量子光学简介

发布日期：2025-10-11 23:22    点击次数：138

近年来，基于量子的应用蓬勃发展，这主要得益于科学家们意识到如何操控和利用纳米材料的量子特性。量子光学是量子技术的一个分支，本文将简要概述量子光学领域中的各个不同领域。

量子光学主要是一个物理学领域，它结合半经典物理学和量子力学原理，在亚原子层面研究和操控光子与物质的相互作用，以及由此产生的现象。这可以说是广义上对量子光学的解释。虽然最突出的应用是激光和量子计算，但人们对光子在量子层面上行为的基本原理也进行了大量研究，这有助于理解量子光学中许多不同的子集和现象，从而对物理应用的实现做出重大贡献。

巧合相关性

巧合关联是量子光学领域中用于判断观测者是否为单量子系统的研究对象。其原理是假设单个系统每次只能发射一个光子，并通过光电探测器将该量子系统视为单光子发射器。如果发现多个探测器同时观测到光源，则很可能它并非单光子系统，也不太可能是单量子系统。这是一个基本过程，使人们能够确定单个量子系统的存在，也就是说，它是一种测试而非应用，但它可以与其他量子光学应用领域结合使用。

一个例子是量子纠缠（详见下文）。巧合关联可以用来证明或反证量子纠缠网络中的关联，并将采用光学偏振器和光电探测器的组合来过滤量子态，并确定纠缠对两端是否存在对应关系。

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量子纠缠

量子纠缠是量子系统之间发生的一种现象，其中每个量子系统的组成部分合二为一，彼此之间无法描述，也就是说，整个系统不再是两个独立的量子态，而是变成了一个量子网络态。能够经历这种现象的组分包括电子、光子、原子和分子。这种现象可以延伸到远距离，测量量子系统的一部分可以揭示量子系统中相应粒子的性质。

纠缠网络不同端点可以揭示不同的属性，包括位置、动量、自旋和极化。在许多情况下，其中一个量子粒子被描述为叠加态，其纠缠态粒子的值不确定。然而，如果测量其中一个粒子，它可以为相应的粒子对提供确定的值。量子纠缠常用于量子计算应用（下文将更详细地介绍）。

量子隐形传态

量子隐形传态是另一种在量子计算和量子通信中有着广泛应用的现象，它与量子纠缠密切相关。量子隐形传态是指量子比特中存储的信息从一个位置传输到另一个位置，而无需传输量子比特本身的过程。

对于那些不了解的人来说，量子比特（qubit）是许多量子网络的基石，尤其是在量子信息处理应用中，它可以采用0值、1值或叠加的0值或1值。这意味着量子比特可以同时在多个值上执行量子操作。

量子信息处理

量子信息处理，即量子计算，是一种依赖于量子比特（而非二进制比特）的计算过程（和内存存储）。与仅采用 0 或 1 值的二进制比特相比，量子比特能够叠加，这使得操作能够同时进行（多个量子系统可以并行运行），从而使量子计算机的速度比传统计算机快得多。量子计算机中的量子比特利用量子网络中电子的 1/2 自旋态（上下）和光子的极化（水平和垂直）以量子力学的方式存储信息。这与量子比特纠缠时可以识别的位置排列相关，只要计算机能够控制自旋操作和电子自旋之间的相互作用，读出器就可以测量每个量子网络的单自旋态和体自旋共振，从而确定其中包含的信息。

量子通信

量子通信是一个与量子信息处理密切相关的领域，但与量子密码学（例如量子密钥分发）的关系比与计算的关系更为密切。量子密钥分发利用量子力学执行加密任务或破解加密系统。当两个人使用一个利用随机极化的单光子传输一系列随机数序列的通信系统时，量子密钥分发就起作用了。极化的随机性是利用量子光学产生的。这些序列在密码系统中充当密钥，系统使用经典信道和量子信道连接通信点。

量子比特通过量子信道发送，经典信道执行经典操作，可以用来查看是否有人试图入侵系统。由于信息是通过量子网络而非经典信道传输的，因此经典信道可以被入侵，但不会获取任何信息。然而，由于正常情况下的信号是相关的，经典网络和量子网络之间的任何相关性缺陷（由于入侵而导致）都会被接收方检测到，并可用于确定何时发生了入侵尝试。

发布于：辽宁省