第10章　腔量子电动力学

在第9章光与原子的相互作用中，处于激发态的原子没有驱动场时，原子也能自发辐射出一个光子进入真空，并可能导致进一步的真空拉比振荡。在这种没有驱动场原子就能发生自发辐射的情况下，是否可以把自发辐射看作原子的一种内禀特性呢？这显然是不行的，上述无驱动场之所以能引起自发辐射，是因为“无驱动场”在量子理论中对应着“有涨落的真空态”。严格来说，自发辐射并不是孤立原子的内禀特性，而是原子与周围场所构成系统的特性。实际上，大部分情况下自发辐射是不可逆的，不会形成真空拉比振荡。原因在于自由空间的真空是多模的，激发态原子与多模真空态耦合，辐射的光子不可逆地随机进入电磁场的各个模式，原子在高能级的布居会呈指数衰减。即处于激发态的原子能自发辐射出一个光子并跃迁到低能级，而低能级原子不能自动吸收一个光子激发至高能级。现实中能否实现理想的单模光场，进而实现自发辐射的调控呢？1948年，美国物理学家珀塞尔（E.M.Purcell，1912—1997）提出：将原子置于腔中使原子只与某一腔模共振从而实现自发辐射增强。随后，人们发现还可以通过腔实现原子自发辐射的减弱，以及原子与腔中电磁场的周期性能量交换，也就是实现原子与场相互作用的J-C模型。腔中光场与原子的相互作用在实验上已经被观测到，并且成为原子物理和量子光学的一个重要领域，称为腔量子电动力学（cavity Quantum ElectroDynamics，简称腔-QED）。

腔量子电动力学主要研究微腔提供的特殊边界条件下的电磁场量子化效应及其对腔中实物粒子（如原子）的影响。从数学形式上讲，电磁场量子化过程就是一种由场方程边界条件决定的本征模展开过程。不同微腔的腔壁提供各种边界条件，使得腔场量子化的研究内容变得十分丰富。从物理上讲，腔壁提供了腔中电磁场与外界交换能量的方式，它能直接影响腔中由电磁相互作用主导的物理过程。腔-QED的效应除了能使自发辐射发生极大的变化，还能被用来制造出新的微波激射器（MASER），这种MASER只由一个原子和几个光子构成。随着冷却原子和半导体微加工技术的不断进步，在超小尺度腔内，可以实现光子与原子质心动量、能量的有效交换，从而导致了原子光学的诞生。近些年，在量子信息的研究中，腔-QED系统更是起到了其他系统不可替代的作用。腔-QED的实验为实现光与物质相互作用精准操控提供了重要的有效手段，这使人们能够实现一些原来被认为实验室不可能实现的思想实验，能够加深对特殊条件下光与物质耦合产生的丰富物理现象及其内在本质的理解。(https://www.daowen.com)

除了腔-QED，还有另外一个系统也可以实现单模电磁场与原子的相互作用。基于超导约瑟夫森结的超导电路可以作为一个二能级原子系统，耦合进超导谐振腔实现量子化单模腔场与原子的相互作用，该领域称为电路量子电动力学（circuit Quantum ElectroDynamics，简称电路-QED）。相比腔-QED，超导电路与谐振腔之间更容易达到强耦合。腔-QED和电路-QED的二能级原子模型作为量子比特的典型系统，通过与腔场和泵浦的强耦合实现量子信息的存储和处理，在量子信息与量子计算科学中都有着很重要的应用。

本章主要介绍腔-QED的基本概念和方法，首先给出决定光学腔性质以及原子-腔耦合的关键参数，然后揭示原子与光学腔在弱耦合和强耦合极限下的不同物理效应。