腔量子电动力学

量子光学的目标是在量子电动力学的理论框架内，重新研究各种非线性相互作用过程，目的在于揭示各种非经典效应，研究产生这些效应的实验方法，并开辟它们的应用途径。近年来，腔技术的发展，已使超导微波腔的Q值达到了10¹¹数量级，光子在腔体内的存留时间可以长达几分之一秒，这为腔量子电动力学的研究奠定了实验基础，也使这一课题成为近年来光学研究的热门领域之一。处于激发态的原子，可以通过自发辐射过程跃迁到基态。
     实际上，引起自发辐射的物理机制是真空的量子起伏。由量子电动力学可以精确地计算出这种自发辐射的速率。然而，若把激发态的原子置于一个腔体中，由于腔只允许某些分立的本征模存在，腔的存在将使真空场的谱结构发生变化，然而场在自由空间的任何模式都有真空的起伏，这就使得腔体中原子与真空的相互作用与在自由空间中不同。人们很关心这种情况下，原子的自发辐射是否会受到影响，如果有影响又是何种影响。此外，当腔内不是真空，而存在有相干光场时，原子自发辐射的振荡频率又将如何变化，由于腔的存在，自发辐射光的最小谱线宽度又发生什么变化。人们预料，这些问题的研究对于腔量子电动力学的发展有重要作用。目前，理论与实验的研究均已证实，腔的存在对原子与电磁场相互作用有明显的影响。1987 年，实验发现了称为拉比(Ra-bi)振荡的效应。
     在实验中，向不完全真空、且有一定热辐射(2.5K)的腔体内，注入高激发态的里德伯原子，由于所发出的光子在腔体内停留的时间长，高激发态原子在跃迁时，偶极矩又较大，使原子在腔内的自发辐射有可能是可逆的，即反复地释放和吸收光子，这就使原子在上下两能级间来回振荡。当原子跃迁频率恰与某一腔频共振时，即可观察到拉比振荡现象。由于能证实量子相干理论，拉比振荡现象已经成为腔量子电动力学的重要实验之一。1980年，人们曾利用量子电动力学从理论上预言，拉比振荡还会有衰减—复苏—衰减的效应。这一效应只可能由量子电动力学得到解释，因为如果用经典理论描述光场，拉比振荡应保持恒定，若是应用量子电动力学，拉比振荡频率与光子数 n 的平方根n成正比，而量子相干态不是光子数的本征态，它应是n在一个值附近的许多光子数本征态的叠加，因此，原子在两个能级上的几率之差应该与不同的拉比振荡频率相关。当各种振荡相位分散时，振荡将衰减；相位一致时，振荡将加强。这一预言很快地被实验所证实。