本书是笔者及团队近几年深耕量子光学领域相关理论问题的研究新进展,涉及量子光学当前及今后一段时间内主要研究热点,包括量子电池、量子不确定关系及其在纠缠探测中的应用、基于耗散的光学非互易、量子速度极限时间和 Rabi及类 Rabi模型相关物理问题等方面。
本书适用于作为从事量子光学和量子信息学研究的科研人员、高等科研院所物理教师、研究生和高年级本科生的参考资料,也可以用作量子光学教学内容的拓展部分。
本书是作者团队将近几年在量子信息和量子光学领域的研究成果的一个总结分享，分别从量子电池、量子纠缠、光学非互易、量子速度极限时间以及Rabi模型等量子光学研究前沿方向进行了详细阐述，对于推动量子信息和量子光学的研究具有重要的意义和参考价值。
量子信息学是一门新兴的交叉学科,涉及到数学、物理、计算机等学科。在科学技术日新月异的今天,发展、凝练交叉学科方向,为未来信息技术发展培养交叉复合
型人才已经是大多数高校、科研院所努力的方向。
量子信息学最初是从量子光学的研究中发展起来的,而量子光学中涉及的理论、实验方法都已经渗入到固体材料、量子仪器、超导测量等诸多领域,其基本思想已经远远超出了内容本身。法国科学家沙吉·哈罗彻与美国科学家大卫·温兰德提出的基于量子光学思想突破性的实验方法,使得测量和操纵单个量子系统成为可能,并因此获得了2012年诺贝尔物理学奖。在时隔10年后,法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽、奥地利科学家安东·塞林格通过开创性的实验展示了处于纠缠状态粒子的潜力,为量子技术的新时代奠定了基础,也因此获得了2022年诺贝尔物理学奖。目前,量子技术已经成为全球竞先争夺的研究领域。
培养量子信息技术人才就有必要了解和学习量子光学基础概念、基本方法、原理和实验技术以及与量子光学相关领域的最新研究进展。本书从多个角度总结了作者团队近年来在量子光学领域研究的最新进展,包括量子电池、量子不确定关系及其在纠缠探测中的应用、基于耗散的光学非互易、量子速度极限时间和 Rabi及类 Rabi模型相关物理问题等内容。相信这些内容对从事量子光学、量子信息科学研究的广大科研人员、高等院校从事量子光学教学的教师,以及研究生和高年级本科生都会起到一定的帮助作用。
由于作者水平有限,书中难免存在错漏之处,请广大同行和读者批评指正。
张国锋
2024年3月
张国锋，北京航空航天大学物理学院教授，博士生导师，研究领域为量子光学和固态量子自旋基本物理问题及在量子信息中的应用。迄今为止，共发表包括PRL在内101篇SCI论文，有两篇发表在Physical Review A的论文分别被引232次和222次。2007年发表的其中一篇Physical Review A为中国百篇最具影响国际学术论文，工作至今被国内外多个研究小组跟踪研究。2013年获北京市青年英才项目资助。
承担多项国家自然科学基金项目、国家自然科学基金重大仪器专项子课题、北航青年拔尖人才、国家重点实验室开放课题、北京市青年英才计划项目、总装预研、总参预研项目等。
第1章 量子电池 1
1.1 量子电池概述 1
1.2 量子电池在共同环境与独立环境下的充电增强 3
1.2.1 量子电池相关基础知识 3
1.2.2 常见环境场景 3
1.2.3 独立环境场景 10
1.3 复合环境下量子电池的充放电过程 15
1.3.1 物理模型和方法 15
1.3.2 量子电池的充电过程 17
1.3.3 量子电池的自放电过程 22
本章小结 24
参考文献 25
第2章 量子不确定关系及其在纠缠探测中的应用 29
2.1 量子不确定关系概述 29
2.2 量子不确定关系的统一 30
2.2.1 基于方差乘积形式的不确定关系 31
2.2.2 基于方差和形式的不确定关系 33
2.2.3 统一精确的不确定关系理论框架 34
2.3 条件量子不确定关系 43
2.3.1 基于熵的条件不确定关系 43
2.3.2 基于方差的多体条件不确定关系 45
2.4 不确定关系的应用纠缠探测 48
本章小结 52
参考文献 53
第3章 基于耗散的光学非互易 57
3.1 光学非互易概述 57
3.1.1 光学非互易的概念 57
3.1.2 光学非互易的应用 58
3.1.3 光学非互易的实现方法 59
3.2 耗散诱导非互易的物理机制 61
3.2.1 多耗散通道干涉的物理机制 61
3.2.2 光学非互易的实现与调控 63
3.2.3 能量单向传输 64
3.3 调控耗散实现完美非互易的方案 66
3.3.1 双通道干涉的理论模型 67
3.3.2 完美非互易的实现与调控 68
3.3.3 耗散对完美非互易的影响 69
本章小结 70
参考文献 71
第4章 量子速度极限时间 76
4.1 量子速度极限时间概述 76
4.2 关联噪声信道中的量子动力学加速 77
4.2.1 关联量子信道与 QSLT 77
4.2.2 关联噪声信道中的 QSLT 79
4.3 Schwarzschild时空中的量子加速动力学过程 86
4.3.1 Schwarzschild时空中的 QSLT 86
4.3.2 Schwarzschild时空中纠缠对 QSLT 的影响 90
本章小结 94
参考文献 94
第5章 Rabi及类 Rabi模型相关物理问题 99
5.1 Rabi模型及类 Rabi模型概述 99
5.1.1 Rabi模型 100
5.1.2 与 Rabi模型相关的实际模型 101
5.1.3 Rabi模型相关的求解方法 106
5.2 各向异性 Rabi模型 109
5.2.1 各向异性 Rabi模型概述 109
5.2.2 各向异性 Rabi模型的解析近似求解 109
5.2.3 弱反旋转波耦合极限 114
5.2.4 反旋转波项对物理量的影响 115
5.3 偏置 Dicke模型 117
5.3.1 偏置 Dicke模型概述 118
5.3.2 平均场理论结果 119
5.3.3 在经典振子极限下对平均场理论的修正 120
5.3.4 A^2 项对偏置 Dicke模型的影响 123
5.3.5 系统基态波函数及其压缩和纠缠性质 124
本章小结 127
参考文献 128
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