1.1　什么是量子光学

量子光学是研究光场的相干性、量子统计性质，以及基于量子理论框架的光与物质的相互作用的学科。这里“量子理论框架”指的是光以光子流而不是电磁波传播，而物质则是具有微观结构、量子化属性的物质。在光学理论的发展过程中，人们在研究光与物质相互作用而产生的光学现象时，一般采取三种理论模型：经典理论、半经典理论和量子理论。三种理论模型总结如表1.1所示。

表1.1　三种研究光与物质相互作用的理论模型

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在量子光学范畴内，并不是只有完全的量子理论方式才能保证理论和实验数据的一致。实际上，大部分情况用半经典理论就足以解释实验结果。比如，最早考虑的原子对光的吸收，通常对原子应用量子理论，即对原子的能级、角动量等做量子化处理，而仍然把光看作经典电磁波。这样的情况同样也适用于第一个引入光子（photon）概念的例子：光电效应。对光电效应的解释首先由爱因斯坦（Einstein，1879–1955）于1905年给出，他认为原子从光束中吸收的能量是能量子的形式。然而，随后的仔细分析显示，如果仅仅将原子看成量子化的，而把光看成经典电磁波，仍然可以理解光电效应。沿着这样的思路，也就不难解释“单光子计数”探测器的争议了，即探测器的单个脉冲并不意味着光束必由光子组成。大部分情况下，输出脉冲可以解释为来自原子某量子态的单个电子在经典光波影响下的概率性激发。因此，虽然这些实验指向光场的量子化图像，但并没给出结论性的证据。

我们可能要问的是：量子光学的课题是否存在不能被半经典理论解释的现象？实际上，在量子光学发展的早期，不能被半经典理论解释的现象非常少。20世纪中前期，仅仅少数几个效应––主要是那些与真空场有关的现象，比如自发辐射和兰姆位移––需要用光的量子理论解释。直到20世纪70年代后期，实验上一些量子效应的观测，比如光子反聚束效应，作为光子图像的直接证据给出了确定性的证明，我们现在所认为的量子光学才开始发展。随着研究的深入，量子光学包含的领域大大扩展，许多新课题的研究已超出光学现象本身。