回顾该学科的创立历史,大约从 1900 年到 1930 年代中期,涉及数十位物理学家甚至一些数学家的工作,涉及许多实验和观察,以及许多错误的开始和停止,我们将微积分呈现为既成事实,然后回溯以填补我们的理解。不过,读者一开始就应该明白,这种微积分有大量的实验依据。在这个开场讲座中,我们通过一个例子对比了经典力学和量子力学。这个例子清楚地说明了牛顿定律所表达的经典世界观与量子力学规则所表达的现代世界观之间的差异。谐振子是典型的物理系统,因此,对它的分析,无论是经典的还是量子的,都是该学科的原型。在本讲座中,我们将回顾谐振子的经典处理,并概述量子处理。量子处理似乎是临时的、没有动机的,应该会引起一些不安,甚至困惑。读者会看到,经典处理的方法和结果的极端简单性与量子处理的复杂性形成鲜明对比。事实上,虽然经典处理的应用和含义从数学本身就很明显,但量子处理的方法和结果却需要解释和阐释。我们在这里给出了量子处理的标准解释,但读者会发现,我们的解释虽然内部连贯,但却没有动机。这种解释是在数年的时间里与量子力学机制本身的发展同时发展起来的,但读者应该知道其他解释也是可能的。在本讲座的最后,我们将深入探讨一些围绕量子力学解释的基础问题。这与我们在本书中的其余部分的做法有所不同,在其余部分中,形式主义的发展优先于哲学问题。1 尽管如此,我们希望读者从一开始就意识到,量子力学的世界观与经典的世界观截然不同,留下了许多深刻的哲学问题。欢迎来到量子世界!
量子传感和量子信息处理利用量子优势(例如压缩态),以更高的精度对感兴趣的量进行编码并产生量子关联,从而超越传统方法。在谐振子中,产生压缩的速率由量子速度极限设定。因此,在实践中可以使用量子优势的程度受到创建状态所需的时间相对于不可避免的退相干速率的限制。或者,谐振子频率的突然变化将基态投射到压缩态,这可以绕过时间限制。在这里,我们通过光学晶格中原子的谐振频率的突然变化来创建原子运动的压缩态。基于此协议,我们展示了可用于检测运动的位移算子的快速量子放大。我们的结果可以加速量子门并实现嘈杂环境中的量子传感和量子信息处理。
太赫兹 (THz) 时域光谱有助于深入了解半导体异质结构中的电子动力学。高场 THz 光谱探测 GaAs 量子阱 (QW) 系统的激子非线性响应,并能够在时域中测量其相干动力学。因此,THz 光谱可以让人们探索多体相互作用的基本特性以及半导体纳米器件技术的潜力。这项工作使用计算方法分析了半导体微腔中的光物质相互作用。当 QW 微腔中的激子与腔光子强耦合时,会形成一种称为激子极化子的新准粒子。本论文表明,具有光学和 THz 激发的经典耦合谐振子可用作模型来模拟激子极化子动力学及其量子相干现象。通过采用激子模式的时间相关衰减和改变光脉冲和 THz 脉冲之间的延迟,演示了激子-光子耦合系统的时间演化。由于强光物质杂化,在频谱中观察到正常模式分裂。最后,将本工作计算出的激子-极化子振荡与使用半导体布洛赫方程获得的参考计算结果进行了比较。