[科普中国]-腔量子电动力学

腔量子电动力学，（Cavity-QED），旨在研究受限在特定空间，如微光学腔、高品质微波腔、受限量子器件等中的原子（离子）与光场作用的量子行为。

技术原理

腔量子电动力学也可以作为光学器件在光学试验等其他领域中得到应用，系统可以用来研制单光子水平的光学开关，微尺度的分束器以及干涉仪等，这些器件在组成量子逻辑门，产生量子干涉和制备纠缠态等量子信息领域中的应用。

根据与原子相互作用的腔模的频率的不同，存在着光腔量子电动力学和微腔量子电动力学。原子腔量子电动力学系统提供了一个很好的进行量子信息处理的实验平台，但它在集成性能上不具备优势。为了满足量子信息处理的要求，真正达到规模化、集成化的控制。1

原理被受困在微腔中的电磁场模式会因腔的边界制约而被增强或抑制。微腔对电磁场模式的改变与对真空的改变是相似的，这有点类似高质量天体（黑洞、中子星等）对时空的改变。 当原子处于受控微腔的真空场内，其自发辐射是可控的。原子最外层电子的跃迁（高能到低能）是造成原子发射出一个光子的原因。受激原子的最外层电子以很高的频率振荡并辐射电磁波。如果把激发态原子放置于腔场中，光子可能无法存在与腔场中而导致原子长时间处于激发态。原子最外层电子的辐射会因腔场的不同而改变。1

历史虽然早在1916年，物理学家爱因斯坦就曾提出了原子自发辐射的概念，但他并不知道造成自发辐射的原因。很长一段时间以来，人们普遍认为这种辐射是一种原子的固有属性（诸如质量，自旋，电荷等），是无法被改变的。随着人们对量子点动力学的发展，对真空认识的逐渐加深，这种辐射被看做真空对原子相互作用的结果，而非孤立原子的自发行为。

1946年，Purcell发现： 在一定条件下，腔内原子的自发辐射率与处于自由空间中原子的自发辐射并不相同。

1960年，Drexhage观察到：腔场会导致自发辐射的改变。

1963年，杰恩斯和卡明斯建立了杰恩斯-卡明斯模型，用于描述光与原子之间的相互作用。

实现 CQED的关键是取得高品质腔。早期为了获取高品质腔，人们利用了高品质石英微球中的所谓回音壁模型，使得腔的损耗与体积被大大降低了。法国ENS的Haroche小组更是获得了品质因数为10^11的腔场。

20世纪90年代，利用冷原子激素和光子广电测试激素，当原子的杰恩斯-卡明斯模型得到了很好的实验检验。

1992年以后，原子，光子耦合构与微损耗腔场共同组成了一个纠缠系统。—— 目前少有的实验室下可以观察到的单粒子行为的系统之一。1

物理学诺贝尔奖基于塞尔日·阿罗什与戴维·瓦恩兰对量子系统控制做出的贡献，2012年物理学诺贝尔奖被颁布给了这两位科学家。

法国物理学家阿罗什建立了物理学的新领域，腔量子电动力学，其通过光学腔或微波腔来控制原子属性，阿罗什专注于微波实验，将微波技术反过来使用，即使用腔量子电动力学来控制单独光子的物理性质。

在一系列突破性的实验中，阿罗什利用腔量子电动力学，实现了许多著名实验，例如薛定谔猫实验，量子测量，量子计算，量子态制备，量子通信等。在这些实验哩，量子系统是处于两个不同的量子态所组成的叠加态，直到接受量子测量为止。这种的状态极其脆弱，人们正在利用该技术来发展量子计算机。2

应用前景电路量子电动力学系统就是腔量子电动力学的原理在固态领域的实现，在电路量子电动力学中，我们用超导量子比特来充当人工原子，用一维超导传输线共振器来充当微波腔场。与自然原子不同，人工原子的性质可以人为地设计和调控。

由于超导量子比特包含很多原子，它的有效偶极矩比碱金属原子和里德堡原子大很多，而且一维传输线模体积小，因此即使固态环境的干扰作用强，导电路与腔的强耦合也是可以实现的，我们可以观察到单个人工原子和单个微波光子的相互作用，利用电路量子电动力学可以探究到原子腔量子电动力学不能探究到的新领域。2

本词条内容贡献者为:

李嘉骞 - 博士 - 同济大学