第十一章重腔量子电动力学Cavity quantum electrodynamics (CQED1.腔量子电动力学研究什么？2.和COED有关的诺贝尔物理学奖3.CQED原理4.基于微纳光子学的CQED研究5.作业(report)20241212ygu@pku.edu.cn
第十一章 腔量子电动力学 Cavity quantum electrodynamics (CQED) 1. 腔量子电动力学研究什么？ 2. 和CQED有关的诺贝尔物理学奖 3. CQED原理 4. 基于微纳光子学的CQED研究 5. 作业 (report) 20241212 ygu@pku.edu.cn
腔量子电动力学研究什么？> Cavity quantum electrodynamics (CQED)》单量子层次上研究光（光子）和物质（量子体系，如原子、分子、离子、量子点，相互作用各种激子等）>单个量子系统操控和测量，制备和操控量子态，如产生量子叠加态、量子纠缠态等测量需要：1.孤立系统2.无损测量V典型的CQED系统《光物理研究前沿系列》专题第五册《量子光学研究前沿》腔量子电动力学与单原子操控张天才，刚（量子光学与光量于器件国家重点实验室，山西大学光电研究所）3
3 1. 腔量子电动力学研究什么？ Ø Cavity quantum electrodynamics (CQED) Ø 单量子层次上 研究光（光子）和物质（量子体系，如原 子、分子、离子、量子点，各种激子等）相互作用 Ø 单个量子系统操控和测量，制备和操控量子态，如产生量 子叠加态、量子纠缠态等 Ø 测量需要：1. 孤立系统 2. 无损测量 Ø 典型的CQED系统
2.和COED有关的诺贝尔物理学奖> TheNobel Prize inPhysics1997was awarded jointly to StevenChu,Claude Cohen-Tannoudji and William D.Phillips "for developmentof methods to cool and trap atoms with laser light."> The Nobel Prize in Physics 2001 was awarded jointly to Eric A.Cornell, Wolfgang Ketterle and Carl E. Wieman "for theachievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkaliatoms, and for early fundamental studies of the properties of thecondensates."> The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly to SergeHarocheandDavidJ.Wineland"forground-breakingexperimental methods that enable measuring and manipulation ofindividual quantum systems."以上资料来自网站：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/4
4 2. 和CQED有关的诺贝尔物理学奖 Ø The Nobel Prize in Physics 1997 was awarded jointly to Steven Chu, Claude Cohen-Tannoudji and William D. Phillips "for development of methods to cool and trap atoms with laser light.” Ø The Nobel Prize in Physics 2001 was awarded jointly to Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle and Carl E. Wieman "for the achievement of Bose-Einstein condensation in dilute gases of alkali atoms, and for early fundamental studies of the properties of the condensates." Ø The Nobel Prize in Physics 2012 was awarded jointly to Serge Haroche and David J. Wineland "for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems.” 以上资料来自网站：https://www.nobelprize.org/prizes/physics/
3.CQED原理相互作用过程(Model setup)>考虑一个处在激发态的原子从上能级le）到下能级lg的跃迁过程，即le)lg），并且初始时刻腔中没有光子，即光子态为真空态10）。此时腔中只有一个量子，以激子的形式存在那么，1包含下面三个物理过程：原子与腔模式交换能量，耦合强度为 g=些(1专(2)腔中光子能量损耗K(3)原子与腔模式之外的模式发生1K相互作用，也就是原子向外自由空间辐射的速率提问：腔模式和其它模式的区别？5
5 3. CQED原理 Ø 相互作用过程 （Model setup） Ø 考虑一个处在激发态的原子从上能级 � 到下能级 � 的跃迁 过程，即 � ↔ � ，并且初始时刻腔中没有光子，即光子态 为真空态 0 。此时腔中只有一个量子，以激子的形式存在 Ø 那么，包含下面三个物理过程： （2）腔中光子能量损耗 � （3）原子与腔模式之外的模式发生 相互作用，也就是原子向外自由空 间辐射的速率 � （1）原子与腔模式交换能量，耦合强度为 � = !ℰ ℏ 提问：腔模式和其它模式的区别？
>首先考虑一种极端的情况，腔是无限大的，其实就代表了自由空间，这时候没有哪一个模式是比较特殊的，显然此时的成为了自由空间中原子的自发辐射速率，那么此时有没有g？现在考虑腔存在的情况，但g<K,Y，例如每秒钟腔损失掉10个光子，原子才能与腔模交换1个光子，意味着光子衰减掉了之后就再也回不来了。》这时能够观察到原子自发辐射的增强现象，这就是著名的Purcell效应，我们把这个区域叫做弱耦合。增强的倍数叫做Purcell系数1a6
6 Ø 首先考虑一种极端的情况，腔是无限大的，其实就代表了自由 空间，这时候没有哪一个模式是比较特殊的，显然此时的�成 为了自由空间中原子的自发辐射速率，那么此时有没有�？ Ø 现在考虑腔存在的情况，但� ≪ �, �，例如每秒钟腔损失掉10 个光子，原子才能与腔模交换1个光子，意味着光子衰减掉了 之后就再也回不来了。 Ø 这时能够观察到原子自发辐射的增强现象，这就是著名的 Purcell效应，我们把这个区域叫做弱耦合。增强的倍数叫做 Purcell系数