量子光学：面向量子信息技术新时代

来源：两江科技评论

自古以来，自然中的光便激发了人们对科学的不懈探索。几千年前，人们学会了钻木取火，并从小孔成像、镜面反射等自然现象依稀摸索出了几何光学。公元1015年，伊拉克物理学家伊本-海什木(Ibn Al-Haytham)发表五卷本《光学书》(Book of Optics),系统地描述了几何光学。因此在这套书出版整一千年后的2015年，联合国科教文组织开展了“国际光年”系列纪念活动。十九世纪，英国全能型科学家托马斯-杨在演奏乐器时，由声学振动联想到光的波动，进而和法国物理学家菲涅尔探索光的干涉和衍射现象。同样在十九世纪，麦克斯韦建立和发展了电磁理论。一代代科学家的努力共同推动光学研究进入波动光学阶段。而这些理论遇上二十世纪初发现的黑体辐射和光电效应等光学现象，又遇到了难题。1900年，普朗克提出能量子假设，很好地解释黑体辐射规律，随后爱因斯坦提出光子假设，将光作为一种量子，成功解释了光电效应。从此，量子光学，伴随着量子力学的诞生发展、激光器的发明应用，在二十世纪展开了精彩的画卷，为诺贝尔物理学奖所垂青。

量子光学研究对光子的操纵和相干调控，观测符合量子力学规律的复杂多样的物理现象。一个有代表性的现象是1987年发现的Hong-Ou-Mandel效应，描述了量子光学中的两光子干涉作用。一个光子入射到等分分束器时有相同的概率透射或者反射，所以原本当两个光子分别从分束器的两个端口入射时，有四种可能：1端口光子透射，2端口光子反射；两个端口光子都反射；两个端口光子都透射；1端口光子反射，2端口光子透射。可是，当两个光子的物理性质相同且两光子同时到达端口，这时它们成为不能区分的输出状态(indistinguishable photons)。玻色子的性质确保两个光子从同一端口输出，而分别从两端口探测到光子的情形1和4消失了，这反映了光子聚束效应。

也是在20世纪80年代，物理学家费曼提出量子模拟与量子计算的思想，量子信息科学经过二三十年的理论和实验初步探索，在近十年开始蓬勃发展，并在未来数十年中都将吸引人们去探寻新的量子信息技术时代。光子具有速度快、稳定性好等优点，是用作量子信息科学的良好载体。因此，近年来，量子光学不止在基础物理方面有所探索，也在量子计算、量子通信、量子精密测量等量子信息科学领域出现日益增多的进展。 

因此，为了探讨量子光学在基础物理和新兴量子信息技术中的科学意义和广泛应用前景，Photonics Research适时推出Quantum Photonics专题，由金贤敏(上海交通大学)、M. S. Kim (Imperial CollegeLondon) 和Brian J. Smith (Universityof Oregon) 组稿，发表了来自中国、加拿大、英国、法国、以色列、韩国等国的知名高校以及研究机构的多篇论文。

55m长水下通道量子通信实验演示（图片来源:Photonics Research Quantum Photonics专题）

在量子通信方面，除了自由空间及光纤传导量子通信，海洋量子通信也是全球量子通信网络中不可或缺的一部分。穿透海水的量子通信的可行性近年来已首次由上海交通大学金贤敏团队的实验证实。此次，该团队将水下单光子极化态的传输距离拓展到55m，这种长距传输使得空海量子通信距实用化更进了一步。在量子精密测量方面，南京大学肖敏团队对光子压缩态及其在测量位置、旋转角度、磁场乃至引力波等变量的应用进行了全面深入的综述，展示了光子压缩态在量子精密测量中的重要应用前景。加拿大渥太华Lundeen团队展示了一种基于路径编码光量子态的更简化的高维态层析方法，对于量子计算算法设计和实现具有潜在应用。 

值得一提的是，近年来集成光学芯片的进展对量子光学研究起到了很好的推动作用。相对于分立光学实验，将集成光学芯片作为光量子的演化路径，可以大大提高实验的稳定性，是将来走向量子信息技术实用化的重要途径。本专题中，法国尼斯物理学院D’Auria团队展示的连续变量光子压缩态实验就是在基于集成光子芯片中完成的。近年来，集成光量子信息技术相关学术论坛也在国内积极开展。

希望通过本专题的分享，能够以点带面地展示量子光学的前沿进展，并吸引更多人参与量子光学在基础物理和新兴量子信息技术中的科学与应用探讨。