,測量的物理量是有限維Hilbert 空間中的物理量(如偏振),利用單光子探測器或可區分光子數的探測器進行測量,每個光子探測事件對應一個電脈衝輸出。另一類是連續變量量子光源,測量的物理量是無限維 Hilbert 空間中的物理量(如振幅和位相),采用平衡零拍或差拍探測系統進行測量,通過探測器輸出的光電流來分析光場的量子特性。兩種光源各有特點,適用於完成不同的信息任務。 

量子態光場的測量

在量子光學技術中,無論是對光場量子特性的表征,還是對光場所攜帶量子信息的提取,光子探測均是不可或缺的重要環節。 

事實上,在光電信息處理中,人們不斷追求弱光條件下的高分辨率,單光子探測器已經開始發揮重要作用。近二十年來,光子探測技術和量子光學理論與技術相互促進、良性循環,基於不同量子機理的光子探測技術相繼問世,並顯示出良好的探測性能。 


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