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）之間的相互作用 。對強作用腔量子電動力學所作出的研究，為量子邏輯提供了的一種實現途徑，這就是建造量子計算機的原理之一。
傑恩斯-卡明斯模型描述
在光學腔內單個雙態原子的物理行為，可以用傑恩斯-卡明斯模型來做數學描述，原子與光子會共同進行真空拉比振盪，以方程式表達為
其中，
- 表示一個受激原子
- 表示n-1個光子
- 表示一個基態原子
- 表示n個光子
如果腔場與原子躍遷發生共振，經過一個半週期的振盪，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
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，或成為原子或囚禁離子量子計算機與光量子通信之間的接口。
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糾纏 。比方說,，一個初始態為的四分之一週期的共振，會製成最大糾纏態。理論而言，這可以用來製作量子計算機。
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。微腔對電磁場模式的改變與對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。 當原子處於受控微腔的真空場內，其自發輻射是可控的。原子最外層電子的躍遷（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振盪並輻射電磁波。如果把激發態原子放置於腔場中，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： 在一定條件下，腔內原子的自發輻射率與處於自由空間中原子的自發輻射並不相同。[1]
1960年，Drexhage觀察到：腔場會導致自發輻射的改變。[2]
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。[3]
實現 CQED 的關鍵是取得高品質腔。早期為了獲取高品質腔，人們利用了高品質石英微球中的所謂回音壁模型 [4][5][6][7][8]，使得腔的損耗與體積被大大降低了。法國ENS的Haroche小組更是獲得了品質因數為10^11的腔場。[9]
20世紀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實驗檢驗。 [10]
1992年以後，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
基於塞爾日·阿羅什與戴維·瓦恩蘭對量子系統控制做出的貢獻，2012年物理學諾貝爾獎被頒布給了這兩位科學家。
法國物理學家阿羅什建立了物理學的新領域，腔量子電動力學，其通過光學腔或微波腔來控制原子屬性，阿羅什專注於微波實驗，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。
在一系列突破性的實驗中，阿羅什利用腔量子電動力學，實現了許多著名實驗，例如薛定諤貓實驗[11]，量子測量[12]，量子計算[13][14]，量子態製備[15]，量子通信[16]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。這種的狀態極其脆弱，人們正在利用該技術來發展量子計算機。
註釋
參考文獻
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
