量子信息學(xué)是一門新興的交叉學(xué)科,涉及到數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)等學(xué)科。在科學(xué)技術(shù)日新月異的今天,發(fā)展、凝練交叉學(xué)科方向,為未來(lái)信息技術(shù)發(fā)展培養(yǎng)交叉復(fù)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(xué)最初是從量子光學(xué)的研究中發(fā)展起來(lái)的,而量子光學(xué)中涉及的理論、實(shí)驗(yàn)方法都已經(jīng)滲入到固體材料、量子儀器、超導(dǎo)測(cè)量等諸多領(lǐng)域,其基本思想已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了內(nèi)容本身。法國(guó)科學(xué)家沙吉·哈羅徹與美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·溫蘭德提出的基于量子光學(xué)思想突破性的實(shí)驗(yàn)方法,使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能,并因此獲得了2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在時(shí)隔10年后,法國(guó)科學(xué)家阿蘭·阿斯佩、美國(guó)科學(xué)家約翰·克勞澤、奧地利科學(xué)家安東·塞林格通過(guò)開創(chuàng)性的實(shí)驗(yàn)展示了處于糾纏狀態(tài)粒子的潛力,為量子技術(shù)的新時(shí)代奠定了基礎(chǔ),也因此獲得了2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。目前,量子技術(shù)已經(jīng)成為全球競(jìng)先爭(zhēng)奪的研究領(lǐng)域。
培養(yǎng)量子信息技術(shù)人才就有必要了解和學(xué)習(xí)量子光學(xué)基礎(chǔ)概念、基本方法、原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及與量子光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。本書從多個(gè)角度總結(jié)了作者團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在量子光學(xué)領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展,包括量子電池、量子不確定關(guān)系及其在糾纏探測(cè)中的應(yīng)用、基于耗散的光學(xué)非互易、量子速度極限時(shí)間和 Rabi及類 Rabi模型相關(guān)物理問題等內(nèi)容。相信這些內(nèi)容對(duì)從事量子光學(xué)、量子信息科學(xué)研究的廣大科研人員、高等院校從事量子光學(xué)教學(xué)的教師,以及研究生和高年級(jí)本科生都會(huì)起到一定的幫助作用。
由于作者水平有限,書中難免存在錯(cuò)漏之處,請(qǐng)廣大同行和讀者批評(píng)指正。
張國(guó)鋒
2024年3月
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(dú)立環(huán)境下的充電增強(qiáng) 3
1.2.1 量子電池相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí) 3
1.2.2 常見環(huán)境場(chǎng)景 3
1.2.3 獨(dú)立環(huán)境場(chǎng)景 10
1.3 復(fù)合環(huán)境下量子電池的充放電過(guò)程 15
1.3.1 物理模型和方法 15
1.3.2 量子電池的充電過(guò)程 17
1.3.3 量子電池的自放電過(guò)程 22
本章小結(jié) 24
參考文獻(xiàn) 25
第2章 量子不確定關(guān)系及其在糾纏探測(cè)中的應(yīng)用 29
2.1 量子不確定關(guān)系概述 29
2.2 量子不確定關(guān)系的統(tǒng)一 30
2.2.1 基于方差乘積形式的不確定關(guān)系 31
2.2.2 基于方差和形式的不確定關(guān)系 33
2.2.3 統(tǒng)一精確的不確定關(guān)系理論框架 34
2.3 條件量子不確定關(guān)系 43
2.3.1 基于熵的條件不確定關(guān)系 43
2.3.2 基于方差的多體條件不確定關(guān)系 45
2.4 不確定關(guān)系的應(yīng)用糾纏探測(cè) 48
本章小結(jié) 52
參考文獻(xiàn) 53
第3章 基于耗散的光學(xué)非互易 57
3.1 光學(xué)非互易概述 57
3.1.1 光學(xué)非互易的概念 57
3.1.2 光學(xué)非互易的應(yīng)用 58
3.1.3 光學(xué)非互易的實(shí)現(xiàn)方法 59
3.2 耗散誘導(dǎo)非互易的物理機(jī)制 61
3.2.1 多耗散通道干涉的物理機(jī)制 61
3.2.2 光學(xué)非互易的實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)與調(diào)控 68
3.3.3 耗散對(duì)完美非互易的影響 69
本章小結(jié) 70
參考文獻(xiàn) 71
第4章 量子速度極限時(shí)間 76
4.1 量子速度極限時(shí)間概述 76
4.2 關(guān)聯(lián)噪聲信道中的量子動(dòng)力學(xué)加速 77
4.2.1 關(guān)聯(lián)量子信道與 QSLT 77
4.2.2 關(guān)聯(lián)噪聲信道中的 QSLT 79
4.3 Schwarzschild時(shí)空中的量子加速動(dòng)力學(xué)過(guò)程 86
4.3.1 Schwarzschild時(shí)空中的 QSLT 86
4.3.2 Schwarzschild時(shí)空中糾纏對(duì) QSLT 的影響 90
本章小結(jié) 94
參考文獻(xiàn) 94
第5章 Rabi及類 Rabi模型相關(guān)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(guān)的實(shí)際模型 101
5.1.3 Rabi模型相關(guān)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(xiàng)對(duì)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(chǎng)理論結(jié)果 119
5.3.3 在經(jīng)典振子極限下對(duì)平均場(chǎng)理論的修正 120
5.3.4 A^2 項(xiàng)對(duì)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(jié) 127
參考文獻(xiàn) 128