北京大学：《量子光学》课程教学课件（讲稿）第1章 简介 Quantum Optics（主讲：古英）

微纳结构中量子信息和量子网络研究领域微纳结构中未来计划微纳尺度腔光力学量子光场调控和腔量子电动力学微纳尺度色微纳结构中腔量子电动力学前期研究量子信息过程量子光学微纳光学研究领域量子信息3

3 研究领域

研究概况量子光学量子微纳光子学及应用微纳光学微纳米或亚波长尺度调控量子光场可逆复合体系量子信息调控自发辐射研究相互作用量子干涉↑场量子化量子体系结合其它新兴手性光子拓扑光子超材料光子晶体材料材料结构

研究概况 量子光学 微纳光学 可逆 相互作用 量子微纳光子学及应用 调控 自发辐射 量子信息 研究 复合体系 量子干涉 微纳米或亚波长尺度 光子晶体 手性光子 材料 超材料 拓扑光子 结构 场量子化 量子体系结合 量子光场 调控 其它新兴 材料

研究方向：微纳尺度量子光学与量子信息致力于微纳光子学、量子光学和量子信息及其交叉领域的基础研究。研究多种微纳光子结构及其组合中的光学模式，进而研究这些结构中的量子光场及其和量子体系的耦合、腔量子电动力学、量子干涉及量子信息等，揭示了微纳尺度光和量子体系相互作用的诸多新现象新效应，为芯片上量子光学和量子信息提供了新原理新思路。在Naturenanotechnology、PRL、Chem.、nano《物理》等高水平杂志发表论文百余篇，letters.在国内外学术界产生一定影响

研究方向：微纳尺度量子光学与量子信息 致力于微纳光子学、量子光学和量子信息及其交叉 领域的基础研究。 研究多种微纳光子结构及其组合中的光学模式，进 而研究这些结构中的量子光场及其和量子体系的耦 合、腔量子电动力学、量子干涉及量子信息等，揭 示了微纳尺度光和量子体系相互作用的诸多新现象 新效应，为芯片上量子光学和量子信息提供了新原 理新思路。 在Nature nanotechnology、PRL、Chem.、nano letters、《物理》等高水平杂志发表论文百余篇， 在国内外学术界产生一定影响

北京大学现代光学研究所PEKINGUNIVERSITYMicro/nanoScaleQuantumOpticsandQuantumInformation微纳尺度量子光学与量子信息The research isaimingto fundamental study of micro/nanoscalephoton-phonon-emitterinteractionand is fortherequirement of on-chipquantum informationandscalablequantum networkCOEDwithEngineeringQuantumStateswithQuantumInformationProcessingMicro/nanoPhotonicStructuresMicro/nanoPhotonicStructuresatMicro/nanoscaleA425icnarEbDielePlasmon-emitterentanglementSinglephoton emission inQuantumstatefabricationwithsystem in evanescent wavePT-symmetrybrokenstructureshybridtopological structures5638M(am)Modedegeneracy andChiral photon-emittercouplingSeamlessfrequency-connectionofentanglement of dielectriccavityinhybridPC-SPPstructuresoptomechanicalquantumnetworkwithin zero-index materials

6 现代光学研究所 Micro/nano Scale Quantum Optics and Quantum Information 微纳尺度量子光学与量子信息 CQED with Micro/nano Photonic Structures Engineering Quantum States with Micro/nano Photonic Structures Quantum Information Processing at Micro/nano scale Single photon emission in hybrid topological structures Chiral photon-emitter coupling in hybrid PC-SPP structures The research is aiming to fundamental study of micro/nanoscale photon-phonon-emitter interaction and is for the requirement of on-chip quantum information and scalable quantum network Quantum state fabrication with PT-symmetry broken structures Mode degeneracy and entanglement of dielectric cavity within zero-index materials Plasmon-emitter entanglement system in evanescent wave Seamless frequency-connection of optomechanical quantum network

第一章简介一、量子光学在光学发展中的地位1、光的特性2、光与物质相互作用二、量子光学的发展历程1、量子力学的发展史（与光相关的部分）2、激光的发明对量子光学的推进三、量子光学后期发展1、腔量子电动力学（CQED）2、腔光力学3、量子信息4、原子光学5、量子光子学6、超导线路CQED四、和量子光学相关的诺贝尔奖五、量子光学的课程安排和参考资料8

8 第一章 简 介 一、量子光学在光学发展中的地位 1、光的特性 2、光与物质相互作用 二、量子光学的发展历程 1、量子力学的发展史（与光相关的部分） 三、量子光学后期发展 2、激光的发明对量子光学的推进 五、量子光学的课程安排和参考资料 1、腔量子电动力学（CQED） 2、腔光力学 3、量子信息 4、原子光学 5、量子光子学 6、超导线路CQED 四、和量子光学相关的诺贝尔奖

简介第一章一、量子光学在光学发展中的地位光波长2:1、光的特性h：Planck常数几何性费马原理：光按极限光程传播如：光沿直线传播，折射，反射20h-0费马原理是几何光学的高度概括，所有在几何光学范畴内的问题，费马原理都能解释9

9 第一章 简 介 一、量子光学在光学发展中的地位 1、光的特性 l：光波长 ħ：Planck常数 几何性 费马原理：光按极限光程传播 l→0 ħ→0 如：光沿直线传播，折射，反射 费马原理是几何光学的高度概括，所有在 几何光学范畴内的问题，费马原理都能解释

波动性E惠更斯.菲涅尔原理如：光波的传播，干涉，衍射，偏振等2+0h-0介观光学：散射体的尺寸小于或和光波长可比拟（问题）电磁性E经典的Maxwell方程如：光波是电磁场10

10 波动性 惠更斯.菲涅尔原理 如：光波的传播，干涉，衍射，偏振等 电磁性 经典的Maxwell方程 如：光波是电磁场 l≠0 ħ→0 介观光学：散射体的尺寸小于 或和光波长可比拟 (问题)

量子性光场的量子化薛定方程，算符海森堡方程如：能量不可分的“粒子”，即光子(m=0)量子光学“反常”效应，即量子效应：（问题）入#0,#0如相干态，压缩态，光子反聚束为啥提到h呢？统计性统计光学如：光场和光场间的关联光子和光子间的关联11

11 量子性 光场的量子化， 薛定谔方程，算符海森堡方程 如：能量不可分的“粒子”，即光子（m=0) “反常” 效应，即量子效应：（问题） 如相干态，压缩态，光子反聚束 统计性 统计光学 如：光场和光场间的关联 光子和光子间的关联 量子光学 l≠0，ħ≠0 为啥提到ħ呢？

2、光与物质相互作用线性光学：几何光学和波动光学物质→光场出=L入光场入一dxl-dI=αIdxmatterα与光强度I无关1I=Ioe -αx12

12 2、光与物质相互作用 线性光学：几何光学和波动光学 光场 Y入 物质 光场 Y出= LY入 matter I dx -dI=aIdx a与光强度I无关 I=I0e - ax

非线性光学：物质对光场的响应是非线性的D=&E+P,J=0E由经典Maxwell方程和EPALaEV×V×E+uo+eatOt?Ot2展开PNL，微扰论下，得到非线性光学系数Pw = p(1) + p(2) + p(3) + ..p(I) = ×()E, P(2) = x(2)EE, P(3) = ×(3)EEE0数量级上，α) ~1, x(2)~10-,x(3)~10-813

13 非线性光学：物质对光场的响应是非线性的 由经典Maxwell方程和 0 , DE JE PNL =+ = e s    2 2 2 2 E E NL E t P t t µs µe µ ¶¶ ¶ Ñ´Ñ´ + + = - ¶¶ ¶     (1) (2) (3) (1) (1) (2) (2) (3) (3) . , , PPP P NL P E P EE P EEE cc c =+++ == =         展开 PNL  ，微扰论下，得到非线性光学系数 数量级上， (1) (2) 4 (3) 8 cc c 1, 10 , 10 - -   w