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08 量子光学 Quantum Light（第1页）

08量子光学QuantumLight

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在第1章中，我介绍了光可以被视为粒子流，为方便起见，将其记为“光子”

。

事实证明，光子是真实的粒子，它可以被产生、研究、测量、储存与使用。

尽管从某种意义上来说，光子用最简单的方式描述了光，但是制造单个光子却并不简单。

大多数光源产生不同种类的光，其中包含的光子数量是不固定的。

例如，一个灯泡会产生一股向任意方向发射的光子流。

如果你从某个方向观察灯泡发出的光，然后仅观察一小段时间——你也可以把这称为一个时间间隙——那么你可以数出在这段时间内发射出的光子数。

但是，如果你把这个实验重复几次，你会发现每次数出来的光子数量都是随机的，有的时候多，有的时候少。

光子的平均数量其实是固定的，只取决于灯泡的亮度。

但是你却永远无法肯定，在给定的时间内，能从光束中测量出多少个光子。

这就是“经典光”

的特征之一，即光可以完全用波来描述。

激光也是这样。

激光脉冲中包含的平均光子数可以很多，但对于任何给定的脉冲，实际测得的光子数都将大于或小于平均数。

一个脉冲中光子数的变动范围近似于平均光子数的平方根。

而每个脉冲中的光子数的变动与所有脉冲中平均光子数的比，被称为相对“噪声”

，所以该“噪声”

将随着平均光子数的增加而减小。

激光束有固有的强度噪声。

这就限制了利用激光得到的图像质量。

激光强度的波动意味着不能精确探测图像中两点间的距离。

事实上，用低强度光获取的图像是非常不精确的，因为低强度光中的平均光子数很小（所以噪声大，导致物体很难被看清），而且光子数在帧与帧之间的变化很大。

获得精确结果的唯一方法是延长成像时间，从而增加到达目标物体的光子数量，再从中求取平均结果。

平均信号可以降低相对强度噪声，从而得到分辨率更高的图像。

其精度与所用光子数的平方根成正比。

因为经典光束无法超越这一精度，所以该精度被称为“标准量子极限”

。

另一方面，在平均光子数相同的情况下，利用量子光可以获得更好的平均效果，这是因为量子光的噪声远低于任何经典光的。

但首先，你必须有一个量子光源。

这样的光源有很多种，每种都能产生一种不同的量子光。

那么接下来，先让我们来看一下使光具有原始量子态的源头——光子。

单光子

如何才能制造出单个光子呢？奥托·弗里施[1]（OttoFrisch）在1965年想出了一个可操作性很强的方案。

他的想法很简单，首先将一个原子激发到激发态（关于如何施行请参阅第5章），然后等它降至基态。

在这个过程中，原子只会发出一个光子，这是因为单个原子只能存储一个“量子”

能量。