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量子光学的进步：光子学的“下一件小事”
光子盒研究院
量子光学是量子力学和光学交叉领域中发展迅速的一门学科，探索光的基本特性及其与物质在量子水平上的相互作用。通过利用光的独特特性，量子光学为通信、计算、密码学和传感等各个学科的变革性进步铺平了道路。
如今，量子光学领域的研究人员和工程师在理解和操纵光的量子特性方面取得了显著进展，为下一代技术带来了巨大的突破潜力。
量子光学研究光在量子力学定律下的行为及其与物质的相互作用。它研究光子的离散性、光子的波粒二象性以及叠加和纠缠等量子现象。该领域涵盖广泛的主题，包括光量子态、量子测量、量子相干和量子干涉。通过探索光的量子性质，量子光学深入了解了下一代迭代技术的基本构件。
量子光学是一个多学科领域，探索光在量子力学定律下的行为及其与物质的相互作用。它包含各种主题，旨在利用光的量子特性开发新一代技术。
量子光学的一个基本方面是研究光的量子态。研究人员调查光子的统计特性，探索量子叠加等现象，即一个光子可以同时存在于多种状态。量子测量技术的开发是为了检测和描述这些量子态，从而在量子水平上实现对光的精确控制和操纵。
量子相干性在量子光学中起着至关重要的作用，重点是量子态的保持和操纵。保持相干性对于执行量子信息处理任务（如量子计算和量子通信）至关重要。研究人员正在研究保持相干性和减轻环境相互作用造成的退相干效应的方法。
量子干涉是量子光学的另一个重要课题，产生于光子的波状特性。干涉现象使人们能够操纵和控制光，从而实现各种应用。研究人员探索基于干涉的高精度测量、量子成像和量子信息处理技术。光子纠缠是量子光学中研究的一种迷人的量子现象。纠缠的光子表现出经典物理学无法解释的相关性，从而应用于量子隐形传态、量子密码学和量子密钥分发。研究人员对纠缠态的产生、操纵和检测进行研究，以利用纠缠的力量达到实用目的。
量子非线性光学探索光与非线性介质的相互作用，在非线性介质中，光学特性随着光的强度而改变。这一领域能够产生新的光学频率（如通过光学参量放大），并研究复杂的光-物质相互作用。
量子光学还延伸到固态系统，研究量子点和纳米晶体等材料和结构中的量子现象。这些系统能够将量子效应集成到固态设备中，从而应用于量子计算、量子密码学和量子信息处理。空腔量子电动力学（QED）研究光与物质在空穴等封闭空间中的相互作用。通过增强光子与原子或量子发射器之间的耦合，研究人员可以在量子水平上控制和操纵光与物质之间的相互作用。原子光学是量子光学的另一个分支，主要研究如何利用光操纵和控制原子系统；原子干涉仪和原子钟等技术都依赖于利用光学玻璃对原子波函数的精确控制。
总之，量子光学领域让人们深入了解光在量子层面的基本特性。通过研究量子态、相干性、干涉、纠缠及其在各种系统中的应用，研究人员旨在发掘光子在下一代技术中的潜力。
量子研究引起了很高的期望，并获得了十多项诺贝尔奖；光子学是市场未来成功的关键，在组件的小型化和集成方面尤其具有吸引力。
但什么是量子技术，它对光子学又意味着什么？第一个问题的答案可以追溯到大约100年前，当时，马克斯·普朗克、阿尔伯特·爱因斯坦和路易斯·德布罗意等人分别凭借光的量子化性质、光电效应和电子的波状特性等物理学新观点获得了诺贝尔奖。今天，这些观点被视为第一次量子革命。
事实上，爱因斯坦的论文“Zur Quantentheorie der Strahlung”（或“On the Quantum Theory of Radiation”）描述了辐射的受激发射，大约50年后，这表现为另一项与量子相关的发明，即“受激发射光放大”——后来简称为“激光”。
有了激光，科学家们就有了深入研究量子力学的工具，因为量子力学中仍然存在科学家们尚未完全理解的现象，如纠缠——爱因斯坦提出的“远距离幽灵作用”。爱因斯坦使用思想实验来描述这些概念，而现代科学实验则证实了量子纠缠的物理本质。
光子学有什么好处？
在量子层面利用光子的力量，对于推动下一代技术的发展具有巨大的潜力。量子光学利用量子现象实现前所未有的能力，与经典光学相比具有独特的优势。如今，量子技术通常指三种应用：量子通信、量子计算和量子传感。
量子通信可通过量子密钥分发（QKD）实现信息的安全传输。
量子通信利用量子纠缠原理，通过量子密钥分发（QKD）协议实现信息的安全传输；量子计算利用量子比特进行复杂计算，其速度比经典计算机快数倍；量子密码学利用量子力学原理检测任何窃听企图，从而确保通信安全。
此外，量子传感和计量技术为测量和成像应用提供了更高的精度和灵敏度。量子传感器利用光的量子态实现对磁场、引力波和温度等物理量的高分辨率传感；量子计量学可实现超越经典限制的超精确测量，可应用于导航、计时和基本常数测定等领域。
将光子用于下一代迭代技术的意义在于其独特的量子特性，可在通信、计算、密码学和传感方面提供无与伦比的能力。了解和推进量子光学在释放这些技术的全部潜力以及塑造信息处理、通信网络和高精度测量的未来方面发挥着关键作用。
量子光学植根于量子力学原理，量子力学为理解原子和亚原子级粒子的行为提供了理论框架。它涵盖了波粒二象性、能量的量子化和量子系统的概率性质等主题；此外，它还讨论了构成量子光学基础的叠加和不确定性等关键原理。
了解量子力学对于理解量子光学系统中光子的独特性质和行为至关重要。
1）量子态和光子
量子态描述了量子系统中粒子的特性和行为。在量子光学的背景下，本节将重点讨论光子的量子态。光子作为量子粒子，具有量子化能级和波粒二象性等特征。光子偏振等概念在量子通信和量子传感中发挥着至关重要的作用；了解光子量子态的产生和操纵，包括单光子态、相干态和纠缠态对于量子光学的各种应用（如量子通信和量子计算）至关重要。
2）量子测量和纠缠
量子测量是量子力学的一个基本方面，在量子光学中发挥着重要作用。它探讨了测量算子、波函数坍缩和不确定性原理；此外，量子纠缠，即两个或多个粒子的量子态不可分割地相互关联的独特现象，在量子光学中有巨大作用，量子测量和纠缠是利用量子光学的力量实现下一代技术的关键因素。
通过了解量子力学、光子量子态和量子测量的基本原理，研究人员可以深入研究量子光学的原理和应用。这些概念为探索量子通信、量子计算和量子传感方面的高级课题奠定了基础。
扎实掌握这些基础知识对于发掘量子光学的潜力和推动下一代技术的进步至关重要。
量子密钥分发（QKD）是量子通信中的一项革命性技术，可实现双方之间的安全密钥交换；量子密码学利用量子力学原理提供安全的通信信道。一直以来，量子通信和密码学都是量子光学研究的前沿。
量子加密通过使用激光产生一对纠缠光子来实现安全的数据传输，这对光子尽管相距甚远，但却表现出相同的质量或行为。
因此，如果信号源向接收器A和B发送这样的纠缠光子对，那么窃听者就无法干扰其中任何一个光子而不被发现；如果窃听者从不同的源发送一个类似的光子，那么它就不会被纠缠。
通过提供无条件安全的密钥交换，确保敏感信息的机密性，QKD有可能彻底改变安全通信。
虽然量子加密本质上是安全的，但也有一些限制。光源必须发射单光子，因此存在衰减和噪音问题。此外，不可能进行放大，因为不可能使单光子比它本身更强。这些限制将传输方法局限于自由空间光学或直接光纤连接。
要生成安全代码或所谓的量子密钥分发，未纠缠的单光子通常已经足够好了。将光源衰减到只有单光子通过滤波器的程度，已经是一种生成量子密钥分发的方法。
事实上，量子统计可以控制光子通过屏障的衰减传输。瑞士ID Quantique公司为三星Galaxy Quantum智能手机开发的集成量子随机数发生器就采用了这一原理。值得注意的是，这个数字发生器是一个2.5×2.5毫米的芯片组，其中一个LED将光子发送到一个CMOS传感器。
虽然通过光纤和自由空间光学生成和传输量子密钥分发的演示已达到先进水平，但其他单光子生成源仍是研究课题。另一种按需产生单光子的潜在来源是利用基于量子点的技术，例如，激光脉冲触发冷却固态系统发射一个光子。
创建纠缠光子对也是一个正在深入研究的领域。迄今为止，许多系统都依赖于自发参量下变频，即二次谐波发生的逆过程：一个高能光子被分成两个能量较低、波长较长的光子，这两个光子本身也是纠缠在一起的。
激光光源与非线性晶体（如周期性极化的铌酸锂晶体）耦合，就能产生相当好的纠缠光子，NTT Electronics等公司目前提供的商业模块就说明了这一点。不过，这种方法仍存在一些问题，如光子生成率低、可能需要冷却单光子源，以及需要非常高效的低噪声探测器。但这项技术在集成化和微型化方面具有很大的潜力。
对QKD、量子隐形传态和量子密码学的探索表明，量子原理在确保安全通信和信息交换方面的应用十分显著。通过利用量子系统的独特特性，这些技术为实现牢不可破的加密和安全通信渠道提供了前景广阔的解决方案。
了解量子通信和密码学的原理和协议，对于在量子计算时代开发安全通信技术和推动量子光学领域的发展至关重要。
在所有量子技术中，量子计算显然是最受媒体关注的——以至于许多支持者担心它将导致“量子寒冬”，在资助者和投资者的失望情绪蔓延之前，巨大的期望不可能实现。
但迄今为止，量子计算领域的成功案例比比皆是，其中以IBM公司在其每年更新的发展路线图上取得的进展为首。风险投资也在不断涌入这一领域，大型咨询公司也在密切关注其发展，这一点不足为奇。
量子计算机利用叠加、干涉和纠缠等量子现象来执行计算功能。量子现象与我们所熟知的比特和字节有很大不同，正如这种现象的计算方法不同于现有的数字计算机。为了简单起见，人们有时会将量子计算机的量子比特（qubit）与传统计算的比特（bit）进行类比。但这些类比可能会产生误导。传统比特由极性1或0状态定义，而量子比特可以占据1和0状态及其叠加状态。
量子效应是，尽管测量单个量子比特只能得到1或0状态，但所有叠加都是可能的。
量子门是量子计算的构件，与经典逻辑门类似。诸如保利门、哈德玛门、CNOT门和受控相位门等量子门和量子电路通过操纵和转换量子态等方面，为量子信息处理铺平了道路。
总之，量子计算机利用各种力学来编码和处理信息。最著名的量子计算机架构是IBM的系统，它使用超导体transmon作为量子比特，其他三个量子计算机概念——捕获离子、光子学和冷原子，则广泛使用激光，以不同的方式对信息进行编码。
光量子比特的状态空间有可能比超导量子计算机承载更多的信息，事实上，光量子计算机的真正魅力在于其固有的集成和微型化机会。元件的制造可以利用传统的半导体加工工艺，因此，这些量子计算机的许多构件已经在光子集成电路中得到了验证。例如，嵌入芯片的小型集成环形谐振器可以根据需要产生光的挤压态，从而产生量子态。
这种集成度对于捕获离子和冷原子量子计算机来说还很遥远，因为需要大量复杂的激光器来捕获、冷却和操纵原子和离子，而这些计算机依赖的是装满激光器和光学元件的巨大实验台。
举例来说，多普勒冷却技术是一种针对原子或离子电子转变的共振频率对激光束进行轻微红调的技术。原子或离子会吸收光子及其动量，从而有效地减慢粒子的速度。这与激光陷阱的原理相同，在激光陷阱中，在三个空间维度上相交的反向传播光束会将原子驱赶到相交中心，并将其固定在空间中的一个精确位置。
这一过程需要稳定的单频激光器，而光离子化、状态检测、多普勒冷却、再泵浦等步骤可能需要不同的激光器。
量子传感利用量子系统的独特特性来提高测量物理量的灵敏度和精度。
光子量子传感将量子力学原理与光子学相结合，用于精确传感和检测。在光子量子传感中，用于传感目的的光子表现出量子叠加性。这些光子可以同时存在于多个能级中，从而使它们能够复杂地捕捉原子级变化，提高光子量子传感过程的精度。
传统的光学方法在分辨率和精确度方面存在一些值得注意的局限性，然而，量子叠加和量子纠缠等量子现象在光子上的应用使光子量子传感在效率上超越了同类产品。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05363-z
去年年底，研究人员观察到，利用纠缠，可以在光子量子传感网络中实现多个传感器，从而开发出单一的联合设备。在网络化光子量子传感装置中使用纠缠原子后，精度提高了三倍。
此外，量子干涉现象在光子量子传感应用中也发挥着重要作用，尤其是在提高测量精度方面。
与传统的体光学相比，集成光子量子传感无疑是一种可靠且经济可行的选择。然而，兼容性问题是集成光子量子传感系统的一个现实问题。虽然光子量子传感系统的单个组件已经取得了重大进展，但这些组件之间往往缺乏兼容性，或者它们的集成可能导致性能大幅降低。
量子研究者们正在积极开发光子量子传感技术，该技术专门用于优化轨道卫星收集有关原子如何对周围环境的微小变化做出反应的数据。科学家将利用光子量子传感系统收集的信息来测量海平面上升、冰川融化和热变化的影响等等。
例如，美国国家航空航天局（NASA）与奥斯汀大学合作，重点推进光子量子传感技术，以了解气候变化及其不利影响。
量子成像和量子显微镜也是利用量子特性提高成像分辨率和灵敏度的新兴领域。量子纠缠光子及其在超越经典成像极限、实现亚波长成像和通过散射介质成像方面也有许多有趣的用例。
量子传感和计量学为测量和成像提供了革命性的方法，超越了经典极限，提供了前所未有的精度和灵敏度。通过利用量子特性和技术，研究人员可以突破测量能力的极限，在各个领域实现突破。
总之，了解量子增强传感技术、量子计量学和量子成像技术为开发新型测量技术和推动量子传感与计量领域的发展奠定了基础。
TOPTICA Photonics AG将自己定位为冷却原子和离子激光器的主要供应商。该公司的光源组合可提供数百种不同波长的激光，用于各种量子实验：据TOPTICA的创始人兼总裁Wilhelm Kaenders估计，这一市场的价值约为1.5亿欧元（1.54 亿美元）。
随着销售数量的持续快速增长，降低单价的压力也越来越大。但最大的挑战是对微型化的需求，Kaenders说：“客户对SWaP-C尺寸、重量、功率和成本的要求越来越高，只有满足这些标准，依赖这些激光器的领域才会有未来。”
尽管咨询公司认为量子技术最终会催生价值数十亿美元的价值链，但目前的市场主要通过向开发量子技术的研究人员出售组件来获得收入。实际的量子计算机销售仍仅限于涉及单个研究系统的高价交易，如交付给弗劳恩霍夫和东京大学的系统。
量子通信设备也已慢慢进入市场，ID Quantique等公司正在销售各种类型的量子随机数发生器。
量子传感似乎是买家可以期待很快看到更多商业产品的地方。这些产品利用量子效应测量物理量。例如，捕获离子可以作为超灵敏重力计、测量磁场，或者干脆作为光学时钟的核心。
Q.ANT公司是通快集团的衍生公司，主要开发三种不同类型的量子传感器。第一种是基于叠加态的粒子传感器。第二种是基于金刚石中氮空位中心的磁场传感器。第三种是基于蒸汽电池中铷原子的原子陀螺仪。
微型化和集成化帮助Q.ANT将粒子传感器缩小到鞋盒大小。Q.ANT公司创始人兼首席执行官Michael Förtsch说：“这个尺寸对于我们现在所考虑的客户来说是可以接受的。”他补充说，有一条规则：“传感器越小，市场越大。换句话说，鞋盒大小的传感器可能适合上千名工业客户，但面向消费者市场的传感器可能需要火柴盒大小或更小。这一经验法则在激光雷达市场非常明显，这表明该法则也适用于量子传感器应用。”
目前，Q.ANT正在与商业合作者合作，测试其传感器的应用，如测量咖啡或洗衣粉的粒度。
规模更大、知名度更高的行业参与者也在参与量子技术的开发。但对它们来说，关键问题是如何连接现有的产品线，以利用新兴的量子市场。例如，芯片制造商英飞凌（Infineon）正在贡献自己的专业知识和制造能力，以支持几个合作伙伴项目中量子计算和传感元件的开发。
量子技术市场的兴起与技术解决方案本身的发展同样迅速，光子元件的微型化和更大集成度将是促进传感器和电信设备等量子技术更广泛商业化的关键。
今年4月，以色列光子量子计算初创公司Quantum Source宣布，由于戴尔科技资本（DTC）的注资，其种子轮融资额已增至2700万美元。Quantum Source的目标是开发商业上可行的光子量子计算机，它将利用这1200万美元的增资扩充其研发团队，以达到重要的技术和性能里程碑。
公司联合创始人兼首席执行官Oded Melamed评论说：“我们创立Quantum Source的信念是，光子量子技术是实现大规模容错量子计算机的最佳途径。我们的独特方法将极大地提高这些机器的可扩展性，并将成为量子计算机取得商业成功的关键。”
总部位于英国的ORCA Computing公司开发用于机器学习的光子量子系统。ORCA去年融资1500万美元，目前正在领导一个开发“量子数据中心”的研究项目。其他从事光子量子计算研究的公司还包括获得大力支持的加拿大初创公司Xanadu、PsiQuantum，该公司获得了900万英镑的资金，用于在英国开设一个研究机构，开发用于大规模量子计算的高功率低温系统。
ORCA Computing公司的联合创始人兼首席执行官理查德·穆雷（Richard Murray）博士在接受伦敦帝国学院采访时说：“光作为一种有效的、可扩展的资源，在量子计算的未来中将发挥巨大作用。我们的使命是在今天将光子系统交到用户手中，从而在短期和长期内实现价值。”
参考链接（上下滑动查看更多）：
[1]https://link.springer.com/article/10.1007/s12596-023-01320-9
[2]https://www.scientific-computing.com/article/can-photonics-deliver-next-breakthrough-research-computing-0
[3]https://www.azooptics.com/Article.aspx?ArticleID=2504
[4]https://www.nature.com/articles/s41566-018-0301-6
[5]https://spectrum.ieee.org/quantum-sensors-entanglement
[6]https://www.nasa.gov/news-release/nasa-awards-advance-3d-printing-quantum-tech-for-climate-research/
[7]https://www.photonics.com/Articles/Quantum_Technology_The_Next_Little_Thing_in/a68534
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