現(xiàn)代量子光學(xué)基礎(chǔ)

前言

　　這本書(shū)是根據(jù)我于2001年到2004年三年間連續(xù)給倫敦帝國(guó)理工學(xué)院講課的講稿寫(xiě)成的。我已根據(jù)正式出版物的要求對(duì)講稿作了必要的梳理，與此同時(shí)，我又根據(jù)三、四年級(jí)物理本科生選修課的要求，盡可能保持原講稿的精神和風(fēng)格不變。教程是由26次講演及3次專題報(bào)告組成的。3次專題講演包括了量子光學(xué)最近期的進(jìn)展和實(shí)際應(yīng)用。我把重點(diǎn)放在腔體中量子電動(dòng)力學(xué)（QED）Rabi振蕩實(shí)驗(yàn)、原子的玻色ˉ愛(ài)因斯坦凝結(jié)的成就以及量子傳輸?shù)葘ｎ}上。這些新成就，有些已經(jīng)頒發(fā)了最近幾年的諾貝爾獎(jiǎng)，這充分說(shuō)明量子光學(xué)是一門極為重要而活躍的值得學(xué)習(xí)的學(xué)科?！　∽x者將了解到，除了現(xiàn)代應(yīng)用之外，我將盡量采用原汁原味的方式來(lái)講述很多課題，并且時(shí)刻牢記現(xiàn)代的進(jìn)展和理論解釋。當(dāng)然，我的講稿也包括許多規(guī)范的理論推導(dǎo)，這些推導(dǎo)在很多其他的教科書(shū)中也可以找到，而且這些書(shū)中有些推導(dǎo)還相當(dāng)仔細(xì)。我則有意既不寫(xiě)得過(guò)于細(xì)節(jié)，也不拘泥于學(xué)科的完整表述。專題的選取，多少反映了我個(gè)人的偏好以及我的研究興趣和專長(zhǎng)。例如，我選擇了麥克斯韋妖這一課題，討論光的波粒二象性如何違背熱力學(xué)第二定律。我還討論量子力學(xué)中的相位概念、動(dòng)力學(xué)相與幾何相的差別以及度規(guī)原理背后的某些極為基本的概念，以及如何從薛定諤方程導(dǎo)出電磁學(xué)等等。這些附加的專題，在通常的教科書(shū)中是不包括在內(nèi)的，這說(shuō)明量子光學(xué)并不是一門孤立的學(xué)科，同物理學(xué)的其他相關(guān)領(lǐng)域的聯(lián)系是非常密切的。參插著這些專題，也有利于避免闡述過(guò)程中的單調(diào)乏味之感。我要向?qū)W生表明，即使對(duì)于導(dǎo)介性的教學(xué)而言，也能對(duì)學(xué)科做到生動(dòng)而興趣盎然的講述，只有這樣，方能使學(xué)生從一開(kāi)始便能積極參與其中。講稿的寫(xiě)作次序大體上是循著歷史發(fā)展的脈絡(luò)，有時(shí)符合教學(xué)法，但常常又不循規(guī)蹈矩。更多采用的寫(xiě)作次序不是遵循從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的常規(guī)之道，因此常常表現(xiàn)出與歷史發(fā)展不相一致。本書(shū)的邏輯展開(kāi)遵循著我們理解的光與物質(zhì)相互作用的不同等級(jí)——量子光學(xué)是我們所理解的最復(fù)雜的課題。粗略地講，講課筆記中分為四個(gè)層次:經(jīng)典的、舊量子論、半經(jīng)典的和完全量子力學(xué)的。我的意圖是采用技術(shù)上和概念上帶有挑戰(zhàn)性的實(shí)例來(lái)闡述多少帶有傳統(tǒng)性的專題。例如，我在一開(kāi)始就以單光子來(lái)介紹Mach-Zehnder干涉儀并以此不僅說(shuō)明光子的行為既像粒子，同時(shí)又像波，而且也指出能夠利用這種行為說(shuō)明經(jīng)典物理學(xué)難以想像的行動(dòng)規(guī)則——比如說(shuō)無(wú)相互作用的測(cè)量。本書(shū)中包括了5套習(xí)題和解答。這些題目來(lái)源于用來(lái)檢查學(xué)生對(duì)所闡述內(nèi)容的理解的3份考卷，通過(guò)解題對(duì)深刻理解一門學(xué)科常常是十分關(guān)鍵的?！　”緯?shū)終止于場(chǎng)論方法開(kāi)始適用之處。這也許多少會(huì)使人產(chǎn)生一些誤解，量子光學(xué)屬于完全量子場(chǎng)論的最低一級(jí)近似。根據(jù)我的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，學(xué)習(xí)量子光學(xué)首先是理解量子場(chǎng)論，而不是理解通常的二次量子化形式的最好方法?！　∽詈?，我感到在倫敦帝國(guó)理工學(xué)院同學(xué)生打交道十分有趣，他們不但教給我學(xué)科知識(shí)，還使我懂得如何教學(xué)。我希望你會(huì)像我樂(lè)于教學(xué)那樣，樂(lè)于閱讀我的這本講課筆記。

內(nèi)容概要

這本教材是作者根據(jù)自己從2001年到2004年連續(xù)三年給Leeds大學(xué)物理系高年級(jí)學(xué)生講授量子光學(xué)的講稿整理而成的。這也是迄今為止對(duì)量子光學(xué)闡述得最全面、最新穎的教科書(shū)。通過(guò)干涉現(xiàn)象闡述光的本性是全書(shū)的核心。全書(shū)由11章內(nèi)容和5套練習(xí)及解答構(gòu)成，分別就經(jīng)典、舊量子論、半經(jīng)典和完全量子力學(xué)四個(gè)層面闡述光與物質(zhì)的相互作用、激光的原理和應(yīng)用、場(chǎng)的量子化以及量子光學(xué)的最新進(jìn)展等等。本書(shū)就激光冷卻、玻色凝結(jié)、量子信息和傳輸?shù)茸钚逻M(jìn)展作了簡(jiǎn)單易懂的介紹，難怪劍橋大學(xué)的ArturEkert教授作出了極高的評(píng)價(jià):“我很難想到作者會(huì)用如此高超的辦法，把量子光學(xué)的那些最新的有趣的研究領(lǐng)域融入到量子光學(xué)的概念、方法和應(yīng)用之中。很顯然，這是一本既透徹、又新鮮的教科書(shū)，這也是一本寫(xiě)得特別清晰、充滿激情和細(xì)致認(rèn)真的書(shū)。作者把自己深厚的學(xué)術(shù)功底、透徹的論證推理和簡(jiǎn)明易懂的表述風(fēng)格和創(chuàng)造性的演繹融合在一起。我相信《現(xiàn)代量子光學(xué)基礎(chǔ)》一書(shū)，一定會(huì)引起包括初學(xué)者和專家在內(nèi)的廣大讀者的關(guān)注?！?/pre>


作者簡(jiǎn)介
　?。ㄓⅲ┚S特拉Vlatko Vedral，英國(guó)Leeds大學(xué)終身教授，量子信息科學(xué)研究室主任。
   1971年出生，英籍南斯拉夫裔科學(xué)家。1995年取得Imperial College of Science，Technology andMedicine的理論物理學(xué)士學(xué)位，1998年在導(dǎo)師Peter L.Knight爵士的指導(dǎo)下，取得該校物理學(xué)博


書(shū)籍目錄
PrefaceAcknowledgements　1. From Geometry to the Quantum　2. Introduction to Lasers　　2.1 Normal Modes in a Cavity　　2.2 Basic Properties of Lasers　3. Properties of Light: Blackbody Radiation　　3.1 Planck's Quantum Derivation 　　3.2 The Proper Derivation of Planck's Formula 　　3.3 Fluctuations of Light 　　3.4 Maxwell's Lucifer 　4. Interaction of Light with Matter I　　4.1 Stimulated and Spontaneous Emission 　　4.2 Optical Excitation of Two Level Atoms　　4 3 Life-Time and Amplification 　5. Basic Optical Processes—Still Classical　　5.1 Interference and Coherence　　5.2 Light Pressure　　5.3 Optical Absorption　　5.4 Amplification: Three Level Systems　　5.5 Classical Treatment of Atom-Light Interaction　　　5.5.1 Dipole radiation　　　5.5.2 Radiation damping　5.6 Spectral Lines6. More Detailed Principles of Laser　6.1 Basic Theory: Classical Electrodynamics 　6.2 Mode-Locking 　6.3 Non-linear Optics 　6.4 Phase Matching 　　6.4.1 Rigorous derivation 　　6.4.2 Heuristic derivation 　6.5 Multiphoton Processes 7. Interactions of Light with Matter II　7.1 Vector Spaces 　7.2 Dirac Formalism　7.3 Time Dependent Perturbation Theory 　7.4 Alternative Derivation of Perturbation 　7.5 The Wigner-Weisskopf Theory 　　7.5.1 Constant perturbation　　7.5.2 Harmonic perturbation　7.6 Digression: Entropy and the Second Law 　7.7 Einstein's B Coefficient 　7.8 Multiphoton Processes Revisited 8. Two Level Systems　8.1 Operator Matrix Algebra 　8.2 Two Level Systems: Rabi Model 　8.3 Other Issues with Two Level Systems 　8.4 The Berry Phase 　　8.4.1 Parallel transport 　　8.4.2 The Bloch sphere 　　8.4.3 Implementation 　　8.4.4 Generalization of the phase 　8.5 Gauge Principle 9. Field Quantization　9.1 Quantum Harmonic Oscillator　9.2 What Are Photons?　9.3 Blackbody Spectrum from Photons　9.4 Quantum Fluctuations and Zero Point Energy　9.5 Coherent States　9.6 Composite Systems—Tensor Product Spaces 　　9.6.1 Beam splitters　　9.6.2 Generation of coherent states 　9.7 Bosonic Nature of Light 　9.8 Polarization: The Quantum Description 　　9.8.1 Unpolarized light—mixed states 10. Interaction of Light with Matter III　10.1 Fully Quantized Treatment　10.2 Jaynes-Cummings Model　10.3 Spontaneous Emission—At Last　10.4 The Lamb Shift　10.5 Parametric Down Conversion　10.6 Quantum Measurement: A Brief Discussion11. Some Recent Applications of Quantum Optics　11.1 Laser Cooling 　　11.1.1 Bose-Einstein condensation 　11.2 Quantum Information Processing 　　11.2.1 Quantum teleportation 12. Closing Lines13. Problems and Solutions　13.1 Problem and Solutions 1　　13.1.1 Problem set 1 　　13.1.2 Solutions 1 　13.2 Problem and Solutions 2 　　13.2.1 Problem set 2 　　13.2.2 Solutions 2 　13.3 Problems and Solutions 3 　　13.3.1 Problem set 3 　　13.3.2 Solutions 3 　13.4 Problems and Solutions 4 　　13.4.1 Problem set 4 　　13.4.2 Solutions 4 　13.5 Problems and Solutions 5 　　13.5.1 Problem set 5 　　13.5.2 Solutions 5 BibliographyIndex









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