腔量子電動力學

腔量子電動力學，（Cavity-QED），旨在研究受限在特定空間，如微光學腔、高品質微波腔、受限量子器件等中的原子（離子）與光場作用的量子行為。

基本介紹

• 中文名：腔量子電動力學
• 外文名：Cavity-QED
• 屬性：受限在特定空間
• 對應：高品質微波腔

技術原理

腔量子電動力學也可以作為光學器件在光學試驗等其他領域中得到套用，系統可以用來研製單光子水平的光學開關，微尺度的分束器以及干涉儀等，這些器件在組成量子邏輯門，產生量子干涉和製備糾纏態等量子信息領域中的套用。

根據與原子相互作用的腔模的頻率的不同，存在著光腔量子電動力學和微腔量子電動力學。原子腔量子電動力學系統提供了一個很好的進行量子信息處理的實驗平台，但它在集成性能上不具備優勢。為了滿足量子信息處理的要求，真正達到規模化、集成化的控制。

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。隨著人們對量子電動力學的發展，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。

1960年，Drexhage觀察到：腔場會導致自發輻射的改變。

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，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。

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。

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布給了這兩位科學家。

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，例如薛丁格貓實驗，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。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。

套用前景

電路量子電動力學系統就是腔量子電動力學的原理在固態領域的實現，在電路量子電動力學中，我們用超導量子比特來充當人工原子，用一維超導傳輸線共振器來充當微波腔場。與自然原子不同，人工原子的性質可以人為地設計和調控。

由於超導量子比特包含很多原子，它的有效偶極矩比鹼金屬原子和里德堡原子大很多，而且一維傳輸線模體積小，因此即使固態環境的干擾作用強，導電路與腔的強耦合也是可以實現的，我們可以觀察到單個人工原子和單個微波光子的相互作用，利用電路量子電動力學可以探究到原子腔量子電動力學不能探究到的新領域。