腔量子電動力學

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。對強作用腔量子電動力學所作出的研究，為量子邏輯提供了的一種實現途徑，這就是建造量子計算機的原理之一。

傑恩斯-卡明斯模型描述

在光學腔內單個雙態原子的物理行為，可以用傑恩斯-卡明斯模型來做數學描述，原子與光子會共同進行真空拉比振盪（英語：vacuum Rabi oscillation），以方程式表達為

|e\rangle |n-1\rangle \leftrightarrow |g\rangle |n\rangle ,

其中，

${\begin{smallmatrix}|e\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示一個受激原子
${\begin{smallmatrix}|n-1\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示n-1個光子
${\begin{smallmatrix}|g\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示一個基態原子
${\begin{smallmatrix}|n\rangle \end{smallmatrix}}$ 表示n個光子

如果腔場與原子躍遷發生共振，經過一個半週期的振盪，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

(\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，或成為原子或囚禁離子量子計算機（英語：trapped ion quantum computer）與光量子通信（英語：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糾纏。比方說,，一個初始態為 ${\begin{smallmatrix}|e\rangle |0\rangle \end{smallmatrix}}$ 的四分之一週期的共振，會製成最大糾纏態 ${\begin{smallmatrix}(|e\rangle |0\rangle +|g\rangle |1\rangle )/{\sqrt {2}}\end{smallmatrix}}$ 。理論而言，這可以用來製作量子計算機。

原理

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對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。當原子處於受控微腔的真空場內，其自發輻射是可控的。原子最外層電子的躍遷（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頻率振盪並輻射電磁波。如果把激發態原子放置於腔場中，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。

歷史

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。隨着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：在一定條件下，腔內原子的自發輻射率與處於自由空間中原子的自發輻射並不相同。^[1]

1960年，Drexhage觀察到：腔場會導致自發輻射的改變。^[2]

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。^[3]

實現 CQED 的關鍵是取得高品質腔。早期為了獲取高品質腔，人們利用了高品質石英微球中的所謂回音壁模型 ^[4]^[5]^[6]^[7]^[8]，使得腔的損耗與體積被大大降低了。法國ENS的Haroche小組更是獲得了品質因數為10^11的腔場。^[9]

20世紀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實驗檢驗。 ^[10]

1992年以後，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。

物理學諾貝爾獎

基於塞爾日·阿羅什與戴維·瓦恩蘭對量子系統控制做出的貢獻，2012年物理學諾貝爾獎被頒佈給了這兩位科學家。

法國物理學家阿羅什建立了物理學的新領域，腔量子電動力學，其通過光學腔或微波腔來控制原子屬性，阿羅什專注於微波實驗，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。

在一系列突破性的實驗中，阿羅什利用腔量子電動力學，實現了許多著名實驗，例如薛定諤貓實驗^[11]，量子測量^[12]，量子計算^[13]^[14]，量子態製備^[15]，量子通信^[16]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。這種的狀態極其脆弱，人們正在利用該技術來發展量子計算機。

註釋

^ Purcell E M. Phys Rev. 1945, 69: 681. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ 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=為空 (幫助)
^ Braginsky V B, Ilchenko V S, Sov. Phys. Dokl. 1987, 32: 307. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Braginsky V B, Gorodetsky; et al. Phys. Lett. 18987, 173: 393. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune M; et al. Europhys. Lett. 1993, 23: 372. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ 金樂天，王克逸，周紹祥. 物理. 2002, 31: 642. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ gorodetsky M L; et al. Opt. Lett. 1996, 21: 453. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Haroche S, Kleppner D. Phys. Today. 1989, 1: 24. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Vuckovic J, Loncar M, Mabuchi H; et al. Phys. Rev. 2002, 55: 016608. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Schrodinger E. Die Gegenwartige Situation. Der Quantenmechanik Naturwissenschaften. 1935, 23: 807.
^ Thorne K S; et al. Quantum Measurement.. Cambridge University Press. 1992.
^ Pellizzar T, Gardliner S, Cirac J I; et al. Phys. Rev. lett. 1955, 75: 3788. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Turchette Q A, Hood, J I, Mabuchi H ea al. Phys. Rev. Lett. 1995, 75: 4710. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Parkins A S, Marte P, Zoller P; et al. Phys. Rev. Lett. 1993, 71: 3095. 缺少或|title=為空 (幫助)
^ Cirac J I, Zoller P, Kimble J H; et al. Phys, Rev. Lett. 1997, 44: 1727. 缺少或|title=為空 (幫助)

參考文獻

Hamish Johnston. Quantum-control pioneers bag 2012 Nobel Prize for Physics. physicsworld.com. 2012 [2016-05-16]. （原始內容存檔於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

[1] Purcell E M. Phys Rev. 1945, 69: 681. 缺少或|title=為空 (幫助)

[2] Drexhage K H. Prigress in Optics(ed. by Wolf E). New York: North Holland. 1974.

[3] Jaynes E T, Cummings F W . Proc. 1963, 58: 89. 缺少或|title=為空 (幫助)

[4] Braginsky V B, Ilchenko V S, Sov. Phys. Dokl. 1987, 32: 307. 缺少或|title=為空 (幫助)

[5] Braginsky V B, Gorodetsky; et al. Phys. Lett. 18987, 173: 393. 缺少或|title=為空 (幫助)

[6] Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune M; et al. Europhys. Lett. 1993, 23: 372. 缺少或|title=為空 (幫助)

[7] 金樂天，王克逸，周紹祥. 物理. 2002, 31: 642. 缺少或|title=為空 (幫助)

[8] rodetsky M L; et al. Opt. Lett. 1996, 21: 453. 缺少或|title=為空 (幫助)

[9] Haroche S, Kleppner D. Phys. Today. 1989, 1: 24. 缺少或|title=為空 (幫助)

[10] Vuckovic J, Loncar M, Mabuchi H; et al. Phys. Rev. 2002, 55: 016608. 缺少或|title=為空 (幫助)

[11] Schrodinger E. Die Gegenwartige Situation. Der Quantenmechanik Naturwissenschaften. 1935, 23: 807.

[12] Thorne K S; et al. Quantum Measurement.. Cambridge University Press. 1992.

[13] Pellizzar T, Gardliner S, Cirac J I; et al. Phys. Rev. lett. 1955, 75: 3788. 缺少或|title=為空 (幫助)

[14] Turchette Q A, Hood, J I, Mabuchi H ea al. Phys. Rev. Lett. 1995, 75: 4710. 缺少或|title=為空 (幫助)

[15] Parkins A S, Marte P, Zoller P; et al. Phys. Rev. Lett. 1993, 71: 3095. 缺少或|title=為空 (幫助)

[16] Cirac J I, Zoller P, Kimble J H; et al. Phys, Rev. Lett. 1997, 44: 1727. 缺少或|title=為空 (幫助)

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

閱論編量子信息
基礎	量子計算迪文森佐準則量子位元量子三位元量子四位元量子編程量子線路量子電腦量子資訊
量子通訊	量子隱形傳態量子密碼學量子密鑰密集編碼
量子演算法	杜其–約薩算法格羅弗算法量子傅立葉變換秀爾演算法
量子複雜性理論	QTM (量子圖靈機) BQP QMA（英語：QMA） PostBQP（英語：PostBQP） EQP（英語：EQP）
其他	量子退相干量子糾纏環境誘導超選擇量子糾錯量子隨機漫步
量子電腦的物理實現
核磁共振量子電腦	液態核磁共振量子電腦固態核磁共振量子電腦
光子量子電腦	線性光學量子電腦非線性光學量子電腦同調態量子電腦
離子阱量子電腦	美國國家標準局式奧地利式
矽基量子電腦	肯氏量子電腦
超導體量子電腦	電荷量子位元通量量子位元混合量子位元
Category · Portal:物理學 · Commons