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| 編輯推薦： |
内容系统全面，结构循序渐进：全书内容覆盖量子光学从基础到前沿的各个领域。从最简单的物理情境入手，逐步过渡到复杂系统，最终引出现代量子光学的新概念，构建了完整且易于接受的知识体系。
突破传统，前沿概念早期引入：与传统书籍不同，本书在前期章节就率先引入“量子纠缠”和“测量理论”等核心前沿概念，有助于读者尽早建立现代量子物理图像，并能够更快地关注和切入前沿技术，为其自主研究奠定基础。
阐述方式独特，兼顾直观与严谨：在物理概念的阐述上，作者优先使用简明的物理图像和简洁的数学推导来揭示内涵，确保读者能快速理解核心思想。而将严密、复杂的数学证明过程编排为章后习题，实现了直观教学与深度训练的完美结合。
强调跨领域应用，拓宽学术视野：作者不仅深入探讨量子光学本身的科学意义，更着重强调其发展出的方法在众多工程技术领域的广泛应用，如引力波探测、精密测量、暗物质搜索、量子信息等。这一特点极大地开拓了读者的思路，展现了基础研究的巨大实用价值。
权威作者撰写，保障内容深度与视野：作者皮埃尔·梅斯特雷是国际公认的量子光学与光力学领域权威教授，拥有深厚的科研与学术领导背景。这确保了本书内容的权威性、前瞻性以
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| 內容簡介： |
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本书内容涵盖了量子光学研究的诸多方面。第1~6章介绍了量子光学的基础内容，包括光与物质相互作用的半经典理论和全量子理论，处理量子开放系统的基本方法，以及量子测量。第7~11章介绍了腔量子电动力学、光力系统、激光冷却、玻色-爱因斯坦凝聚、量子光力学。第12章展望了量子光学和光力学在引力波探测、基本物理量检测、暗物质搜索、地球物理监测和超精密时钟等方面的应用。本书无论是对希望了解量子光学基本概念的初学者，还是对希望从事量子光学相关领域研究的科技工作者来说，都是一本很有价值的参考书。
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| 關於作者： |
皮埃尔·梅斯特雷（Pierre Meystre），博士，国际知名的量子光学专家（理论物理学家），现任慕尼黑大学理论物理学特许任教教师，并担任美国亚利桑那大学物理学和光学科学的名誉校董教授、亚利桑那大学光科学和物理里根教授。他还是美国物理学会、美国光学学会和美国科学促进会的会士，并被聘为华东师范大学的名誉教授。曾担任顶级物理学学术期刊《物理评论快报》主编，美国物理学会原子分子光物理分会主席。
梅斯特雷的研究领域涵盖理论量子光学、超冷原子科学和量子光力学，他在这些领域发表了超过300篇高影响力论文，是国际量子光学界的领军人物。他与默里·萨金特三世合著了经典教材《量子光学基础》，此外，他还撰写了权威专著《原子光学》。他的研究成果对现代量子信息科学和光学技术产生了深远影响，因此获得了多项荣誉，包括德国洪堡基金会授予美国资深科学家的研究奖、美国光学学会的R. W. 伍德奖，以及威利斯·E·兰姆激光科学与量子光学奖。
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| 目錄：
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译者序
前言
致谢
第1章 半经典原子——光相互作用1
1.1 多极展开：一个简要的总结1
1.2 洛伦兹原子3
1.3 两能级原子6
1.3.1 哈密顿量6
1.3.2 光学布洛赫方程8
1.3.3 弛豫机制9
1.3.4 密度矩阵方程10
习题12
参考文献14
第2章 电磁场量子化15
2.1 量子简谐振子15
2.2 电磁场量子化18
2.2.1 单模场18
2.2.2 多模场19
2.3 量子场的态21
2.3.1 热平衡下的单模场21
2.3.2 相干态23
2.3.3 压缩态25
2.4 光电探测和关联函数31
2.4.1 吸收探测31
2.4.2 平衡零拍探测32
2.5 准概率分布34
习题38
参考文献39
第3章 Jaynes-Cummings模型40
3.1 量子光学的核心40
3.2 量子拉比振荡43
3.3 塌缩与恢复43
3.4 单模自发辐射45
3.5 重复场测量46
3.6 量子拉比模型47
习题51
参考文献51
第4章 复合系统和量子纠缠53
4.1 EPR悖论53
4.2 量子纠缠54
4.2.1 施密特分解与最大纠缠55
4.2.2 纠缠的单配性56
4.3 贝尔不等式58
4.4 量子密钥分发62
4.4.1 BB84协议62
4.4.2 不可克隆定理63
4.4.3 量子隐形传态64
习题65
参考文献66
第5章 耦合库68
5.1 自由空间中的自发辐射68
5.1.1 自由空间中的模式密度69
5.1.2 自发辐射的Weisskopf-Wigner理论69
5.1.3 超辐射与亚辐射71
5.2 主方程72
5.2.1 阻尼谐振子75
5.2.2 Lindblad形式78
5.2.3 Fokker-Planck方程78
5.3 朗之万方程组80
5.4 蒙特卡罗波函数84
5.5 输入-输出理论方法86
习题89
参考文献90
第6章 量子测量91
6.1 冯·诺依曼公设91
6.2 测量的反作用92
6.2.1 标准量子极限92
6.2.2 量子非破坏性测量94
6.3 连续测量96
6.3.1 连续投影测量96
6.3.2 半正定算子测量97
6.3.3 连续弱测量98
6.3.4 场的连续测量99
6.4 指针基底101
习题103
参考文献103
第7章 调控环境——腔量子电动力学105
7.1 自发辐射增强和抑制105
7.1.1 原子-腔系统的主方程105
7.1.2 弱耦合机制107
7.1.3 强耦合机制108
7.2 微波激射器109
7.3 色散区域114
7.4 电路QED117
7.4.1 LC电路量子化117
7.4.2 超导量子位120
7.4.3 场-量子位耦合123
7.5 Casimir力125
习题126
参考文献127
第8章 光的力学效应129
8.1 半经典原子——场相互作用的回顾129
8.2 辐射压力和梯度力130
8.3 耗散133
8.4 原子衍射135
8.4.1 Raman-Nath机制136
8.4.2 布拉格机制137
8.4.3 施特恩-格拉赫机制138
8.5 自发辐射139
8.6 原子干涉仪140
习题143
参考文献144
第9章 激光冷却146
9.1 多普勒冷却146
9.2 西西弗斯冷却148
9.3 亚反冲冷却152
9.4 腔冷却154
9.5 边带冷却156
9.6 蒸发冷却159
习题160
参考文献160
第10章 玻色-爱因斯坦凝聚162
10.1 现象学162
10.2 囚禁势阱中的BEC165
10.3 薛定谔场量子化167
10.3.1 Hartree近似171
10.3.2 准粒子173
10.4 光晶格上的超冷原子175
习题180
参考文献181
第11章 量子光力学183
11.1 经典分析184
11.1.1 稳态现象：光学弹簧效应186
11.1.2 延迟的影响：冷阻尼187
11.2 量子理论189
11.3 超越基态191
11.3.1 线性化耦合191
11.3.2 二次耦合194
11.3.3 极化子谱194
11.4 光力学探测的标准量子极限196
11.5 超冷原子200
11.6 功能化和混合系统201
习题202
参考文献203
第12章 展望205
12.1 万有引力206
12.1.1 引力波探测206
12.1.2 等效原理的检验210
12.1.3 平方反比律的检验211
12.1.4 引力引发的退相干212
12.2 暗区213
12.2.1 与光子的耦合214
12.2.2 原子干涉仪搜索215
12.2.3 腔光力搜索216
参考文献216
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| 內容試閱：
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近年来，量子光学取得了显著的发展，引领了“第二次量子革命”。 这场“革命”实现了对单个量子系统的操控，这将对从宇宙学和物理基础到生物学和地球科学、从精密测量到量子信息科学与工程等的基础科学及应用产生广泛而深远的影响。
这些进步可以追溯到微波激射器和激光器的发明，它们提供了控制原子和分子内部、外部状态的独特方法。由此发展得到了高精度的原子钟；将原子系统冷却到接近绝对零度；将单个原子和分子隔离在特定的环境中，以便精准地控制它们的各种运动。这些只是众多杰出突破性进展中的三个示例。
所有这些成就并不是某个政府机构制定的宏伟计划的结果，而是科学进步以一种或多或少带有偶然性发展的结果。突破性进展往往是好奇心驱动的结果，出现在最意想不到的地方，而且要经过很长的时间才能充分认识到它们所具有的重大影响。当理论粒子物理学家约翰·贝尔提出著名的不等式时，谁也没有想到原子-分子-光学（AMO）物理会成为检验这些不等式的一个理想的实验平台。当彼德·托舍克首次成功捕获单个钡离子时，谁也没有想到这将导致操控量子纠缠和量子导引的突破性进展，并推动量子信息科学与技术的最新进展。我们无法推测，那时彼德是否会想到他的发现将导致量子计算！当爱德华·珀塞尔观测到原子自发辐射率在某些环境下似乎与既定值不符时，丹·克莱普纳随后认识到这种衰变率几乎可以通过控制原子的电磁环境随意改变，这又是如何做到的呢？还有，弗拉基米尔·布拉金斯基在试图解决引力波探测问题时，怎么会知道其研究将会为理解量子测量的标准极限指明了方向呢？作为科学家，我们是极其幸运的，不仅有杰出的同事，而且还有具有远见卓识的同行，他们理解好奇心驱动研究的重要性，并以各种方式不计短期得失从事这些研究工作。
我还想说的是，本书不是一本历史书，因此没有讲述量子光学发展到今天所经历的成功、失败、错误与转折。反之，我试图以某种合乎逻辑的方式，从最简单的物理情境开始，逐步过渡到复杂的物理情境，直至引出现代量子光学的新概念。因此，读者可能会惊奇地发现，量子纠缠或测量理论等主题很早就被引入，甚至在自发辐射或激光冷却之前。我希望这种非常规的方法能够产生吸引力，同时为读者提供足够的理论背景，促使读者较早关注前沿文献，以开展自己的研究。
第1章回顾了后面章节中要用到的光与物质相互作用的半经典描述的一些基本要点。第2章首先介绍了一种直观且有吸引力的电磁场量子化方法，接着回顾了量子光学中一些有特别重要意义的场状态，如最重要的相干态、压缩态和热态，以及利用准概率分布方法对它们的描述。第3章在引入原子概念的基础上，介绍了Jaynes-Cummings模型（它是量子光学的关键模型），及其推广到更一般的量子拉比模型。令人惊讶的是，在20世纪70年代早期，这个模型被视为一个不现实的玩具模型引入，但是多年来随着实验物理学的显著进步，它的重要性与日俱增。
在第4章，我们转向讨论复合体系更一般的性质，聚焦于复合体系的量子行为与经典对应物之间的根本差异。这将引出量子纠缠的概念，以及量子纠缠在违反贝尔不等式中的深刻意义。接着我们讨论量子纠缠的一些性质，包括纠缠的单配性和共享、不可克隆定理，以及它在量子隐形传态和量子密钥分发中的应用。
使问题进一步复杂化的是，目前讨论的小系统永远不会完全与它们所处的环境隔离开来，我们需要处理这种耦合的影响，最为著名的或许是在量子光学中对自发辐射的分析，这是第5章讨论的内容。该章讨论了几种描述系统-环境动力学的方法，以及宏观不可逆性的出现，而在理论上，从最基本层面上，它是可逆的。
这些结果很自然地引出了量子测量的挑战性问题，这是第6章介绍的内容。正如约翰·惠勒阐述的那样，“只有在不可逆的放大行为完成之后，才能观测到物理现象”。也就是说，量子测量必定以某种方式涉及不可逆性。我们从一种传统的方式——冯·诺依曼投影公设开始，接着分析测量的反作用，以及如何通过量子非破坏性测量来限制其反作用。然后我们讨论弱测量和连续测量，最后是对祖雷克（Zurek）指针基底的一个简短讨论，它阐明了在测量过程中环境的作用。
第7章讨论了调控环境，这是腔量子电动力学（QED）的基本主题，我们将在共振和色散两种情况下考虑对环境的调控。同时我们还讨论了将这些概念推广到电路QED，它使用基于约瑟夫结的人造原子与传输线耦合，而不是真实的原子，并展示了应用于量子信息与技术的美好前景。本章最后讨论了卡西米尔力，解释了调制电磁环境可能产生的最简单结果，并引入了光力学效应的概念。第8章对光力学效应进行了详细分析，首先说明了辐射压力和光梯度力，以及它们对原子光学中原子束和原子波动的效应；特别证明了如何利用这些力来囚禁原子，并讨论了原子衍射的几个问题，以及在原子干涉仪方面的应用；同时，还考虑了原子自发辐射和其反冲对这些效应的重要影响。
除了原子干涉仪，光力在量子光学中的最重要应用可以说是激光冷却，第9章讨论了这个主题，考虑了能够达到更低温度的更复杂的方法，也详细描述了中性原子和囚禁离子的冷却。
激光冷却的讨论将我们带入原子玻色-爱因斯坦凝聚。第10章描述了各种情形下的原子玻色-爱因斯坦凝聚。由于在这样的体系中原子是不可区分的并呈现多体效应，因此将其按场来处理是有益的。接着介绍薛定谔场量子化和Hartree平均场近似，然后转向在光晶格上的超冷原子。这或许是凝聚态问题量子模拟器最简单的例子，我们将利用玻色-哈伯德模型来解释它。同时，我们还强调了原子显微镜在这些系统成像和研究方面的应用。
第11章转向量子光力学，它将光学或微波共振器与一个大型机械振子结合在一起。适用于囚禁离子的边带冷却技术，可以将这些物体冷却到它们的运动基态。这开辟了一条确定和控制真正宏观物体量子态的道路，其应用范围从极端灵敏的力学测量、工作在标准量子极限附近或以下的加速度传感器，到可能对量子力学有更为深刻理解的实验。
这些量子光学的各个方面都表明，除了它固有的科学意义外，它还是一种对基础和应用科学以及工程和技术具有相当价值的使能工具。显而易见，量子光学在帮助人们理解迄今仍然深奥莫测的物理世界方面具有特殊意义。第12章通过一个简短的概述阐明了量子光学的作用，包括量子光学在检验从量子力学到相对论自然基本法则中的作用，以及在探索暗区地带的粒子和场的性质方面的作用，在那里95%的物理世界迄今我们仍然没有理解。致 谢物理学研究本质上是一项团队协作的事业。多年来，我与众多学生、博士后、同事，以及朋友开展了富有成效且令人愉悦的交流与讨论，这些互动为本书的诞生奠定了坚实的基础。在此，我必须向他们表达最诚挚的感谢。特别感谢Markus Aspelmeyer、Dirk Bouwmeester、Qiongyi He、Jack Manley、Hal Metcalf、Oriol Romero-Isart、Keith Schwab、Ewan Wright、Keye Zhang、Weiping Zhang 以及 Yakai Yang。同时，对 Swati Singh 和 Kanupriya Sinha 表示由衷的感激。在研究过程中，她们耐心且包容地解答了我无数的问题和疑问，她们的专业素养与友善态度让我深受鼓舞。我还要向我的导师 Antonio Quattropani、Marlan Scully 以及已故的 Herbert Walther 致以崇高的敬意和特别的感谢。当然，若书中存在任何错误（希望不会太多），均由我本人承担全部责任。
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