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.
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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)

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