【量子光學】

內容簡介

本書著重介紹量子光學領域中的基本理論、概念和方法，並對相關的前沿課題進行了適當討論。本書的主要內容包括：輻射場及其量子化，量子相干態、壓縮態，光場的相干性及其乾涉，光場與原子的相互作用，熱庫系統及主方程理論，朗之萬方程，光與物質相互作用，非馬爾可夫系統，光學諧振腔系統，光力耦合系統等。除此之外，我們還在適當的地方插入相關領域和課題的介紹，如光子波函數，糾纏光源的干涉，Rabi模型的精確解，超輻射相變，非馬爾可夫系統的度量及驗證，簡併光腔中的拓撲物態模擬等。

目錄

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【量子光學導論】

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、相空間贗機率分佈、原子與場的相互作用、J-C模型、量子相干理論、分束器和乾涉儀、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。本書提供了大量課後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。

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，博士後

　　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

目錄

第 1章引言 .1

1.1本書的範圍和目標 .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湮滅算符的本徵態和最小不確定態 . 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密度算符和相空間機率分佈 . 50

3.8特徵函數 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章分束器與乾涉儀 . 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單光子乾涉儀 . 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（或光子佈居數）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單系統實現或係綜實現 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中製備糾纏原子對 . 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乾涉和量子信息處理. 224

11.1 量子糾纏優勢 225

11.2 糾纏和乾涉測量 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果殼裡的量子測量理論 . 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