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'''腔量子電動力學'''（Cavity quantum electrodynamics，簡稱：'''cavity QED 或 CQED'''）描述了被微腔中的光場與其它[[粒子]]（例如原子）之間的[[基本相互作用|相互作用]] 。對强作用腔量子电动力学所作出的研究，為量子邏輯提供了的一種實現途徑，這就是建造[[量子计算机]]的原理之一。

==傑恩斯-卡明斯模型描述==
在光學腔内單個雙態原子的物理行为，可以用[[傑恩斯-卡明斯模型]]来做数学描述，原子與光子會共同進行{{le|真空拉比振荡|vacuum Rabi oscillation}}，以方程式表達為
:<math>|e\rangle|n-1\rangle\leftrightarrow|g\rangle|n\rangle,</math>

其中，
* <math>\begin{smallmatrix}|e\rangle\end{smallmatrix}</math>表示一個受激原子
* <math>\begin{smallmatrix}|n-1\rangle\end{smallmatrix}</math>表示n-1個[[光子]]
* <math>\begin{smallmatrix}|g\rangle\end{smallmatrix}</math>表示一個基态原子
* <math>\begin{smallmatrix}|n\rangle\end{smallmatrix}</math>表示n個光子

如果腔場與原子跃迁發生共振，經過一個半[[週期]]的振荡，腔場從開始沒有光子的量子態，由於相干性地與原子交互作用，變為零光子與單光子的疊加態，如同以下方程所示
:<math>(\alpha|g\rangle+\beta|e\rangle)|0\rangle\leftrightarrow|g\rangle(\alpha|0\rangle+\beta|1\rangle),</math>

並且，再度重複這機制，就可交換回原本狀態。這可被利用成為單光子源，或成為[[原子]]或{{le|囚禁离子量子计算机|trapped ion quantum computer}}與{{le|光量子通信|optical quantum communication}}之間的[[接口]]。

相互作用的持續時間如果不同，則會在[[原子]]與腔場間製成不同程度的[[量子糾纏|纠缠]] 。比方說,，一個初始態為<math>\begin{smallmatrix}|e\rangle|0\rangle\end{smallmatrix}</math>的四分之一週期的[[共振]]，會製成[[量子糾纏|最大纠缠态]]<math>\begin{smallmatrix}
(|e\rangle|0\rangle+|g\rangle|1\rangle)/\sqrt{2}\end{smallmatrix}
</math>。理論而言，這可以用來製作[[量子计算机]]。

== 原理 ==
被受困在微腔中的電磁場模式會因腔的邊界制約而被增強或抑制。微腔對[[电磁场|電磁場]]模式的改變與对[[真空]]的改變是相似的，這有點類似高質量天體（[[黑洞]]、[[中子星]]等）對時空的改變。 當原子处于受控微腔的真空場內，其自发辐射是可控的。原子最外層電子的[[跃迁]]（高能到低能）是造成原子發射出一個光子的原因。受激原子的最外層[[電子]]以很高的[[頻率 (物理學)|频率]][[振荡]]并[[輻射]][[電磁波]]。如果把激發態原子放置于腔場中，光子可能無法存在與腔場中而導致原子長時間處於激發態。原子最外層電子的輻射會因腔場的不同而改變。

== 歷史 ==
雖然早在1916年，物理學家[[愛因斯坦]]就曾提出了原子[[自發輻射]]的概念，但他並不知道造成自發輻射的原因。很長一段時間以來，人們普遍認為這種輻射是一種原子的固有屬性（諸如[[質量]]，[[自旋]]，[[電荷]]等），是無法被改變的。隨著人們對量子點動力學的發展，對真空認識的逐漸加深，這種輻射被看做真空對原子相互作用的結果，而非孤立原子的自發行為。

1946年，[[Purcell]]發現： 在一定条件下，腔內原子的自发辐射率與處於自由空间中原子的自发辐射並不相同。<ref>{{Cite journal|title=|author=Purcell E M.|url=|journal=Phys Rev.|issue=|doi=|others=|year=1945|volume=69|page=681|pmid=}}</ref>

1960年，[[Drexhage]]观察到：腔場會導致自发辐射的改变。<ref>{{Cite journal|title=Prigress in Optics(ed. by Wolf E)|author=Drexhage K H.|url=|journal=New York: North Holland|issue=|doi=|others=|year=1974|volume=|page=|pmid=}}</ref>

1963年，傑恩斯和卡明斯建立了[[傑恩斯-卡明斯模型]]，用於描述光與原子之間的相互作用。<ref>{{Cite journal|title=|author=Jaynes E T, Cummings F W .|url=|journal=Proc.|issue=|doi=|others=|year=1963|volume=58|page=89|pmid=}}</ref>

實現 CQED 的關鍵是取得高品质腔。早期為了獲取高品質腔，人們利用了高品质石英微球中的所谓[[回音壁微腔|回音壁模型]] <ref>{{Cite journal|title=|author=Braginsky V B, Ilchenko V S, Sov.|url=|journal=Phys. Dokl.|issue=|doi=|others=|year=1987|volume=32|page=307|pmid=}}</ref><ref>{{Cite journal|title=|author=Braginsky V B, Gorodetsky et al|url=|journal=Phys. Lett.|issue=|doi=|others=|year=18987|volume=173|page=393|pmid=}}</ref><ref>{{Cite journal|title=|author=Collot L, Lefevre-Sequin V, Brune M et al.|url=|journal=Europhys. Lett.|issue=|doi=|others=|year=1993|volume=23|page=372|pmid=}}</ref><ref>{{Cite journal|title=|author=金乐天，王克逸，周绍祥|url=|journal=物理.|issue=|doi=|others=|year=2002|volume=31|page=642|pmid=}}</ref><ref>{{Cite journal|title=|author=gorodetsky M L et al.|url=|journal=Opt. Lett.|issue=|doi=|others=|year=1996|volume=21|page=453|pmid=}}</ref>，使得腔的損耗與體積被大大降低了。法国ENS的Haroche小组更是獲得了品质因数為10^11的腔場。<ref>{{Cite journal|title=|author=Haroche S, Kleppner D.|url=|journal=Phys. Today.|issue=|doi=|others=|year=1989|volume=1|page=24|pmid=}}</ref>

20世纪90年代，利用冷原子激素和光子廣電測試激素，當原子的[[傑恩斯-卡明斯模型]]得到了很好的实验检验。 <ref>{{Cite journal|title=|author=Vuckovic J, Loncar M, Mabuchi H et al.|url=|journal=Phys. Rev.|issue=|doi=|others=|year=2002|volume=55|page=016608|pmid=}}</ref>

1992年以后，原子，光子耦合構與微損耗腔場共同組成了一個糾纏系統。—— 目前少有的實驗室下可以觀察到的單粒子行為的系統之一。


==物理學諾貝爾獎==
基於[[塞尔日·阿罗什]]與[[戴维·瓦恩兰]]對量子系統控制做出的貢獻，[[诺贝尔物理学奖得主列表|2012年物理學諾貝爾獎]]被頒布給了這兩位科學家。

法國物理學家阿罗什建立了物理學的新领域，腔量子電動力學，其通過光學腔或微波腔來控制原子屬性，阿罗什專注於微波實驗，將微波技術反過來使用，即使用腔量子電動力學來控制單獨光子的物理性質。

在一系列突破性的实验中，阿罗什利用腔量子電動力學，實現了許多著名實驗，例如[[薛定谔猫]]实验<ref>{{Cite journal|title=Die Gegenwartige Situation|author=Schrodinger E.|url=|journal=Der Quantenmechanik Naturwissenschaften|issue=|doi=|others=|year=1935|volume=23|page=807|pmid=}}</ref>，[[量子測量]]<ref>{{Cite journal|title=Quantum Measurement.|author=Thorne K S et al.|url=|journal=Cambridge University Press|issue=|doi=|others=|year=1992|volume=|page=|pmid=}}</ref>，[[量子計算]]<ref>{{Cite journal|title=|author=Pellizzar T, Gardliner S, Cirac J I et al.|url=|journal=Phys. Rev. lett.|issue=|doi=|others=|year=1955|volume=75|page=3788|pmid=}}</ref><ref>{{Cite journal|title=|author=Turchette Q A, Hood, J I, Mabuchi H ea al.|url=|journal=Phys. Rev. Lett.|issue=|doi=|others=|year=1995|volume=75|page=4710|pmid=}}</ref>，[[量子態製備]]<ref>{{Cite journal|title=|author=Parkins A S, Marte P, Zoller P et al.|url=|journal=Phys. Rev. Lett.|issue=|doi=|others=|year=1993|volume=71|page=3095|pmid=}}</ref>，[[量子通信]]<ref>{{Cite journal|title=|author=Cirac J I, Zoller P, Kimble J  H et al.|url=|journal=Phys, Rev. Lett.|issue=|doi=|others=|year=1997|volume=44|page=1727|pmid=}}</ref>等。在這些實驗哩，量子系統是處於兩個不同的量子態所組成的疊加態，直到接受量子測量為止。这種的状态极其脆弱，人們正在利用該技術來發展量子计算机。
==註釋==
{{reflist|2}}

==參考文獻==
{{refbegin}}
*{{cite journal| author = Hamish Johnston| title = Quantum-control pioneers bag 2012 Nobel Prize for Physics| journal = physicsworld.com| year = 2012| url = http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/oct/09/quantum-control-pioneers-bag-2012-nobel-prize-for-physics| access-date = 2016-05-16| archive-date = 2017-12-27| archive-url = https://web.archive.org/web/20171227034258/http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/oct/09/quantum-control-pioneers-bag-2012-nobel-prize-for-physics| dead-url = no}}
*{{cite journal | author=Herbert Walther, Benjamin T H Varcoe, Berthold-Georg Englert and Thomas Becker| authorlink=| title=Cavity quantum electrodynamics| journal=Rep. Prog. Phys.| year=2006| volume=69 | pages=1325–1382 |url=http://www.iop.org/EJ/abstract/0034-4885/69/5/R02/|doi=10.1088/0034-4885/69/5/R02 | issue=5|bibcode = 2006RPPh...69.1325W }} Microwave wavelengths, atoms passing through cavity
*{{cite journal | author=R Miller, T E Northup, K M Birnbaum, A Boca, A D Boozer and H J Kimble| authorlink= | title=Trapped atoms in cavity QED: coupling quantized light and matter| journal=J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys.| year=2005| volume=38 | pages=S551–S565 |url=http://www.iop.org/EJ/abstract/0953-4075/38/9/007/|doi=10.1088/0953-4075/38/9/007 | issue=9|bibcode = 2005JPhB...38S.551M }} Optical wavelengths, atoms trapped
{{refend}}

{{Quantum computing}}

[[Category:量子信息科学]]