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出版者:Materials Research Society

作者:Wada, K. (EDT)/ Krauss, Thomas F. (EDT)/ Wiltzius, Pierre (EDT)/ Asakawa, Kiyoshi (EDT)/ Thomas, Edw

出品人:

页数:216

译者:

出版时间:

价格:85

装帧:HRD

isbn号码:9781558995475

丛书系列:

图书标签:

• 光子学
• 微光子学
• 光学
• 纳米光子学
• 微结构光子学
• 集成光子学
• 生物光子学
• 光纤光学
• 传感器
• 光电子学

深入探索量子力学在光子学中的前沿应用 书名：《量子光子学：从基础理论到前沿器件》 作者： [此处可填写虚构的知名学者或团队名称] 出版社： [此处可填写权威学术出版社名称] 出版年份： [此处可填写一个近期年份] 书籍页数： 约850页 --- 导言：照亮微观世界的桥梁 本书旨在为致力于理解和应用量子力学原理于光与物质相互作用研究的物理学家、工程师和高级研究生提供一份详尽的参考手册和深度学习指南。在经典光学和电磁学已臻成熟的今天，探索光子行为的量子本质已成为信息技术、计算科学乃至基础物理研究的下一片蓝海。本书聚焦于如何利用量子效应，如叠加态、纠缠和隧穿现象，来设计和制造超越经典极限的新一代光电器件与系统。 我们深知，一个完整的量子光子学体系，不仅需要坚实的数学框架支撑，更需要对实际物理系统的精确建模能力。因此，本书结构严谨，从量子力学的核心公理出发，逐步过渡到高度专业化的应用前沿，确保读者能够构建起从微观粒子行为到宏观器件性能的完整认知链条。 第一部分：量子力学基础与单光子源的构建 本部分是全书的基石，旨在回顾和深化读者对量子力学在光子系统中的关键概念的掌握。 第一章：量子理论的复习与光子的本征特性 本章首先回顾了狄拉克符号、薛定谔方程的建立，并重点阐述了如何将这些工具应用于描述电磁场的量子化。我们详细讨论了光子作为玻色子的统计特性，以及如何处理光场振幅和相位在量子层面的不确定性关系。特别地，本章引入了“光子数态”（Fock States）和“相干态”（Coherent States）的数学描述，并分析了它们在经典光与量子光之间的界限。 第二章：量子噪声与光子统计学 理解量子光学的核心在于量化噪声。本章深入探讨了光子统计的经典描述（泊松分布）与量子描述（例如：二阶关联函数 $g^{(2)}( au)$）的本质区别。我们将详尽分析光子“挤压”（Squeezing）的概念，如何通过非线性光学过程有效地降低某一物理量（如相位或幅度）的量子涨落，以及这种技术在提高量子态鲁棒性方面的应用。 第三章：单光子源的设计与实现 高质量的单光子源是所有量子信息技术的生命线。本章系统地介绍了当前主流的单光子生成技术： 1. 基于量子点（Quantum Dots, QDs）的发射： 探讨了半导体异质结中激子-激子湮灭过程的动力学，以及通过电学或光学泵浦实现高纯度、高时间确定性的单光子辐射。我们着重分析了如何通过“尺寸调控”和“电荷捕获”策略来抑制双光子发射。 2. 基于色心（Color Centers）的发射： 详细分析了金刚石NV中心（Nitrogen-Vacancy Centers）和硅空位中心（Silicon-Vacancy Centers）的能级结构，其在室温下保持出色相干性的优势，以及如何实现高效率的自发辐射耦合。 3. 基于参量下转换（SPDC）和四波混频（SFWM）的“伪”单光子源： 虽然它们产生的是光子对，但通过对其中一个光子进行探测，可以实现确定性地产生另一个光子。本章会详细计算这些过程的“可见度”和“纯度”。 第二部分：量子态的操控与传输 生成单光子只是第一步，如何精确地对光子的量子态进行编码、操控和传输，是实现量子网络和量子计算的关键挑战。 第四章：光子波导中的量子相干性 本章将量子力学的演化方程应用于光波导结构。重点讨论了如何利用波导的几何结构（如脊状波导、槽波导）来增强光与波导材料中电子的相互作用。我们分析了光在弯曲波导中的传输损耗，并引入了“光子保护”的概念，即如何设计波导的拓扑结构来避免散射和退相干。 第五章：固态量子存储器与光子接口 量子计算的瓶颈之一在于量子态的持久化存储。本章深入研究了将飞行中的光子量子态映射到固体介质（如稀土离子掺杂晶体、拓扑绝缘体表面态）中的原子激发态上。详细介绍了“光回声技术”（Photon Echo）和“延时光学反馈”（Delayed Choice Feedback）等关键的存储方案，并评估了存储时间与读出效率之间的权衡。 第六章：量子门操作与集成光子电路 量子计算依赖于高保真度的量子逻辑门。本章聚焦于如何利用线性光学元件（分束器、相位调制器）结合单光子源和探测器，实现基础的二维量子逻辑门，例如受控非门（CNOT）。我们详细探讨了“线性和非线性光学器件的集成”：如何在一个芯片上集成波导、调制器和单光子探测器，以构建可扩展的量子处理单元（QPU）。 第三部分：前沿应用与未来展望 在掌握了基础和操控技术后，本部分将目光投向量子光子学在信息科学和精密测量领域的实际应用。 第七章：量子密钥分发（QKD）的物理层安全 本书将QKD视为量子光子学最成熟的应用之一。我们将详细剖析BB84协议、E91协议的物理实现难度，重点放在如何利用光纤中的偏振编码和相位编码来抵抗窃听攻击（如光子数分离攻击、波长扫描攻击）。本章对最新一代的“诱骗态协议”在实际信道中的性能提升进行了深入的建模分析。 第八章：量子传感与计量学的突破 量子系统对外部微小扰动极其敏感，这使得量子光子学成为超高精度测量的理想工具。我们探讨了如何利用光子纠缠来克服标准量子极限（SQL），实现突破性的测量精度。内容包括： 引力波探测中的“挤压光”应用： 分析了如何将真空涨落的量子噪声注入到激光干涉仪中，从而提高对微小时空形变的敏感度。 高精度时间同步： 利用量子钟网络的原理，探讨光子纠缠在构建超稳定、超精确的全球时间基准中的潜力。 第九章：量子计算的混合架构 鉴于全光量子计算的难度，本章讨论了混合（Hybrid）量子计算的路线图，特别是光子与电子（超导或半导体）系统的接口问题。我们将分析量子点或超导比特（Transmons）发出的单光子如何与硅基光子芯片进行有效耦合、读出和反馈控制，以实现特定任务的容错计算。 结论与展望 本书的最终目标是为读者提供一个全面且深入的视角，理解量子光子学不仅仅是经典物理学的延伸，而是对光与物质基本规律的全新利用。全书贯穿了对实验挑战的深刻认识，平衡了理论的严谨性和工程的可行性。我们相信，通过对本书内容的掌握，读者将能够自信地投身于下一代光子技术的研究与开发浪潮中。 --- 附录部分 附录A：非线性光学过程的群论分析。 附录B：量子光学实验中的常用激光系统与低温制冷技术。 附录C：光子态的量子态层析成像方法（Quantum State Tomography）。 术语表：关键量子力学术语汇编。 参考文献索引：涵盖近三十年的核心研究论文。

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