1.2 量子光学简明发展史
根据记载，人们对光的认识在中国可追溯到战国时期的《墨经》，在西方可追溯到古希腊时期欧几里得（Euclid，约公元前330–275年）的《光学》，这两本书中均有大量对光学现象和成像方面的描述。古代的哲学家已经熟悉平面镜成像、光的直线传播、光的折射和反射，这些现象引起他们对于光的本性的深思。
在光学发展的历史长河中，关于光的本性到底是什么，人们的认识也经历了螺旋式的发展。古希腊的毕达哥拉斯（Pythagoras，约公元前580–500年）和欧几里得都认为光是由眼睛发出的物质流，后来阿拉伯科学家阿里·哈桑（Alhazen，965–1039）提出光是由所看到的外界物体发射并进入眼睛的粒子流。直到17世纪，牛顿（Newton，1643–1727）提出光是从光源发出的一种物质粒子，并能在均匀介质中以一定速度传播，光的微粒理论才形成。胡克（Hooke，1635–1703）在牛顿之前首先提出光是在以太中传播的波动，随后惠更斯（Huygens，1629–1695）提出光的运动是媒质的运动，形成了光的波动理论。因此，到17世纪末，关于光的本性就形成了“微粒说”和“波动说”两种共存和竞争的理论。
由于牛顿在光学领域的成就以及在物理学界的权威影响，最初微粒理论获得更多的支持，形成了以光的直线传播为基础的几何光学时期。直到1801年托马斯·杨（Thomas Young，1773–1829）的双缝干涉实验、1815年菲涅尔（Fresnel，1788–1827）的光衍射的波动理论解释都令人信服地证明了波动理论的正确性，以波动理论为基础的波动光学才开始蓬勃发展。到了1873年，麦克斯韦（Maxwell，1831–1879）又将光的波动理论进一步推进到电磁场理论，为现代光学奠定了基础。此后，一直到19世纪末，人们对光的微粒理论几乎只剩下历史兴趣而已。
1901年，随着普朗克（Planck，1858–1947）能量子假设的提出，情况出现了根本性转变。利用能量子假设，解决了困惑物理学家们多年的“紫外灾难”问题，并对黑体辐射的能量分布问题给出了合理的解释。1905年，爱因斯坦扩充了普朗克的量子理论，引入光量子的概念成功解释了光电效应。1913年，波尔（Bohr，1885–1962）将量子化的基本思想应用到原子动力学，成功预言了原子谱线的位置。德布罗意（de Broglie，1892–1987）发挥其卓越的想象力将光的波粒二象性推广到实际物质。而海森堡（Heisenberg，1901–1976）、薛定谔（Schrödinger，1887–1961）和狄拉克（Dirac，1902–1984）在1925–1926年的短短时间内为量子力学奠定了坚实的基础，他们给出了我们今天还在用的量子力学机制：表象、量子态演化、幺正变换和微扰论等。量子力学的内在概率属性则是由波恩揭示的，利用波函数的概率幅思想可以完全以量子力学的方式解释干涉现象。
从根本上来说，对黑体辐射、光电效应以及氢原子光谱等光学现象的解释，使量子化思想和光子概念成功确立，进而创立了量子力学。量子力学的创立意味着量子光学的诞生，可以说量子光学有着与量子力学一样的发展历史。表1.2给出了量子光学发展过程中的标志性成果，许多成果也是量子理论发展的里程碑。
表1.2 量子光学发展过程中的标志性成果
(https://www.daowen.com)
普朗克能量子假说和爱因斯坦的光子假说奠定了光和原子的量子理论基础，但这些效应实际上只证明了有些东西是量子化的，而效应本身并没有给出光量子性的直接实验证据。1909年，泰勒（Taylor，1886–1975）尝试通过降低光束强度，使得给定时间间隔内通过装置的只有一份能量子。经过长时间的曝光，成像板上得到光的干涉图样。令他失望的是，即使他将光强降到最低，干涉图样也没有发生可见的变化。因此，史上第一次真正的量子光学实验尝试没有得到理想的结果。1926年，化学家刘易斯（Lewis，1875–1946）将量子化的光命名为光子。1927年，狄拉克发表了关于光辐射场量子理论的重要论文。在随后的很多年里，虽然人们对光的认识已经进入量子论阶段，但很少去关注光的量子性带来的量子效应，而是将注意力更多地放在物质的量子效应上，如计算原子的光谱等，因此光学仍然在经典理论的框架内缓慢发展。纵观整个光学领域，仅有为数不多的现象应用光量子的概念，主流仍然是光的经典电磁理论。在这个时期，光学领域没有更多的新现象、新概念出现，光的量子理论也没有得到系统的发展。
直到20世纪50年代，汉布里·布朗（Hanbury Brown，1916–2002）和特维斯（Twiss，1920–2005）成功进行了光强度干涉实验（简称HBT实验），才真正开创了量子光学的现代领域。他们在两个探测器上记录星光的强度关联，解释了热光子是如何聚束的，这直接促进了光子统计和光子计数理论的发展，开启了量子光学作为独立学科的发展。随后，人们发现解释这个实验结果只需将探测器的探测过程量子化，而光仍然可以是经典的光。然而，由于这是第一次在短时间尺度内进行光强涨落测量的严肃尝试，实验所用的光子计数正是现在量子光学实验最为常用的测量方法，所以这个实验仍被看作近代量子光学的奠基性实验。这启发人们设计更复杂的实验去研究光子统计，最终观察到了没有经典解释的光学现象。
而20世纪科学技术的另外一个里程碑––1960年激光器的发明和激光光源的引入––则为光学物理的发展打开了一片新天地。激光出现之前，光学处理的主要是经典的光学现象，如光的干涉、衍射以及几何光学的成像问题等，理论基础是几何光学、波动光学。而研究光与物质相互作用时，人们更多是对物质研究而不是对光研究，因此人们通常将这些研究归于“原子物理学”和“量子电子学”范畴，如有关黑体辐射的量子理论通常被归于原子物理学范畴。激光出现后，为了弄清楚激光产生的物理过程，量子力学方法被用于处理原子能级之间的跃迁，而光仍然用经典理论进行描述，于是半经典理论诞生了。
如前所述，几乎大部分激光物理、非线性光学现象都能利用半经典理论进行解释。唯有涉及光的基本性质的现象，特别是光的相干统计性质与量子涨落，已超出了半经典理论的范畴，必须对光也进行量子化，即引入量子理论，于是量子光学的研究立即引起了人们的广泛关注。1963年，格劳伯（Glauber，1925–2018）为寻找确定的量子光学效应提供了第一个线索，他将量子理论应用于电磁场，提出了具有不同于经典光统计性质的新光场态––相干态（coherent state）。1977年，金布尔（Kimble）、达格奈斯（Dagenais）和曼德尔（Mandel，1927–2001）等人第一次在实验中观察到了光子的反聚束效应，证实了光的非经典性质。1985，美国贝尔实验室的斯鲁施尔（Slusher）等在实验室里成功制备出了压缩态（squeezed state），从而使非经典光场态的图像更加完整。随着研究的深入，一些新的光学现象、物理效应相继被发现，这些重要的研究成果促进了近代量子光学的发展，使量子光学成为物理学领域中最活跃的学科之一。
量子光学的课题也经历着时代的变革，从最早的辐射场的相干性质，比如20世纪60年代激光的量子统计性质，到现代的许多领域，如辐射场压缩态的作用以及在干涉仪和光放大器中原子相干性对抑制量子噪声的作用等。一方面，一些反直觉的技术，比如无反转激光和单原子微波激射已经成功实现，为人们发明超越量子极限的新仪器设备带来了希望。另一方面，量子光学以不可替代的实验手段为验证互补性、隐变量等一些量子力学基本问题提供了强有力的解决工具，从深层次上推动着物理学的发展。
从20世纪末期开始，量子理论还有一条独立的发展线索，那就是量子信息科学。量子信息科学一般被认为发端于天才物理学家费曼（Feynman，1918–1988）关于量子模拟的初步设想，这个设想也促进了“量子计算机”概念的提出。结合同时期本内特（Bennett）等人关于量子通信的一系列奠基性工作，以及1935年爱因斯坦、波多尔斯基（Podolsky，1896–1966）和罗森（Rosen，1909–1995）共同提出的神奇量子关联（“EPR”纠缠态），促进了量子信息科学的建立。量子信息科学将量子力学的基本理论与操纵单量子的独特实验方法应用于信息处理，在这个过程中量子光学扮演着很重要的角色，包括对光子与物质相互作用的调控、光子纠缠操控能力的逐步提升，以及量子精密测量等。正因如此，量子光学和量子信息学吸引着众多理论和实验物理学家为之努力，从而得以日新月异地迅猛发展。此外，它们在通信、信息处理以及计算机科学中所显示出的令人震撼的潜力与优势，也引起了各国政府、金融界和工业界的广泛关注。