腔量子电动力学

腔量子電動力學（Cavity quantum electrodynamics，簡稱：cavity QED 或 CQED）描述了被微腔中的光場與其它粒子（例如原子）之間的相互作用 。對强作用腔量子电动力学所作出的研究，為量子邏輯提供了的一種實現途徑，這就是建造量子计算机的原理之一。 在光學腔内單個雙態原子的物理行为，可以用傑恩斯-卡明斯模型来做数学描述，原子與光子會共同進行真空拉比振荡（英语：vacuum Rabi oscillation），以方程式表達為 | e ⟩ | n − 1 ⟩ ↔ | g ⟩ | n ⟩ , {\displaystyle |e\rangle |n-1\rangle \leftrightarrow |g\rangle |n\rangle ,} 其中， | e ⟩ {\displaystyle {\begin{smallmatrix}|e\rangle \end{smallmatrix}}} 表示一個受激原子 | n − 1 ⟩ {\displaystyle {\begin{smallmatrix}|n-1\rangle \end{smallmatrix}}} 表示n-1個光子 | g ⟩ {\displaystyle {\begin{smallmatrix}|g\rangle \end{smallmatrix}}} 表示一個基态原子 | n ⟩ {\displaystyle {\begin{smallmatrix}|n\rangle \end{smallmatrix}}} 表示n個光子 如果腔場與原子跃迁發生共振，經過一個半週期的振荡，腔場從開始沒有光子的量子態，由於相干性地與原子交互作用，變為零光子與單光子的疊加態，如同以下方程所示 ( α | g ⟩ + β | e ⟩ ) | 0 ⟩ ↔ | g ⟩ ( α | 0 ⟩ + β | 1 ⟩ ) , {\displaystyle (\alpha |g\rangle +\beta |e\rangle )|0\rangle \leftrightarrow |g\rangle (\alpha |0\rangle +\beta |1\rangle ),} 並且，再度重複這機制，就可交換回原本狀態。這可被利用成為單光子源，或成為原子或囚禁离子量子计算机（英语：trapped ion quantum computer）與光量子通信（英语：optical quantum communication）之間的接口。 相互作用的持續時間如果不同，則會在原子與腔場間製成不同程度的纠缠 。比方說,，一個初始態為 | e ⟩ | 0 ⟩ {\displaystyle {\begin{smallmatrix}|e\rangle |0\rangle \end{smallmatrix}}} 的四分之一週期的共振，會製成最大纠缠态 ( | e ⟩ | 0 ⟩ + | g ⟩ | 1 ⟩ ) / 2 {\displaystyle {\begin{smallmatrix}(|e\rangle |0\rangle +|g\rangle |1\rangle )/{\sqrt {2}}\end{smallmatrix}}} 。理論而言，這可以用來製作量子计算机。 被受困在微腔中的電磁場模式會因腔的邊界制約而被增強或抑制。微腔對電磁場模式的改變與对真空的改變是相似的，這有點類似高質量天體（黑洞、中子星等）對時空的改變。 當原子处于受控微腔的真空場內，其自发辐射是可控的。原子最外層電子的跃迁（高能到低能）是造成原子發射出一個光子的原因。受激原子的最外層電子以很高的频率振荡并輻射電磁波。如果把激發態原子放置于腔場中，光子可能無法存在與腔場中而導致原子長時間處於激發態。原子最外層電子的輻射會因腔場的不同而改變。 雖然早在1916年，物理學家愛因斯坦就曾提出了原子自發輻射的概念，但他並不知道造成自發輻射的原因。很長一段時間以來，人們普遍認為這種輻射是一種原子的固有屬性（諸如質量，自旋，電荷等），是無法被改變的。隨著人們對量子點動力學的發展，對真空認識的逐漸加深，這種輻射被看做真空對原子相互作用的結果，而非孤立原子的自發行為。 1946年，Purcell發現： 在一定条件下，腔內原子的自发辐射率與處於自由空间中原子的自发辐射並不相同。 1960年，Drexhage观察到：腔場會導致自发辐射的改变。 1963年，傑恩斯和卡明斯建立了傑恩斯-卡明斯模型，用於描述光與原子之間的相互作用。 實現 CQED 的關鍵是取得高品质腔。早期為了獲取高品質腔，人們利用了高品质石英微球中的所谓回音壁模型 ，使得腔的損耗與體積被大大降低了。法国ENS的Haroche小组更是獲得了品质因数為10^11的腔場。 20世纪90年代，利用冷原子激素和光子廣電測試激素，當原子的傑恩斯-卡明斯模型得到了很好的实验检验。 1992年以后，原子，光子耦合構與微損耗腔場共同組成了一個糾纏系統。—— 目前少有的實驗室下可以觀察到的單粒子行為的系統之一。 基於塞尔日·阿罗什與戴维·瓦恩兰對量子系統控制做出的貢獻，2012年物理學諾貝爾獎被頒布給了這兩位科學家。 法國物理學家阿罗什建立了物理學的新领域，腔量子電動力學，其通過光學腔或微波腔來控制原子屬性，阿罗什專注於微波實驗，將微波技術反過來使用，即使用腔量子電動力學來控制單獨光子的物理性質。 在一系列突破性的实验中，阿罗什利用腔量子電動力學，實現了許多著名實驗，例如薛定谔猫实验，量子測量，量子計算，量子態製備，量子通信等。在這些實驗哩，量子系統是處於兩個不同的量子態所組成的疊加態，直到接受量子測量為止。这種的状态极其脆弱，人們正在利用該技術來發展量子计算机。 Purcell E M. Phys Rev. 1945, 69: 681.  缺少或|title=为空 (帮助) Drexhage K H. Prigress in Optics(ed. by Wolf E). New York: North Holland. 1974.  Jaynes E T, Cummings F W . Proc. 1963, 58: 89.  缺少或|title=为空 (帮助) Braginsky V B, Ilchenko V S, Sov. Phys. Dokl. 1987, 32: 307.  缺少或|title=为空 (帮助) Braginsky V B, Gorodetsky; et al. Phys. Lett. 18987, 173: 393.  请检查|date=中的日期值 (帮助); 缺少或|title=为空 (帮助) 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune M; et al. Europhys. Lett. 1993, 23: 372.  缺少或|title=为空 (帮助) 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) 金乐天，王克逸，周绍祥. 物理. 2002, 31: 642.  缺少或|title=为空 (帮助) gorodetsky M L; et al. Opt. Lett. 1996, 21: 453.  缺少或|title=为空 (帮助) 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) Haroche S, Kleppner D. Phys. Today. 1989, 1: 24.  缺少或|title=为空 (帮助) Vuckovic J, Loncar M, Mabuchi H; et al. Phys. Rev. 2002, 55: 016608.  缺少或|title=为空 (帮助) 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) Schrodinger E. Die Gegenwartige Situation. Der Quantenmechanik Naturwissenschaften. 1935, 23: 807.  Thorne K S; et al. Quantum Measurement.. Cambridge University Press. 1992.  引文格式1维护：显式使用等标签 (link) Pellizzar T, Gardliner S, Cirac J I; et al. Phys. Rev. lett. 1955, 75: 3788.  缺少或|title=为空 (帮助) 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) Turchette Q A, Hood, J I, Mabuchi H ea al. Phys. Rev. Lett. 1995, 75: 4710.  缺少或|title=为空 (帮助) Parkins A S, Marte P, Zoller P; et al. Phys. Rev. Lett. 1993, 71: 3095.  缺少或|title=为空 (帮助) 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) Cirac J I, Zoller P, Kimble J H; et al. Phys, Rev. Lett. 1997, 44: 1727.  缺少或|title=为空 (帮助) 引文格式1维护：显式使用等标签 (link) Hamish Johnston. Quantum-control pioneers bag 2012 Nobel Prize for Physics. physicsworld.com. 2012 [2016-05-16]. （原始内容存档于2017-12-27）.  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