本書是筆者及團隊近幾年深耕量子光學領域相關理論問題的研究新進展,涉及量子光學當前及今后一段時間內(nèi)主要研究熱點,包括量子電池、量子不確定關系及其在糾纏探測中的應用、基于耗散的光學非互易、量子速度極限時間和 Rabi及類 Rabi模型相關物理問題等方面。
本書適用于作為從事量子光學和量子信息學研究的科研人員、高等科研院所物理教師、研究生和高年級本科生的參考資料,也可以用作量子光學教學內(nèi)容的拓展部分。
本書是作者團隊將近幾年在量子信息和量子光學領域的研究成果的一個總結分享，分別從量子電池、量子糾纏、光學非互易、量子速度極限時間以及Rabi模型等量子光學研究前沿方向進行了詳細闡述，對于推動量子信息和量子光學的研究具有重要的意義和參考價值。
量子信息學是一門新興的交叉學科,涉及到數(shù)學、物理、計算機等學科。在科學技術日新月異的今天,發(fā)展、凝練交叉學科方向,為未來信息技術發(fā)展培養(yǎng)交叉復合
型人才已經(jīng)是大多數(shù)高校、科研院所努力的方向。
量子信息學最初是從量子光學的研究中發(fā)展起來的,而量子光學中涉及的理論、實驗方法都已經(jīng)滲入到固體材料、量子儀器、超導測量等諸多領域,其基本思想已經(jīng)遠遠超出了內(nèi)容本身。法國科學家沙吉·哈羅徹與美國科學家大衛(wèi)·溫蘭德提出的基于量子光學思想突破性的實驗方法,使得測量和操縱單個量子系統(tǒng)成為可能,并因此獲得了2012年諾貝爾物理學獎。在時隔10年后,法國科學家阿蘭·阿斯佩、美國科學家約翰·克勞澤、奧地利科學家安東·塞林格通過開創(chuàng)性的實驗展示了處于糾纏狀態(tài)粒子的潛力,為量子技術的新時代奠定了基礎,也因此獲得了2022年諾貝爾物理學獎。目前,量子技術已經(jīng)成為全球競先爭奪的研究領域。
培養(yǎng)量子信息技術人才就有必要了解和學習量子光學基礎概念、基本方法、原理和實驗技術以及與量子光學相關領域的最新研究進展。本書從多個角度總結了作者團隊近年來在量子光學領域研究的最新進展,包括量子電池、量子不確定關系及其在糾纏探測中的應用、基于耗散的光學非互易、量子速度極限時間和 Rabi及類 Rabi模型相關物理問題等內(nèi)容。相信這些內(nèi)容對從事量子光學、量子信息科學研究的廣大科研人員、高等院校從事量子光學教學的教師,以及研究生和高年級本科生都會起到一定的幫助作用。
由于作者水平有限,書中難免存在錯漏之處,請廣大同行和讀者批評指正。
張國鋒
2024年3月
張國鋒，北京航空航天大學物理學院教授，博士生導師，研究領域為量子光學和固態(tài)量子自旋基本物理問題及在量子信息中的應用。迄今為止，共發(fā)表包括PRL在內(nèi)101篇SCI論文，有兩篇發(fā)表在Physical Review A的論文分別被引232次和222次。2007年發(fā)表的其中一篇Physical Review A為中國百篇最具影響國際學術論文，工作至今被國內(nèi)外多個研究小組跟蹤研究。2013年獲北京市青年英才項目資助。
承擔多項國家自然科學基金項目、國家自然科學基金重大儀器專項子課題、北航青年拔尖人才、國家重點實驗室開放課題、北京市青年英才計劃項目、總裝預研、總參預研項目等。
第1章 量子電池 1
1.1 量子電池概述 1
1.2 量子電池在共同環(huán)境與獨立環(huán)境下的充電增強 3
1.2.1 量子電池相關基礎知識 3
1.2.2 常見環(huán)境場景 3
1.2.3 獨立環(huán)境場景 10
1.3 復合環(huán)境下量子電池的充放電過程 15
1.3.1 物理模型和方法 15
1.3.2 量子電池的充電過程 17
1.3.3 量子電池的自放電過程 22
本章小結 24
參考文獻 25
第2章 量子不確定關系及其在糾纏探測中的應用 29
2.1 量子不確定關系概述 29
2.2 量子不確定關系的統(tǒng)一 30
2.2.1 基于方差乘積形式的不確定關系 31
2.2.2 基于方差和形式的不確定關系 33
2.2.3 統(tǒng)一精確的不確定關系理論框架 34
2.3 條件量子不確定關系 43
2.3.1 基于熵的條件不確定關系 43
2.3.2 基于方差的多體條件不確定關系 45
2.4 不確定關系的應用糾纏探測 48
本章小結 52
參考文獻 53
第3章 基于耗散的光學非互易 57
3.1 光學非互易概述 57
3.1.1 光學非互易的概念 57
3.1.2 光學非互易的應用 58
3.1.3 光學非互易的實現(xiàn)方法 59
3.2 耗散誘導非互易的物理機制 61
3.2.1 多耗散通道干涉的物理機制 61
3.2.2 光學非互易的實現(xiàn)與調(diào)控 63
3.2.3 能量單向傳輸 64
3.3 調(diào)控耗散實現(xiàn)完美非互易的方案 66
3.3.1 雙通道干涉的理論模型 67
3.3.2 完美非互易的實現(xiàn)與調(diào)控 68
3.3.3 耗散對完美非互易的影響 69
本章小結 70
參考文獻 71
第4章 量子速度極限時間 76
4.1 量子速度極限時間概述 76
4.2 關聯(lián)噪聲信道中的量子動力學加速 77
4.2.1 關聯(lián)量子信道與 QSLT 77
4.2.2 關聯(lián)噪聲信道中的 QSLT 79
4.3 Schwarzschild時空中的量子加速動力學過程 86
4.3.1 Schwarzschild時空中的 QSLT 86
4.3.2 Schwarzschild時空中糾纏對 QSLT 的影響 90
本章小結 94
參考文獻 94
第5章 Rabi及類 Rabi模型相關物理問題 99
5.1 Rabi模型及類 Rabi模型概述 99
5.1.1 Rabi模型 100
5.1.2 與 Rabi模型相關的實際模型 101
5.1.3 Rabi模型相關的求解方法 106
5.2 各向異性 Rabi模型 109
5.2.1 各向異性 Rabi模型概述 109
5.2.2 各向異性 Rabi模型的解析近似求解 109
5.2.3 弱反旋轉(zhuǎn)波耦合極限 114
5.2.4 反旋轉(zhuǎn)波項對物理量的影響 115
5.3 偏置 Dicke模型 117
5.3.1 偏置 Dicke模型概述 118
5.3.2 平均場理論結果 119
5.3.3 在經(jīng)典振子極限下對平均場理論的修正 120
5.3.4 A^2 項對偏置 Dicke模型的影響 123
5.3.5 系統(tǒng)基態(tài)波函數(shù)及其壓縮和糾纏性質(zhì) 124
本章小結 127
參考文獻 128
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