一、量子光学的研究核心：光的量子化本质
量子光学的基础是光的量子理论，即光不仅具有波动性，还具有粒子性（光子），且光场本身需要用量子力学描述。其核心研究内容包括：
- 光的量子态 ：
光场可处于不同的量子态，如相干态（接近经典光）、单光子态、压缩态、纠缠态等。单光子态是其中最基础的非经典态之一。 - 光与物质相互作用 ：
研究原子、分子等物质系统与光场的量子化相互作用，如自发辐射、受激辐射、拉曼散射等过程的量子解释。 - 量子测量与退相干 ：
探讨如何测量光场的量子态，以及测量过程中如何避免或控制退相干（量子态因环境干扰而破坏的现象）。
二、对单个光子行为的深入研究
单光子是量子光学中最重要的研究对象之一，其行为体现了量子力学的核心特征。以下是具体研究内容：
1. 单光子的产生与探测
- 产生 ：
通过非线性光学过程（如参量下转换、四波混频）或单个原子/量子点的发光，可制备单光子源。理想单光子源需满足反聚束性（即两个光子不会同时发射）。 - 探测 ：
使用单光子探测器（如雪崩光电二极管、超导纳米线单光子探测器）记录单个光子的到达事件，验证其粒子性。
2. 单光子的量子态操控
- 偏振态操控 ：
通过波片（如半波片、四分之一波片）和偏振分束器（PBS），可实现单光子偏振态的制备、旋转和测量。例如：- 将水平偏振光子 ∣H⟩ 转换为左旋圆偏振光子 ∣L⟩；
- 通过干涉仪实现偏振态的叠加（如 ∣H⟩+∣V⟩）。
- 路径态操控 ：
利用分束器（BS）将单光子分成两条路径，形成路径叠加态（如 21(∣0⟩+∣1⟩)），这是量子干涉和量子计算的基础。
3. 单光子的量子干涉
- 经典干涉 vs 量子干涉 ：
经典光干涉是电场振幅的叠加，而单光子干涉是概率幅的叠加 。例如：- 双缝实验：单光子通过双缝后，屏幕上形成干涉条纹，表明单个光子同时通过了两条缝（波粒二象性）；
- 马赫-曾德尔干涉仪：通过调节路径相位差，可控制单光子在输出端口的探测概率。
- HOM干涉（Hong-Ou-Mandel干涉） ：
两个全同光子同时入射分束器时，会因量子干涉效应完全从同一端口输出（反聚束性），这是量子光学中的标志性现象。
4. 单光子与物质的相互作用
- 单光子吸收与发射 ：
研究原子或量子点对单个光子的吸收和发射过程，揭示量子跃迁的随机性和概率性。例如：- 荧光共振能量转移（FRET）：单个供体分子通过单光子发射将能量传递给受体分子；
- 腔量子电动力学（CQED）：将原子置于光学微腔中，增强单光子与原子的相互作用，实现强耦合。
- 单光子开关与晶体管 ：
利用单光子控制另一个光子的传输（如基于Rydberg原子的电磁感应透明效应），是量子网络和光子计算的关键技术。
三、量子光学与单光子研究的关联领域
单光子行为的研究是量子光学与其他领域交叉的基础，例如：
- 量子信息科学 ：
- 量子密钥分发（QKD）：如BB84协议利用单光子的偏振态编码信息，通过量子不可克隆定理保证安全性；
- 量子计算：光子的偏振态或路径态可作为量子比特（qubit），通过线性光学元件实现量子门操作；
- 量子隐形传态：利用纠缠光子对传输未知量子态，单光子是信息载体。
- 量子计量学 ：
单光子源的精确控制可用于提高光学测量的灵敏度，如引力波探测中的量子噪声抑制。 - 凝聚态物理 ：
研究单光子与固态系统（如量子点、超导电路）的相互作用，探索新型量子器件。
四、常见误区澄清
- 误区1 ：认为"量子光学仅研究单光子"。
澄清 ：量子光学研究所有量子化的光场，包括多光子态（如相干态、纠缠态）。单光子只是其中一种重要但特殊的态。 - 误区2 ：认为"单光子行为完全等同于经典粒子"。
澄清 ：单光子虽表现为粒子性（如离散探测事件），但其干涉、叠加等行为无法用经典粒子模型解释，必须引入量子概率幅。 - 误区3 ：认为"单光子研究仅限于理论"。
澄清：单光子技术已广泛应用于实验（如QKD、量子计算原型机）和工程（如单光子雷达、低光强成像）。