量子光学这一概念可以追溯到 1900 年或 1905 年，当时马克斯·普朗克和阿尔伯特·爱因斯坦分别发表了量子力学领域的开创性工作。在普朗克的例子中，他正在研究一种差异，后来被巧妙地称为“紫外线灾难”。普朗克的 方案， 简而言之，解决这个问题的方法是假设光的能量不是连续的光谱，而是被组织成 量子。爱因斯坦用这个激进的想法来解释另一个当时令物理学家困惑的问题，即 光电效应。他 1905 年解释这一现象的论文是他四篇论文中的第一篇 annus mirabilis 那年发表的论文并为他赢得了 1921诺贝尔物理学奖.
麦克斯韦提出和爱因斯坦描述的这些量子被称为光子，它们是光的波粒二象性的关键组成部分，这一观察彻底改变了现有物理学，并从本质上发明了整个量子力学领域。量子光学（QO）的分支后来从这项早期工作中发展而来，旨在进一步了解光的量子性质，特别是光与物质相互作用时的量子性质。 100 多年后，QO 已发展成为一个庞大的研究领域，拥有许多自己的子领域，并为其研究人员赢得了许多诺贝尔奖。
量子光学的子领域：从传感到计算
量子光学有很多子领域；一些最突出的问题如下所述。这并不是一份详尽的清单，因为每天都有新的发现。此外，子领域内的研究并不总是适合整齐的盒子——主题和实验技术的重叠很常见。
量子信息科学（QIS）
QIS 涉及量子计算、通信和密码学的研究。这些领域通常利用量子态进行信息处理和安全数据传输。这可以说是过去十年中量子光学最突出的应用 2022诺贝尔物理学奖 因在 QIS 领域的工作而获奖。在过去的几年里，量子计算也从一个小众学术话题转变为一个大规模的产业。即使严格限制在光量子计算的范围内，许多类型的量子比特系统也在争夺霸主地位，包括 捕获离子, 中性原子及 光子处理器。在计算之外，由于通过以下方式进行安全通信的承诺，诸如密码学之类的领域可能会发生变化 量子密钥分配 （QKD）。
量子计量
这个领域 围绕使用叠加和纠缠等量子特性测量物理量，最终目标是超越经典极限的精度。应用包括计时 光学原子钟, 量子传感及 量子全息成像.
腔量子电动力学 (CQED)
CQED 研究腔内量子光与物质之间的相互作用。光腔为隔离和保存单个原子（人造或天然）和光子提供了极好的空间，使我们能够研究量子纠缠和相干性等现象。 CQED 的开创性工作赢得了 2012诺贝尔物理学奖。尽管 CQED 技术本身仍然是一个活跃的研究领域，但在 1990 世纪 2000 年代和 XNUMX 年代开发的 CQED 技术在 现代量子计算机架构.
量子非线性光学 (QNLO)
QNLO 研究光与物质的相互作用 非线性媒体，表示极化对所施加的电场做出非线性响应的介质。这通常只能在极高的功率下才能实现，这是现代激光器能够满足的条件。 QNLO注重个体之间的有效互动 光子与其他光子 在里德伯原子等系统中。
超快光学
该领域处理量子系统中极短的时间尺度现象，通常为 10 量级-15 （飞秒）至 10-18 （阿秒）尺度。产生超快激光脉冲的开创性工作最近赢得了 2023诺贝尔物理学奖。这些脉冲可用于探测和控制原子和电子的动力学，这些动力学发生在极短的时间尺度上。超快激光脉冲意味着它们也是 权力强烈，这意味着它们对于在材料中产生非线性行为特别有用（请参阅上面有关 QNLO 的部分）。
量子光学实验的基石
虽然该领域进行的实验范围很广，但有一些设备在许多量子光学实验室中是常见的。
- 激光。可以肯定地说，如果没有激光，量子光学领域就不会存在。由肖洛和汤斯首先提出 在1958 并由梅曼演示 在1960，激光在物理、工程和化学研究中已经无处不在。激光的两个主要特点是 单色 和 相干， 这意味着它们以单一频率运行，并且所有发射的光子彼此同相。这些特性使研究人员能够瞄准并驱动特定的原子跃迁，长距离保存量子态信息，并执行高精度的干涉测量。
- 声光 和电光调制器（AOM/EOM）。虽然物理原理不同，但这两种设备在功能上非常相似，都是调制激光束。通过将射频信号与光束一起施加到调制器的输入端，可以在给定频率下进行幅度调制 (AM) 或偏振调制。调制信号很容易检测到 锁相放大器。 RF信号本身可以由一个控制 任意波形发生器 用于高级脉冲整形。
- 光学腔或谐振器。许多量子尺度的实验涉及单光子或单原子物理学。因此，通过光与物质之间的相互作用来增强光与物质之间的相互作用非常重要。 使用光学腔。光学腔通常由两个相对的、高度抛光的镜子组成，并且具有高 品质因数，这意味着光在离开腔体之前在两个镜子之间振荡多次。激光束的频率通常通过称为 激光锁定.
- 干涉仪。这些设备包括一个 分光镜和镜子的布置，并通过将入射激光束分成两条路径来进行操作。其中一条路径用作参考信号，而另一条路径则包含被测系统。此后，另一个分束器重新组合光束以创建干涉图案，对干涉图案进行分析以测量位移、旋转或折射率的微小变化。光电二极管和 锁相放大器 通常用于测量光学干涉仪的输出。
量子光学的未来前景
量子光学技术不断进步，提高了计时和测量的灵敏度，以及更安全的数据加密。光量子计算还有望解决当今计算机上难以解决的某些问题。超快、高功率激光器可以从材料中提取以前未知的行为。为了保持这一领域的发展，精确且多功能的测试和测量设备必须随之发展。
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