量子光學導論 Quantum Optics: An Introduction

Mark Fox 葛惟昆 譯

量子光學導論

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量子光學，實際上是關於光的量子理論與實驗。
光子的名詞在量子力學誕生伊始的1926年由路易斯（Gilbert Lewis）提出，隔年狄拉克用於其專著。
但光子的概念其實早在1905年愛因斯坦提出光電效應理論時即已形成。
但關於光子的研究最初集中在原子光譜，而很少涉及光子本身。
現代量子光學真正建立起來始於1956年的HBT（Hanbury，Brown，Twiss）關於光子相關性的實驗。
以此為基礎發展的一系列實驗表明，只有光的量子理論才可以解釋光子統計等實驗結果。
HBT實驗現在是單光子測量的基本實驗，用於鑑別單光子源的反聚束（anti-bunching）效應。
由於相關效應對於近年來高速發展的量子資訊和量子運算的重要性，量子光學日益備受關注。
該書包括下列內容：
 第一部分是引言和背景知識，介紹經典光學和光學躍遷的量子理論；
第二部分為光子學，介紹光子統計，光子的反聚束效應（單光子），相干態和光的壓縮，和光子的量子態等；
第三部分為原子和光子的相互作用，包括光-原子的共振相互作用，腔體中的原子，和冷原子等；
第四部分專門討論量子資訊處理，包括量子金鑰，量子計算，和糾纏態和量子遠端通訊等。
在附錄中除了介紹一些基本知識外，也討論了波色-愛因斯坦凝聚。

目錄大綱

第一部分 引言與背景知識
第1章 引言
1.1 什麼是量子光學
1.2 量子光學簡史
1.3 如何使用本書
第2章 經典光學
2.1 麥克斯韋方程組與電磁波
2.2 繞射與乾涉
2.3 相干
2.4 非線性光學
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習題
第3章 量子力學
3.1 量子力學形式
3.2 原子中的量子態
3.3 諧振子
3.4 施特恩-格拉赫實驗
3.5 固體能帶理論
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習題
第4章 原子中的輻射躍遷
4.1 愛因斯坦係數
4.2 輻射躍遷速率
4.3 選擇定則
4.4 光譜線的寬度和形狀
4.5 固體中的譜線展寬
4.6 半導體的光學性質
4.7 雷射器
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習題
第二部分 光子
第5章 光子統計
5.1 引言
5.2 光子計數統計
5.3 相干光：泊松光子統計
5.4 以光子統計量對光分類
5.5 超泊松光
5.6 亞泊松光
5.7 損耗導致的光子統計退化
5.6 光探測理論
5.9 光電二極體中的散粒噪聲
5.10 亞泊松光子統計的觀測
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習題
第6章 光子反聚束
6.1 引言：光強干涉儀
6.2 漢伯里布朗-特威斯實驗與經典光強漲落
6.4 關於光子的漢伯里，布朗-特威斯實驗
6.5 光子聚束和反聚束
6.6 光子反聚束的實驗證實
6.7 單光子光源
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習題
第7章 相干態與壓縮光
7.1 光波作為經典諧振子
7.2 相向量圖與場的正交幅
7.3 光作為量子諧振子
7.4 真空場
7.5 相干態
7.6 散粒噪聲與數-相不確定性
7.7 壓縮態
7.8 壓縮態的探測
7.9 壓縮態的產生
7.10 放大器中的量子噪聲
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習題
第8章 光子數態
8.1 諧振子的算符解
8.2 粒子數態表象
8.3 光子數態
8.4 相干態
8.5 漢伯里，布朗-特威斯實驗的量子理論
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習題
第三部分 原子-光子交互作用
第9章 共振光-原子相互作用
9.1 引言
9.2 基本概念
9.3 含時薛丁格方程
9.4 弱場極限：愛因斯坦B係數
9.5 強場極限：拉比振盪
9.6 布洛赫球
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習題
第10章 諧振腔中的原子
10.1 光學諧振腔
10.2 原子-腔耦合
10.3 弱耦合
10.4 強耦合
10.5 腔體效應的應用
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習題
第11章 冷原子
11.1 引言
11.2 激光致冷
11.3 玻色愛因斯坦凝聚
11.4 原子雷射器
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習題
第四部分 量子資訊處理
第12章 量子密碼術
12.1 經典密碼術
12.2 量子密碼術的基本原理
12.3 依照BB84協定的量子金鑰分發
12.4 系統錯誤和身份驗證
12.5 單光子光源
12.6 量子密碼術的實際實現
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習題
第13章 量子計算
13.1 引言
13.2 量子比特
13.3 量子邏輯閘與電路
13.4 退相干和糾錯
13.5 量子計算的應用
13.6 量子計算機的實驗實現
13.7 展望
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習題
第14章 糾纏態與量子隱形傳態
14.1 糾纏態
14.2 糾纏光子對的產生
14.3 單光子乾涉實驗
14.4 貝爾定理
14.5 量子隱形傳態原理
14.6 量子隱形傳態的實驗實現
14.7 討論
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習題
附錄A 泊松統計
附錄B 參量放大
B.1 非線性介質中波的傳播
B.2 簡併參量放大
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附錄C 態密度
附錄D 低維度半導體結構
D.1 量子限域
D.2 量子阱
D.3 量子點
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附錄E 核磁共振
E.1 基本原理
E.2 旋轉系變換
E.3 布洛赫方程
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附錄F 玻色愛因斯坦凝聚
F.1 經典與量子統計
F.2 玻色愛因斯坦凝聚的統計力學
F.3 玻色愛因斯坦凝聚系統
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習題答案與提示
參考文獻
索引

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