13、光与物质相互作用的量子奥秘

光与物质相互作用的量子奥秘

1. 引言

光与物质的相互作用在量子信息处理中至关重要，它是量子态生成、操控和检测的基础。接下来，我们将深入探讨光与物质相互作用的量子处理方法，介绍Jaynes - Cummings哈密顿量，并解释自发辐射和拉比振荡等现象。

2. Jaynes - Cummings哈密顿量

2.1 半经典与全量子方法

在处理光与物质的相互作用时，通常有两种方法。一种是半经典描述，将原子量子化，而光视为经典波；另一种是全量子方法，将原子和光都进行量子化。

假设原子有两个状态：基态$\vert0\rangle$和激发态$\vert1\rangle$，能量差为$\hbar\omega_{10}$，且这两个状态正交归一。光场则用量子化的正交归一态$\vert n\rangle$描述，相邻态的光子能量差为$\hbar\omega$。

2.2 哈密顿量的组成

原子 - 光系统的总哈密顿量为：
$\hat{H} = \hat{H}_A + \hat{H}_R + \hat{H}_I$
其中，$\hat{H}_A$是原子哈密顿量，$\hat{H}_R$是光（辐射）哈密顿量，$\hat{H}_I$是描述光与原子相互作用的哈密顿量。

原子哈密顿量可以表示为：
$\hat{H} A = \hbar\omega {10}\vert1\rangle\langle1\vert$
也可写成：
$\hat{H} A = \hbar\omega {10}\hat{\sigma}^{\dagger}\