28、腔量子电动力学：原理、实验与应用前景

腔量子电动力学：原理、实验与应用前景

1. 腔量子电动力学简介

在量子信息处理领域，光子与束缚电子之间的电磁相互作用具有独特的优势，它不仅操作灵活，而且在实际应用中也具有明显的优势。腔量子电动力学（Cavity QED）通过使用高反射边界，将单个光子限制在一个足够小的空间内，并保持足够长的时间，从而增强光子与原子之间的相互作用。

1.1 腔量子电动力学系统的基本动力学

腔量子电动力学系统的动力学由三个基本速率决定：真空拉比频率 (g)、原子偶极衰减率 (\gamma) 和腔场衰减率 (\kappa)。真空拉比频率 (g) 本质上表征了原子 - 腔相干耦合的强度，其计算公式为 (g = d \cdot E_1/2\hbar)，其中 (d) 是原子的电偶极跃迁矩阵元，(E_1) 是腔模中每个光子的电场。

当一个初始处于激发态的原子被放入一个空的腔中时，基本的量子动力学演化表现为原子和腔之间通过发射和再吸收进行的能量振荡交换，速率为 (2g)。然而，这个相干过程会与原子向非腔模的自发发射（速率为 (2\gamma)）和光子从腔模中损失（速率为 (2\kappa)）的耗散过程竞争。强耦合区域通常定义为 (g \gg (\gamma, \kappa))，并且单个原子在腔模体积内的停留时间远长于这三个速率的倒数。

1.2 强耦合的实验验证与应用

近年来，腔量子电动力学在实验上取得了重要进展，在光学和微波领域都明确地证明了强耦合的存在。目前，研究人员正致力于将强耦合应用于量子信息处理、量子测量等相关领域。

为了说明强耦合在量子信息处理中的实用性，引入了两个无量纲参数：临界光子数 (m_0) 和临界原子数 (