量子信息光学

一 ／ 量子信息光学 4 (中N科学 技 求大学 物理 系．台肥 230026) ^ 摘 要 介绍 门新的学科分芰——量子信息光学 它是量子光学与信息科学相结合的产物 光场的量 效应在实现太容量的信息传辅，超高精虞的信 皂检测以及不可破译、不町窃听的黾子密码术 方面有着概 重要的应用前景，在光子学的发展 中将发挥独特的作用 该文 阐述 丁量子信息光学中若干 物理问题和研究方向．包括超低噪声光源、 子信息复制、黾子 态、量子 非破坏性 测量和量子密码 术 关键词 呈 查 ：堡，旦 ! ，里三童里查 Abstract We introduce quanrtml information optics as a new branch of science．which is the rebuh of conlbitfing quantum optics and inform ation sdenee The quantum effects of the light field have ry important applications for irfformation transnliN~ion with super—large capacity，iuformafion detection with super—hjgh precision and unbreakable SeCLLfe quantum cryptography，and will play a unique role in photonics The several fundamentd phys1cal problems and main research fields in quan— rum optics are expounded，including light sources with super-low noise，the copying of quantum infor marion,quart1 um state engineering，quantunl non-demolition measurement and quantum crypto graphy Key words squeezed state，quantum state engineering，QND measurement，quantum crypto— graphy 1 引 言 我们的时代是信息时代．电子和光子是两 大类信息载体．以电子作为信息载体的电子信 臣系统在现代社会中发挥极其重要的作用，这 是不言而喻的 以光子和光波作为信息载体的 光子器件和光信息系统的发展晚于电子信息系 统．目前，代表着信息科学发展水平的是电子系 统．但是由于电子和光子具有不同的特性，因此 它们作为信息载体所能达到的信息功能就有很 大的差异 例如，电子信 息系统的进一步发展， 在速度、容量、空间相容性、信息检测精度等方 面都将受到限制，而 光子作为信息载体的光 子信息系统则可 呈现出无可比拟的优越性 一 旦充分地挖掘出光子作为信息载体的潜在功 能，信息科学的发展就将达到前所未有的新水 平．这就是人们预言“21世纪是光子学时代 的 依据，也是促进当前光子学迅速发展的动力 不同类型的光场，其根本区别在于量子统 计特性的不同．现有的光源按其量子统计特性 可分为三类．第一类是激光诞生以前人们广泛 使用的热光源，这类光源的发光机制是自发辐 射过程，其光场是完全随机的噪声，用此类光源 作为信息载体所能达到的信息功能十分有限． 第二类光源是激光，其发光机制是受激辐射过 程，理想的激光场称为相干态，它具有许多特殊 的性质⋯．相干态有最小的总量子噪声 (等于 * 国家 自然科学摹金资助项目 l995年 4月 3日收 l初稿 ．I995牛 6门 2日收 ll修 政稿 物 理 维普资讯 http://www.cqvip.com 真空噪声)，是最接近经典单色光场的量子态． 相干态作为信息载体显示 出极其优良的性能． 然而，即使是相干态光场，其所有的物理量都具 有确定的量子噪声(称为量子噪声)，这个 极限量子噪声最终限制着相干光信息系统的功 能 第三类光源称为非经典光场．例如，压缩态 就属于此类光源，其总的量子噪声虽然高于相 干态的噪声，但它的某个物理量的量子噪声低 于标准量子噪声极限，因此用它来携带信息，将 有着很高的信噪比，可实现更强的信息功能． 上述三类光场都可使用量子化电磁场来描 述，但在许多场合下，热光场和激光取经典理论 处理就足够了 但第三类(非经典光场)只能采 用量子理论描述，因为这类光场具有纯属于量 子效应的特征，没有任何经典对应物．经典信息 光学不计及光场的量子特征，其光源仅限于热 光场和激光 当光信息系统必须考虑到光的量 子性，或者采用非经典光场来传送或提取信息， 则必须严格地在量子理论框架内处理光信息的 问题，这就是量子信息光学，它与经典信息光学 的根本区别在于信息的传输、检测、存储等应用 到光场的量子特性，从而能实现经典光信息系 统所无法达到的信息功能． 光信息的传输和提取受到信息系统的信噪 比的限制，在理想场合，原则上可以消除信息系 统中的全部经典噪声，以达到最大限度的信噪 比．但即便如比，信息系统的功能仍然受到量子 噪声的限制 这一方面是由于作为信息载体的 量子光场本身不可避免地会有量子噪声，最终 的信噪比将受制于这种量子噪声，于是 自然界 中任何比真空噪声还馓弱的信号(如引力渡、生 物体的各种信息等)都将被淹没在真空噪声之 中而难于被探测到．另一方面，光的探测过程本 身是一个量子过程，在量子理论中，测量某个体 系的物理量必然会引起某种对该体系的干扰， 从而产生附加的噪声，这将进一步限制提取信 息的能力 光信息系统本质上是量子系统，评价 信息系统的极限功能必需采用量子理论 因此， 当我们企图突破现有经典信息系统的极限时， 面对着的应该是光量子信息系统，在这个系统 2s卷 (1996年)第 6期 中，体系的固有量子噪声和在测量过程中仪器 反作用的干扰等无疑地将构成一道难以逾越的 屏障，阻碍着人类从 自然界中获取更深层次的 信 息． 人们若要洞察 自然界中更深的奥秘，揭开 生物科学 中的种种谜团，或者企图探取极其微 弱的 自然信息，或者企图以更高精度传递更大 容量的信息，就必须寻找新的原理、新的来 研究实现更高精度、更低噪声、更大容量的光量 子信息系统的新途径，以打破现有光信息系统 的极限性 量子信息光学的主要 目标就是研究 这种光量子信息系统的原理和方法，昂终有可 能实现对微观量子信息的有效传递和提取，甚 至可能按照人的意愿去和制备能实现某种 特定功能的宏观量子体系，从而将人类认识 自 然的能力提高一大步． 2 超低噪声光源 作为信息载体的光场，其噪声限制着信息 系统的信噪比．相干态具有标准量子噪声，压缩 态等非经典光场则有低于这个标准极限的量子 噪声，在信息领域 中就能显示其优越性． 所谓“压缩态 ¨， ，广 义地讲是指光场的 某个物理量的量子噪声低于标准量子噪声量子 态．按照被压缩的物理量的不同，压缩态可分为 不同的类型 常见的有两大类 ：一类是压缩相干 态(叉称正交相位压缩态)，相应的共轭量是光 场的两个正交位相分量的振幅算符．就相干态 而言，这对共轭量的起伏相等，而压缩相干态的 某个分量的量子噪声变小，另一分量的噪声变 大；另一类压缩态是所谓的光子数压缩态，相应 的共轭量是光子数算符 ～ 和位相．相于态的光 子数起伏((△N) )等于平均光子数 (_~)，而光 子数压缩态则有 ((△N) )小于(_~)，即光子数 的噪声低于标准噪声，其代价是光场相位起伏 增大 这 两类 压缩 态 都 已在 实验 上 研制 成 功 ， ． 采用压缩态替代相干态作为信息系统的光 源可以显著地改善信息系统的功能．例如，实验 维普资讯 http://www.cqvip.com 上业 已证实，在迈克耳孙干涉仪 中采用压缩相 干态可以明显地提高信噪比．在引力渡探测系 统中，若采用高度压缩的光束，则有可能检测到 微弱的引力渡信号． 当然，目前压缩态光场还达不到用于信息 系统的水平，还必须进一步研究产生高压缩度、 高稳定压缩态的途径．我们曾研究两种产生光 子数压缩态的．我们发现 】，利用激光泵 浦 Ⅳ 个均匀加宽的三能级原子体系，在一定的 条件下可获得光子数压缩态，其 F 因子(F= ， F<1为光子数压缩态，F ：0为光 ＼J ／ 子数完全确定的福克 态)可达 o．16，低于文献 [5]应用负反馈 半导体激光器获得的 F 因子 (o．25)．我们还证明_7 J，采用 负反馈 级联三能 级体系可以产生亚泊松分布的光场(即光子数 压缩态)．级联原子输出两光束之间存在某种关 联，将其中的一束负反馈去控制抽运源．当反馈 作用足够强时，可以完全抑制抽运噪声，此时内 场为亚泊松分布光，F因子为 0．5；当原子数减 小时，在低频区的外场，其 F因子小于 1；当原 子数为 1时，则可得福克态光场． 现有产生压缩 态的实验装置过于庞大，不 适合作光子信息系统的光源，因此必须探索产 生压缩态的新机制，研制微型的非经典光源，以 利于在集成光学系统 中使用．这些新的研究方 向包括 ：光纤非线性效应产生压缩态，应用腔量 子电动力学原理研制微激光器，基于量子尺寸 效应的低维量子器件(如量子阱、量子线、量子 点)等． 3 量子信息复制 在信息传输过程中，人们希望能将信息从 主通道中分流出来而又不干扰主通道的信息 在经典理论中，这种分流或测量原则上可以不 干扰传输通道中的信息，实现多分流(或多分 支)、无失真地信息传输．但是在量子理论中，测 量或分流通道与传输通道必须作为一个整体， 由量子力学的规律 所支配 “分流”是个相互作 用过程，其结果必然会干扰传输信遭的量子系 统，有可能破坏主通道的信息 量子信息系统欲 实现多分流的信息提取，就必须寻找既能从主 通道提取量子信息，又不干扰、破坏主通道的信 息的新途径．目前采用的方法是改变现有在信 息系统 中直接从主通道分流的办法，而使用另 一 个作为探测信息用的系统 (称 为 Meter系 统)，它的功能是通过与主通道的系统相互作用 而将信息完全 复制”出来，又不破坏携带信号 前物理量．这种非破坏性提取信息的方式相当 于一台“量子复印机”，主通道的信息不断地被 Meter系统所“复制”而 分流出来，达到实现多 分叉信息传输的目的(图 1)． 圉 l 量子信息复制 物理 维普资讯 http://www.cqvip.com 能否实现这种量子的光学分流，关键在于 寻找合适的 Meter系统和 所谓 “反作用逃逸 (BAE)”的探测过程．Meter(即测量器)与信号 ^ 系统的相互作用(用哈密顿算符 描述)对于 信息的提取是必不可少的，但信息系统携带信 ^ ^ 息的物理量(记为 。)会受到 的影响，这种 反作用会干扰乃至毁坏掉信息，使量子信息分 ^ 流无法 实现，因此设法避开 由I的反作用便成 为关键性的问题，这就是反作用逃逸．反作用逃 逸(BAE)测量定义为测量系统与待涮系统的相 互作用不改变 待测的物理量 A ，或者即使改 ^ 变 A。，其变化也可以被预测． 目前量子光学的实验已成功地演示了反作 用逃逸的实验原理_8 J，但尚未真正实现量子 光学分流，必须在理论和实验上对此作进一步 深入的研究 4 量子态工程 广义上讲，量子光学的重要 目标之一就是 制备各种各样的宏观量子态 例如，激光器制备 的是相干态，利用非线性光学过程可制备各种 压缩态，目前正致力于寻找产生光子数完全确 定的福克态也是一种宏观量子态的制备过程． 总之，产生各种具有特殊非经典效应的光场 的 途径就是寻找相应的宏观量子态的制备方法． 在量子信息光学中，我们感兴趣的是非经 典光场．这种光场的产生大致有两种途径；一是 将相干态光场经由某种非线性过程使它的某一 对共轭力学量之间的量子噪声重新分配，从而 导致其中一个力学量的量子噪声显著减少；二 是在产生相干态的装置中，引进某种新的机制， 它可增大系统的有序力，或者减少系统内部的 无序力，使系统的输出不再是相干态，而是某个 物理量的压缩态．前一种途径称为无源法(或被 动法)，后一种途径则称为有源法(或主动法)． 就光子数压缩态而言，后一种方法更有效． 制备宏观量子态的另一种新方法是利用量 子测量过程对待测系统的反作甩来促使该系统 向特定宏观量子态的演化．如前所述，在量子理 25卷 (1996年)第 6期 论中，仪器在测量过程 中必定会干扰待测系统 的量子态，通常在超高精度、超低噪声的信息系 统中要设法消除这种干扰．但事物总有两面性， 这种“干扰”若运用得当也会产生积极的效果 ． 理论上 已证 明 』，在某种非线性过程中，测量 Meter系统的适当物理量．可以将信号系统制 备到待定的量子态上 例如，测量光参量过程空 闲渡的光子数，可使信号波变成一种宏观可识 别的相干叠加态 这种量子态是典型的非经典 光场[1 “]．它是光场 消灭算符 ；的二次幂 的本征态，称为奇、偶相干态，其中偶相干态为 f ) = 1【e坤l 1 f )] ． 2、一{ ×I ch l口l I ( )+l一口))， 奇相干态为 l ={[exp({l n 1 2)] ， 2、一 ×f sh l n l‘( )一l—n))， 式中I n)为相干态．偶相干态具有明显的压缩 现象而绝无反聚束效应，而奇相干态则正好相 反，它有明显的反聚束效应而绝无压缩现象． 在宏观经典领域中，人们可以按照 自己的 意愿来设计各种经典系统，以实现特定的功能． 在量子世界中，描述量子系统的是态函数，态函 数具有几率幅的意义，它不存在经典概念上的 物理含义，采用宏观经典的手段来制备特定的 量子系统态函数绝非易事．然而，在光的量子信 息系统中，光场的量子态直接影响系统的信息 功能，因此量子态的制备有着重要的作用，这就 导致“量子态工程”这个概念的出现．所谓“量子 态工程”是指能人为地控制量子态的制备，亦即 能按照人的意愿来设计和制备具有特定量子统 计特性的量子态． 图2是 一种 量子态制备 的原理性 方案 ． I n )代表相干态．假定能设计一种量子态的叠 加装置，并能 实现人为地控制叠 加权重 系数 ， ，则可以由相干态的叠加来制备特定的量子 态 I )， 一 l )：∑C l n )． · 339 维普资讯 http://www.cqvip.com 在最简单的情况下，态 I )由两个相干态叠加 而成，即 1 )=C】1 a)+c2 1 ． 这种宏观可识别的量子叠加态，俗称薛定谔猫． 在量子光学中已经有许多方法可以用来制备光 场的薛定谔猫态，在文献[12]中已有详细介绍． 不同的“猫态”具有不同的量子统计特性 ．前面 所述的奇、偶相干态实际上就是一种特殊的猫 态 我们已经详细地研究过猫态的量子统计特性 图2 量子态工程的原理囤 随着量子光学和近代光学技术的发展，量 子态工程已经从一种理想的追求变成可操作的 现实，这将为人类揭示光场的本质以及运用量 子效应造福于人类本身开辟新的天地 5 量子非破坏 Ni(QND)测量 w - ， _l= w 式 中 量 子 相 关 度 w = X y一) 一 (X ，(Y㈨j，X和 y分别代表 和 ， 为 待测信号场的正交位相分量， 为测量仪器 (即 Meter系统)的正交位相分量．w⋯ 用来 描述系统 的量子态制备能力，可以证 明 0 2．理想的量子态制备要求 w = 0．当 0< Ⅵ < 1时，则表示系统具有非理 想的量子态制备能力；当 w⋯ > 1时，则意 味着系统为经典系统，不具备量子态制备能力 传递系数定义为 1、 SNRgo 1、 SNR2 sNR ’ SNR~o’ 式中 SNR是信噪比，下标“s”，“m”分别表示待 删信号场与 Meter系统的探测场，上标“in”， “out”分别表示输入 和输 出．传递 系数 (丁 + 丁 )用来描述系统的量子光学分流能力．可以 证 明0 丁 +丁 2，理 想 场 合要 求 丁 + 丁 =2，它表示 Meter系统可以完全复制信 号场的信息而不引进任何对待测物理量的干 扰．当 1< 丁 +丁 <2时，则系统具有非理想 的量子光学分流能力 若 丁 +丁 < 1，则为经 典系统． 2 QND测量是用来探测极微弱信号的有效 途径．此种测量的主要 目标是合理地选取待测 ^ 、 的物理量 A以及 与其耦台的后级测量系统，以 避开共轭量之间无规的量子噪声及测量系统的 ^ 反作用对测量精度的影响，从而实现对 A进行 e 一 系列准确的测量，并使每一个测量值都能由 1 第一次测量结果预测 出来．理想 QND测量需 要满足三个判据．它们分别描述 QND测量的 效果、被测量物理量免受干扰的程度以及量子 态的制备能力 最近 P Grangier小组_1 提出用 两个参数(即条件起伏和传递系数)来分别刻划 QND溯量中的量子态制备能力和量子光学分 ( 流能力 条件起伏定义为 经典范围 量子光学分流 量子志制备 量子非破坏性测量 1 图 3 QND恻 量的 判据 0为经典．量子分界点；·为理想 QND测量 物理 维普资讯 http://www.cqvip.com 当系统同时满足 w⋯ =0和 T +T = 2时，则称为理想的 QND测量；而当系统同 时满足 0