量子光學(xué)論文

1、課程論文題 目光場壓縮態(tài)在生物光子中的推導(dǎo)與應(yīng)用學(xué)院專業(yè)學(xué)生學(xué)號二0年 月曰本文主要簡單的介紹了量子光學(xué)中的壓縮態(tài)和生物光子的壓縮態(tài)。利用量子 光學(xué)中壓縮態(tài)知識，推導(dǎo)出生物光子的壓縮態(tài)。然后對生物光子場的壓縮態(tài)模型 進(jìn)行簡化、近似，求得與壓縮態(tài)有關(guān)的四個參數(shù)|a |，$，r，0。利用這四個參 數(shù)，可以在實際實驗計算中，求得壓縮態(tài)。關(guān)鍵詞：生物光子；壓縮態(tài)；量子光學(xué)1前言量子光學(xué)(quantum optics)以輻射的量子理論研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測 及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，主要是用量子力學(xué)的知識來解決光學(xué)方面的知識， 近代光學(xué)實驗證實的光場的許多非經(jīng)典效應(yīng)和非經(jīng)典特征表明，光場具有一些不 同

2、的量子特性，這些都只能在全量子理論范圍以內(nèi)加以精確解釋，像解釋光的經(jīng) 典相干性、光的壓縮態(tài)、共振熒光等理論。生物光子學(xué)，是由生命科學(xué)和物理科學(xué)這兩者交叉融合所形成的一門新興的 交叉學(xué)科。生物光子學(xué)主要以量子光學(xué)作為理論基礎(chǔ)、以生命系統(tǒng)的弱光及超弱 光子輻射探測系統(tǒng)作為實驗手段來研究光子一生命體相互作用的微觀機(jī)制和物 理本質(zhì)，建立和發(fā)展以新陳代謝作用作為主要特征和標(biāo)志的生物光子學(xué)理論，揭 示生物組織和生命體的自組織、自相似、自調(diào)節(jié)、以及自適應(yīng)和遺傳性狀等的光 物理本質(zhì)，使生命科學(xué)直接深入到物質(zhì)結(jié)構(gòu)的深層次，并由此帶動生命科學(xué)的騰 飛和發(fā)展。本文主要講述了量子光學(xué)中光場的壓縮態(tài)的基本理論和概念，給

3、出最基本的 公式推導(dǎo)。同時將光場的壓縮態(tài)理論推廣到光子場，建立一個基本的模型，并給 出公式推導(dǎo)，利用公式中的參數(shù)，可求得光場的壓縮態(tài)。2量子光學(xué)中光場壓縮態(tài)的基本理論2.1光場壓縮態(tài)的基本概念在近代的光學(xué)中，實驗驗證了光具有量子特性，這些特性只能在全量子的理 論下才能進(jìn)行解釋驗證。光場的壓縮態(tài)，是近代量子光學(xué)中研究的一種較多的非 經(jīng)典的效應(yīng)。當(dāng)光波場某一可觀測的量子起伏被“壓縮”到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量子極限 (SQL)以下時，稱之為壓縮態(tài)光場。由于其量子噪聲低于包括激光在內(nèi)的所有 經(jīng)典光場的噪聲，而且雙模正交壓縮態(tài)光場能直接提供量子信息處理所必須的非 局域量子糾纏，因此壓縮態(tài)光場的產(chǎn)生與應(yīng)用是量子光學(xué)

4、、量子測量及量子通訊等當(dāng)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。2.2光場壓縮態(tài)的簡單推導(dǎo)自1970年D. Stoler在國際上首次引入壓縮態(tài)的概念以來，有關(guān)這一領(lǐng)域的 研究工作進(jìn)展就一直十分迅速。1976年，H.P.Yuan從理論上構(gòu)造了廣義光子湮 滅算符的本征態(tài)即所謂的雙光子相干態(tài)，因這種雙光子相干態(tài)具有壓縮效應(yīng)，故人 們又稱之為壓縮態(tài)；這是人類有史以來首次從理論上發(fā)現(xiàn)光場具有壓縮效應(yīng)的重 大轉(zhuǎn)折性研究成果，它在量子光學(xué)研究中起了重大轉(zhuǎn)折作用。首先我們知道：單模光場E (t)=人(ae-血 + a+e 血)(2.2.1)然后定義兩個厄米算符X,X2取代算符a和a+,則E(t) = X(X cos t

5、 + X sin t)(2.2.2)按照海森堡的不確定原理，則有x1,x2的量子均方漲落為( X 1)2(DX2)2 1/16(2.2.3)X，X2其最小的漲落為1/4。這在實際應(yīng)用中不能利用。特別是對在有噪聲的系統(tǒng)中，提高信噪比，具有 重要意義。而H. P.Yuan最先解決了這一問題。引入算符b，b+：b = pa +va+(2.2.4)b + = p * a + +v * a其中參數(shù)四和v，滿足仙|2 -VI2 = 1(2.2.5)b, b+L1(2.2.6)其中算符b，b+是和光場的湮滅、產(chǎn)生算符性質(zhì)相似的玻色子算符。進(jìn)行規(guī) 范變換S，(2.2.7)b = SaS + = pa +v a

6、+(2.2.7)設(shè)粒子數(shù)算符Ng。本征值為|m，則(2.2.8)，或者叫準(zhǔn)相干態(tài)，則滿足算符b的本征態(tài)IP;gb，或者叫準(zhǔn)相干態(tài)，則滿足算符b的本征態(tài)IP;gb P； =P|P；gg問=D10 =exp(p b + P*b)|0)：振幅算符a的兩正交分量X1，X2漲落值。a = |LX*b -v b+a + = |Lxb+ v *b于是可以求得：(a)= (P|a| P) =p* PvP *(a + a=四* PvP*|2 + v2,a2 ；，=(日*P vP*)2 p*v由上面的公式，可以看出光場的X1,X2分量的漲落分別為1(:X1)2 = 4 日v |21G x 2 )2 = 4”+v|

7、2通過選擇參數(shù)四，V的值使得( X.)2 0,Q0發(fā)生時，是超級或者亞泊松分布。這兩種都是量子光子信號在壓縮態(tài) 的可能態(tài)。不同的狀態(tài)下，Q值是不一樣的。測量Q值的表現(xiàn)行為是一種良好對 量子態(tài)的特征和樣式的展現(xiàn)。只有在壓縮態(tài)下，計算才有意義。在進(jìn)行計算時，必須確定。值，確保工作 有意義。壓縮態(tài)的四個參數(shù)，經(jīng)過簡化的估計為公式F(W|,r,0,8)。F(|a|, r,0,8) = Z (P(n) P (n)2(3.2.8)n其中Pob(n)是檢測的n光子在非衰減下的可能態(tài)。利用實驗設(shè)備進(jìn)行多組檢測數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行處理最終得到所求的壓縮態(tài)。結(jié) 論本文主要論述了量子光學(xué)中的壓縮態(tài)的基本理論和基本原理，同

8、時給出了在 生物光子的情況下，根據(jù)量子光學(xué)中的壓縮態(tài)推導(dǎo)了生物光子壓縮態(tài)，并根據(jù)實 際情況進(jìn)行近似化簡，得出緊跟四個參數(shù)有關(guān)的方程。這方程可以簡單的解決所 求的壓縮態(tài)。生物光子與量子光學(xué)緊密聯(lián)系，通過不斷深入的研究，有望解決更多的難題， 解釋更多的生命現(xiàn)象。這僅僅是開始，并面臨許多未知，但探索不會結(jié)束。參考文獻(xiàn)1彭金生，李高翔.近代量子光學(xué)導(dǎo)論M.北京：科學(xué)出版社,1996,10:165-184呂可誠，張春平,張光寅，董孝義.生物光子學(xué)進(jìn)展J.光子學(xué)報,1997,12,26(12):1123-1128生物光子相干性理論的形成、發(fā)展與爭議J.生物醫(yī)學(xué)工程研究,2013,32(2):124-130

9、朱延彬，郭周義，馬俊富.生物光子場特性的初步研究J.光電子,1999,10(1):63-67Roeland V.W,Eduard P.A,Vin Wijk,Rajendra P.Bajpai. Photocount distribution of photonsemitted from three sites of a human bodyJ. Journal of Photochemistry and Photobiology B:Biology, 2006, 84:46-55Fritz-Albert Popp. Properties of biophotons and their theoretical implicationsJ.Indian Journalof Experimental Biology, 2003,41:391-402F.A.Popp, K.H. Li, Q. Gu, Recent Advances Biophoton Research and its Applications,WorldScientific, Singapore,1992:1-1R.P.Bajpai.Squeezed state description of spectral de