現(xiàn)代量子光學基礎

前言

　　這本書是根據(jù)我于2001年到2004年三年間連續(xù)給倫敦帝國理工學院講課的講稿寫成的。我已根據(jù)正式出版物的要求對講稿作了必要的梳理，與此同時，我又根據(jù)三、四年級物理本科生選修課的要求，盡可能保持原講稿的精神和風格不變。教程是由26次講演及3次專題報告組成的。3次專題講演包括了量子光學最近期的進展和實際應用。我把重點放在腔體中量子電動力學（QED）Rabi振蕩實驗、原子的玻色ˉ愛因斯坦凝結(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，這充分說明量子光學是一門極為重要而活躍的值得學習的學科?！　∽x者將了解到，除了現(xiàn)代應用之外，我將盡量采用原汁原味的方式來講述很多課題，并且時刻牢記現(xiàn)代的進展和理論解釋。當然，我的講稿也包括許多規(guī)范的理論推導，這些推導在很多其他的教科書中也可以找到，而且這些書中有些推導還相當仔細。我則有意既不寫得過于細節(jié)，也不拘泥于學科的完整表述。專題的選取，多少反映了我個人的偏好以及我的研究興趣和專長。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第二定律。我還討論量子力學中的相位概念、動力學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出電磁學等等。這些附加的專題，在通常的教科書中是不包括在內(nèi)的，這說明量子光學并不是一門孤立的學科，同物理學的其他相關(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程中的單調(diào)乏味之感。我要向?qū)W生表明，即使對于導介性的教學而言，也能對學科做到生動而興趣盎然的講述，只有這樣，方能使學生從一開始便能積極參與其中。講稿的寫作次序大體上是循著歷史發(fā)展的脈絡，有時符合教學法，但常常又不循規(guī)蹈矩。更多采用的寫作次序不是遵循從簡單到復雜的常規(guī)之道，因此常常表現(xiàn)出與歷史發(fā)展不相一致。本書的邏輯展開遵循著我們理解的光與物質(zhì)相互作用的不同等級——量子光學是我們所理解的最復雜的課題。粗略地講，講課筆記中分為四個層次:經(jīng)典的、舊量子論、半經(jīng)典的和完全量子力學的。我的意圖是采用技術(shù)上和概念上帶有挑戰(zhàn)性的實例來闡述多少帶有傳統(tǒng)性的專題。例如，我在一開始就以單光子來介紹Mach-Zehnder干涉儀并以此不僅說明光子的行為既像粒子，同時又像波，而且也指出能夠利用這種行為說明經(jīng)典物理學難以想像的行動規(guī)則——比如說無相互作用的測量。本書中包括了5套習題和解答。這些題目來源于用來檢查學生對所闡述內(nèi)容的理解的3份考卷，通過解題對深刻理解一門學科常常是十分關(guān)鍵的?！　”緯K止于場論方法開始適用之處。這也許多少會使人產(chǎn)生一些誤解，量子光學屬于完全量子場論的最低一級近似。根據(jù)我的教學經(jīng)驗，學習量子光學首先是理解量子場論，而不是理解通常的二次量子化形式的最好方法。　　最后，我感到在倫敦帝國理工學院同學生打交道十分有趣，他們不但教給我學科知識，還使我懂得如何教學。我希望你會像我樂于教學那樣，樂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大學物理系高年級學生講授量子光學的講稿整理而成的。這也是迄今為止對量子光學闡述得最全面、最新穎的教科書。通過干涉現(xiàn)象闡述光的本性是全書的核心。全書由11章內(nèi)容和5套練習及解答構(gòu)成，分別就經(jīng)典、舊量子論、半經(jīng)典和完全量子力學四個層面闡述光與物質(zhì)的相互作用、激光的原理和應用、場的量子化以及量子光學的最新進展等等。本書就激光冷卻、玻色凝結(jié)、量子信息和傳輸?shù)茸钚逻M展作了簡單易懂的介紹，難怪劍橋大學的ArturEkert教授作出了極高的評價:“我很難想到作者會用如此高超的辦法，把量子光學的那些最新的有趣的研究領(lǐng)域融入到量子光學的概念、方法和應用之中。很顯然，這是一本既透徹、又新鮮的教科書，這也是一本寫得特別清晰、充滿激情和細致認真的書。作者把自己深厚的學術(shù)功底、透徹的論證推理和簡明易懂的表述風格和創(chuàng)造性的演繹融合在一起。我相信《現(xiàn)代量子光學基礎》一書，一定會引起包括初學者和專家在內(nèi)的廣大讀者的關(guān)注?！?/pre>


作者簡介
　　（英）維特拉Vlatko Vedral，英國Leeds大學終身教授，量子信息科學研究室主任。
   1971年出生，英籍南斯拉夫裔科學家。1995年取得Imperial College of Science，Technology andMedicine的理論物理學士學位，1998年在導師Peter L.Knight爵士的指導下，取得該校物理學博


書籍目錄
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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