前沿讲座量子干涉与相干

前沿讲座量子干涉与相干第一页，共五十九页，2022年，8月28日ClassicalInterferenceandCoherence单色光源反射镜反射镜补偿板分光板移动导轨MichelsonInterferometer(Temporalcoherence)YoungInterferometer(Spatialcoherence)Lightiswave-like.第二页，共五十九页，2022年，8月28日QuantumInterferenceandCoherenceThecorpuscularpropertiesoflightDirac"Eachphotoninterefeceonlywithitself.Interferecebetweendifferentphotonsneveroccurs."

×Thesystemofthetwoslitsandaphotonisasingle

quantumsystem.Interferencewaspredictedandobservedbetweenindependentlightbeams.Thephotonisonasuperpositionstate.Interferencewasalsoobservedwithmanykindsofmaterialparticals,suchaselectons,neutronsandatoms.第三页，共五十九页，2022年，8月28日IntroductionLaser:LightAmplificationforStimulatedEmissionofRadiationProperties：方向性好、单色性好、相干性高、亮度高……LaserTechnology：Ultrashort&ultra-intense主要是指激光器本身技术的发展，激光的强度及激光脉冲的宽度。LaserPhysics：TheinteractionoflaserswithmattersLaserSpectroscopy、NonlinearOptics、PhysicsofLaserPlasma、QuantumOptics……

第四页，共五十九页，2022年，8月28日

-量子电子学领域的基础工作导致基于MASER和LASER原理的振荡器和放大器的制成CharlesHardTownesUSA1915-NicolayGennadiyevichBasov

USSR1922-AleksandrMikhailovichProkhorov

USSR1916

-

TheNobelPrizeinPhysics1964forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprincipleTheNobelPrizeforPhysicsin1964isgivenfortheinventionofthemaserandthelaser.“Maser”,standsfor“microwaveamplificationbystimulatedemissionofradiation”,andtheword“laser”isobtainedbyreplacing“microwave”by“light”.第五页，共五十九页，2022年，8月28日TheNobelPrizeinPhysics1981

fortheircontributiontothedevelopmentoflaserspectroscopyNicolaasBloembergen

USA

1920-ArthurLeonardSchawlow

USA1921-1999

forhiscontributiontothedevelopmentofhigh-resolutionelectronspectroscopyKaiM.SiegbahnSweden1918-

fordevelopmentoflaserspectroscopyandhigh-resolutionelectronspectroscopy第六页，共五十九页，2022年，8月28日TheNobelPrizeinPhysics1997

StevenChuUSA1948-ClaudeCohen-Tannoudji

France1933-WilliamD.PhillipsUSA1948-Thisyear'sNobellaureatesinphysicshavedevelopedmethodsofcoolingandrappingatomsbyusinglaserlight.Theirresearchishelpingustostudyfundamentalphenomenaandmeasureimportantphysicalquantitieswithunprecedentedprecision.fordevelopmentstocoolandtrapatomswithlaserlighthavedevelopedmethodsofusinglaserlighttocoolgasestotheµKtemperaturerangeandkeepingthechilledatomsfloatingorcapturedindifferentkindsof"atomtraps".第七页，共五十九页，2022年，8月28日TheNobelPrizeinPhysics2001"fortheachievementofBose-Einsteincondensationindilutegasesofalkaliatoms,andforearlyfundamentalstudiesofthepropertiesofthecondensates"

EricA.CornellUSA1961-

WolfgangKetterleGermany1957-CarlE.WiemanUSA1951-

第八页，共五十九页，2022年，8月28日TheNobelPrizeinPhysics2005Forhiscontributiontothequantumtheoryofopticalcoherence;Fortheircontributionstoprecisionspectroscopy第九页，共五十九页，2022年，8月28日第十页，共五十九页，2022年，8月28日TheNobelPrizeinPhysics2012"forground-breakingexperimentalmethodsthatenablemeasuringandmanipulationofindividualquantumsystems"SergeHarocheCollègedeFrance,Paris,FranceDavidJ.WinelandUniversityofColorado,Boulder,CO,USA第十一页，共五十九页，2022年，8月28日量子干涉或者原子相干的产生：通过相干场or非相干过程Control（控制）：指通过特定的手段或技术来控制某一行为或过程，最终实现人们所需要的目标状态。社会科学领域：社会的秩序、正常发展及稳定等等均离不开国家机器的控制；自然科学领域：随着科学技术的发展，各种控制技术已经渗透到我们日常生活的各个角落。ThephenomenonofQuantumInterferenceandCoherence第十二页，共五十九页，2022年，8月28日利用相干激光场激发原子、分子等量子体系的相干，通过特定的激光脉冲来控制系统的相互作用过程，来实现人们所需要的目的状态。相干控制的设想最早是在化学反应动力学领域提出的，目的是控制化学反应过程，获得需要的产物。随着脉冲整形和压缩技术的发展和提高，相干量子操控技术将会促进光物理、光化学、生物光学、量子信息科学以及阿秒科学技术等许多交叉或新兴学科的共同发展。QuantumCoherentcontrol结构调控：利用材料的结构特征进行调控，比如原子、分子及半导体纳米微结构等；外场调控：振幅、相位、啁啾及形状等。量子调控的途径：第十三页，共五十九页，2022年，8月28日化学生物学信息学经典光学上世纪60年代激光的诞生……基础激光的应用非线性光学、量子光学物理学光与物质的相干相互作用第十四页，共五十九页，2022年，8月28日15经典理论：光场用经典麦克斯韦方程描述，物质看成服从经典牛顿力学的大量粒子的系综；半经典理论:光场行为仍然用麦克斯韦方程描述，量子力学来描述物质体系，即用算符，波函数，几率幅等概念和相应的理论；全量子理论：电磁场和原子都是量子化的。

在不涉及到光子的量子行为，如自发辐射、光子计数等时，半经典理论便足以解释光与物质相互作用过程中的各种现象。但是当涉及光子的量子行为时，就必须采用全量子理论来处理光与物质的相互作用。光与物质的相互作用第十五页，共五十九页，2022年，8月28日1.CoherentPopulationTrapping不管是在传统的态-态碰撞动力学、同位素分离、激光控制化学反应研究，还是在当前的原子光学或量子信息科学中，都要求原子或分子制备在特定的态上。我们这里最感兴趣的是特定态上随时间变化的布居数。由于在量子信息方面不断增长的兴趣，如何建立和操纵特定的相干量子叠加态也日益为人们所关心。更为普遍的原子或分子系综的特征则体现在随时间变化的态矢量中。相干量子态的转移及其相干叠加态的制备，对系统的光学相应有着本质的改变：激光诱导的（类）原子态的相干性，导致了不同激发通道间的量子干涉效应，从而改变了系统的光学特性。有选择地进行布居转移的系列方案，比如采用直接相干激发、啁啾脉冲激发、利用受激拉曼绝热跟随技术等等，为相干控制原子分子动力学过程开辟了新的途径。

第十六页，共五十九页，2022年，8月28日在一定条件下，所有的粒子都被捕获在基态|1>和|2>的叠加态上；由于激发态上没有粒子，介质对光场没有吸收，也就没有荧光可被探测；此叠加态定义为暗态。相干布居捕获有一个重要的应用——实现绝热布居迁移。(E.Arimondo,ProgressinOptics,VolXXXV,257(1996))

DarkState（暗态）第十七页，共五十九页，2022年，8月28日

StimulatedRamanAdiabaticPassage反序脉冲对[Bergmannk,etal,Rev.Mod.Phys.70,1003(1998)]第十八页，共五十九页，2022年，8月28日单原子腔量子电动力学：考虑如图所示的三能级原子－腔相互作用示意图以{|a,n+1>,|b,n>,|c,n>}为基矢，由系统哈密顿量可得该原子－腔相互作用系统存在一暗态：人们感兴趣的是n=1态。如果初始原子处于|c,0>态，经过受激绝热跟随技术后，可使暗态绝热地变为|a,1>.因此，利用绝热跟随技术可实现单光子态的产生。并且已在试验上实现（Hennrich，etal,PRL85,4872(2000)）

受激拉曼绝热技术在量子光学中的应用第十九页，共五十九页，2022年，8月28日同时，人们还在量子阱结构中实现了很多在原子系统中实现了的量子相干与干涉现象，如绝热布局转移、慢光、超快全光开关等。基于量子点带间跃迁的绝热布局转移：Appl.Phys.Lett.77,1864(2000)byHohenesteretal.第二十页，共五十九页，2022年，8月28日

NuclearcoherentpopulationtransferwithX-raylaserpulsesPhysicsLettersB705(2011)134–138第二十一页，共五十九页，2022年，8月28日2.ElectromagneticallyInducedTransparency电磁感应透明（ElectromagneticallyInducedTransparency，EIT）是Harris等人首先于1990年提出来的。当探测光与跃迁能级共振时，介质对探测光有很强的共振吸收（洛仑兹型）。强烈的共振吸收共振时没有吸收二能级系统三能级系统吸收与色散吸收与色散EIT电磁感应透明是指通过外加控制场与吸收介质相互作用，使得介质对探测场的吸收发生改变，透射率增加甚至完全透明。第二十二页，共五十九页，2022年，8月28日典型的三能级Λ型原子系统EIT因其在光速减慢，量子信息存储与释放、光学原子钟以及实现高效非线性相互作用过程等方面的应用而受到人们的关注。被著名光学专家沈元壤教授称为新世纪光学界两大热点研究领域之一。

以典型的三能级Λ型原子系统为例，当一个弱的探测场和一个强的驱动场与该系统共同作用，在双光子共振条件下两条跃迁途径的干涉相消导致原本不透明的介质表现出了透明特性，介质对探测场既不吸收也不色散，同时介质的折射率性质也发生了显著变化，这就是所谓的电磁感应透明现象。第二十三页，共五十九页，2022年，8月28日EIT的实验观察Boller,Imamoglu,andHarris,Phys.Rev.Lett.66,2593(1991)第二十四页，共五十九页，2022年，8月28日Phys.Rev.Lett.67,3062(1991)第二十五页，共五十九页，2022年，8月28日

光在真空中的传播速度是c，在介质中的传播速度为v=c/n(n为常数，介质的折射率）；由于一般介质的折射率n不可能太大，因而光在介质的传播速度是非常大的。现在人们利用电磁感应透明原理可以实现光速减慢甚至停止。波包的峰值传播速度叫群速度，以表示。定义群速度

群速度和线性极化率的关系为：

群速度与χ实部的一阶导数直接有关，在色散曲线图上表现为EIT窗口位置的斜率。斜率越大，群速度就越慢。折射率和线性极化率关系为：(3-2)(3-3)(3-1)

Subluminal(慢光速)withEIT第二十六页，共五十九页，2022年，8月28日

在共振条件下，可实现探测光在传播过程处于电磁感应透明状态；在透明区域，存在非常陡峭的折射率变化。在此条件下，光在介质中的传播速度可表示为：LightSlowDown从上式可以看出，当dn/dω非常大时，可以实现光速减慢，实验上已实现每秒十几米（L.V.Lau,Nature397,594(1999)）。Harris,etal.,PRL64,1107(1990)

第二十七页，共五十九页，2022年，8月28日控制场的加入不仅可以改变和调控双光子共振区介质对探测光脉冲的吸收特性（如左上图），还可以改变和调控介质的色散性质（如左下图）。从图中可以明显看出，在双光子共振区域，控制场的加入使得介质由反常色散变为正常色散。此时探测光脉冲在介质中传播的群速度由下式给出（为了方便，这里已将探测场量子化）：上式表明，由于透明窗口内色散曲线异常陡峭，探测光脉冲在介质中将以慢光速传输。甚至在特定条件下可以将群速度降为0，即将探测光脉冲存储在介质中。第二十八页，共五十九页，2022年，8月28日

Harris率先提出基于EIT的慢光思想[PRA46,R29(1992)]肖敏小组在Rb中将探测光脉冲的群速度减慢到c/13.2[PRL74,666(1995)]Harris小组在10cm长的Pb蒸汽室观察到群速度为c/165的慢光现象[PRL74,2447(1995)]Schmidt进一步将群速度降低至c/3000[PRA53,R27(1996)]Hau在玻色-爱因斯坦凝聚的超冷钠原子中将群速度降低至17m/s[Nature397,594(1999)]Kash在360K的Rb原子蒸汽中观测到超慢群速度(90m/s)[PRL82,5299(1999)]Budker,室温Rb蒸汽，8m/s[PRL83,1767(1999)]Turukhin，掺Pr的Y2SiO5，45m/s[PRL88,023602(2002)]Biglow，室温红宝石晶体，57.5m/s[PRL90,113903(2003)]Fleischhauer给出慢光的理论解释：暗态极化子[PRL84,5094(2002);PRA65,022314(2002)]

Subluminal,TrappedLightand

Superluminal第二十九页，共五十九页，2022年，8月28日实验上里程碑的工作：17m/sHau

etal.,Nature397,594(1999)第三十页，共五十九页，2022年，8月28日TrappingandManipulatingPhotonStatesWhenalightpulseentersthemedium,itexhibitsaspatialcompression,whilephotonsareconvertedintoatomic(spin)excitation.Theslowphotonicandspinwavesthenpropagatetogether.Thelosslesspropagationislimitedbythespreadingofthepulsesduetothenarrowbandwidthofthetransparencywindow.SpectrumoftransmissionandrefractiveindexcorrespondingtoEIT.M.D.Lukin,Rev.Mod.Phys.75,457(2003).第三十一页，共五十九页，2022年，8月28日如果通过控制控制场的强度使得混合角从0变到π/2，群速度就从光速c变到0。在这种情况下，暗态极化子就由纯光子演变为纯原子，光脉冲就停止，其能量以原子拉曼相干的形式存储于介质中，即实现光存储。把混合角还回到0时，暗态极化子就由纯原子变为纯光子，存储在介质中的能量返还给光脉冲，即实现光释放。

StorageandReleaseofQuantumInformationM.Fleischhauer,andM.D.Lukin,Phys.Rev.Lett.84,5094(2002).Dark-statepolaritons第三十二页，共五十九页，2022年，8月28日将光脉冲的群速度降低，甚至实现光停止时基于EIT窗口内的正常色散，利用反常色散则可实现超光速。右图是王力军在铯原子中利用两个驱动场在两个靠得比较近的增益峰之间的反常色散，观测到超光速。发现光脉冲的群速度可以超过c，甚至能够变为负值，而且实验观测到的群速度折射率为。WangL.J.,etal.,Nature406,277(2000).

Superluminal第三十三页，共五十九页，2022年，8月28日SuperluminalPropagationinOpticalFibersLiangZhang,LiZhan,KaiQian,JinmeiLiu,QishunShen,XiaoHu,andShouyuLuo,Phys.Rev.Lett.107,093903(2011).第三十四页，共五十九页，2022年，8月28日通过求解有效质量Schrodinger方程可知，该结构导带有三个分立能级：左边阱的基态2，右边阱的基态1和第一激发态3。加入控制场和探测场分别耦合相应子带跃迁，该结构可视为典型的实现电磁感应透明的Λ型能级结构，理论计算表示有明显的A-T分裂峰。

EITinQuantumNanostructures第三十五页，共五十九页，2022年，8月28日基于带间跃迁以及子带间跃迁进行了很多电磁感应透明的实验观察。如Phillips等人在GaAs量子阱中利用库仑相互作用诱导的两个自旋相反激子之间的相干观察到电磁诱导透明现象Phys.Rev.Lett.89,186401(2002)byPhillipsetal.第三十六页，共五十九页，2022年，8月28日

EITinQuantumNanostructuresNature390,589(1997)byFaistetal.下图所示量子阱结构不仅可以导致透明，还可以通过将连续态制备在不同的位置控制干涉增强或者干涉相消第三十七页，共五十九页，2022年，8月28日1ps双量子阱结构中基于Fano干涉的超快全光开关：Phys.Rev.Lett.95,057402(2005)byWuetal.第三十八页，共五十九页，2022年，8月28日

EITwithresonantnucleiinacavityNature482,199(2012)byRoehlsbergeretal.第三十九页，共五十九页，2022年，8月28日Thequadraticelectro-opticeffect（二次光电效应）,isachangeintherefractiveindexofamaterialinresponsetoanappliedelectricfield.Theinducedindexchangeisdirectlyproportionaltothesquareoftheelectricfield.TheKerrelectro-opticeffecTheopticalKerreffectt:self-focusing,self-phasemodulationandmodulationalinstability利用自相位调制平衡群速度色散或光束的衍射效应产生时间和空间光孤子交叉相位调制获得π的非线性相移，实现量子过程的非破坏测量、全光开关如果能够在单光子水平实现π相移，则不仅可以用来实现单光子全光开关，量子相位门，还可以实现双比特量子逻辑门。Applications:3.KerrnonlinearityEffect

（克尔非线性效应）第四十页，共五十九页，2022年，8月28日Phys.Rew.Lett.,87,073601(2001);J.Mod.Opt.49,335(2002)由于基态|1>和亚稳态|3>之间的原子相干，对比二能级原子系统，在共振位置附近克尔非线性系数得到了极大的提高。

TheEnhancementofKerrnonlinearitywithEIT第四十一页，共五十九页，2022年，8月28日原子的精确位置测量一直以来都是大家都比较感兴趣的问题，它在很多方面有重要的应用，比如说激光冷却（lasercooling），玻色爱因斯坦凝聚（Bose-Einsteincondensation）和原子平版印刷术（atomlithography）等。人们通常采用原子与驻波光场相互作用的方案，如何用驻波光场去实现对单原子的局域化呢？一直以来人们非常关注，而且提出了很多可行性方案:比如在实验上当运动原子通过驻波场后，通过测量驻波场的相移或者原子偶极矩（atomdipole）的相移来间接获得原子的位置信息。M.S.Zubairy等人提出了用Ramsey干涉仪实现原子局域化的方案，他们研究发现利用相干态腔场在获取原子精确位置信息方面要比采用经典光场具有更高的分辨率。再者，比如利用带有原子共振频率的随空间变化的原子势与原子位置信息的关联测定原子的位置。4.AtomLocalization第四十二页，共五十九页，2022年，8月28日

etal.,Phys.Rev.A63,065802(2001)

Localizinganatomviaquantuminterference第四十三页，共五十九页，2022年，8月28日5.PropagationofUltrashortLaserPulses慢变振幅近似与旋转波近似下的Maxwell-Bloch方程光与二能级原子作用的模型第四十四页，共五十九页，2022年，8月28日[S.L.McCallandE.L.Hahn,Phys.Rev.,1969,183,457]

AreaTheorem（面积定理）第四十五页，共五十九页，2022年，8月28日当形状为双曲正割

、面积为2的激光脉冲通过共振吸收的二能级介质时，脉冲形状及能量均不发生变化，介质好像是透明的。这种现象就称为自感应透明(Self-InducedTransparency），记为SIT。脉冲的展宽与压缩2脉冲自感应透明脉冲的分裂

AreaTheorem（面积定理）[S.L.McCallandE.L.Hahn,Phys.Rev.,1969,183,457]第四十六页，共五十九页，2022年，8月28日周期量级激光脉冲的电场可以表示为：E(t)=E0(t)sin(ωt+φ)其中，E0(t)表示电场的振幅，φ表示载波包络相位（CarrierEnvelopePhase，简称CEP，也叫做绝对相位，

absolutephase）。从公式可以看出，CEP的变化导致周期量级激光脉冲电场的强度时间上发生显著变化，因此，一切受电场诱导的物理过程都依赖于CEP的取值。Paulusetal.,Nature414,182（2001）

Few-cycleLaserPulse第四十七页，共五十九页，2022年，8月28日周期量级激光脉冲的电场随时间的变化依赖于初始位相:(a)0;(b)0.5;(c)

。(a)、(c)中电场的最大值指向相反的方向，而(b)中两个方向的电场最大值相同。这为微观电子波包的宏观操控提供了一个强有力的有效手段。Paulusetal.,Nature414,182（2001）

Few-cycleLaserPulse第四十八页，共五十九页，2022年，8月28日当激光脉冲的脉宽接近周期量级时，旋转波近似和慢变振幅近似失效！Ziolkowskietal,PRA52,3082(1995)Hughes,PRL81,3363(1998)Kalosha,Herrmann,PRL83,544(1999)Muckeetal,PRL87,057401(2001)

ThepropagationofFew-cycleLaserPulse第四十九页，共五十九页，2022年，8月28日周期量级超短激光脉冲与二能级介质相互作用可以用全波Maxwell-Bloch方程来描述（不考虑旋转波近似和慢变振幅近似）(1)

ThefullwaveMaxwell-BlochEquation第五十页，共五十九页，2022年，8月28日Ziolkowski

etal.,Phys.Rev.A52,3082(1995)2π超快脉冲在二能级原子系统中自感应透明传播；二能级介质能够实现一次完整的Rabi振荡；电场的时间导数项对介质的响应有本质影响。(a)2π脉冲的传播(b)电场和布局反转

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