量子信息科學是量子力學與信息學交叉形成的一門邊緣學科，研究微觀粒子量子特性及其應(yīng)用的前沿學科，主要探索量子力學規(guī)律在信息、材料、能源等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。它建立在量子力學理論基礎(chǔ)上，通過揭示微觀世界的特殊現(xiàn)象（如量子疊加、糾纏、波粒二象性、海森堡測不準原理、量子躍遷、量子化），推動計算、通信、傳感等技術(shù)的突破性發(fā)展。

近年來，量子信息學給經(jīng)典信息科學帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)，量子的相干性和糾纏性給計算科學帶來迷人的前景。量子信息科學的誕生和發(fā)展，反過來又極大豐富了量子理論本身的內(nèi)容，深化了量子力學基本原理的內(nèi)涵，并進一步驗證了量子理論的科學性。

激光器在量子領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，其高相干性、高亮度和精準可控的特性使其成為量子科學研究和技術(shù)開發(fā)的核心工具。

激光在量子領(lǐng)域的應(yīng)用

01激光與量子計算

利用量子比特并行計算能力，解決密碼破譯、藥物分子模擬等經(jīng)典計算機難以處理的復(fù)雜問題。

離子阱量子計算：激光用于冷卻和囚禁離子（如Ca⁺、Yb⁺），并通過精確的激光脈沖操控離子的電子態(tài)，實現(xiàn)量子比特（qubit）的初始化、邏輯門操作和讀取。

超導(dǎo)量子比特：激光輔助加工超導(dǎo)電路（如約瑟夫森結(jié)），或用于讀取超導(dǎo)量子比特的狀態(tài)（通過光學耦合）。

激光矢量矩陣乘法的量子計算

02激光與量子通信

基于量子糾纏和不可克隆原理，量子密鑰分發(fā)（QKD）技術(shù)可構(gòu)建無條件安全的通信網(wǎng)絡(luò)，我國“墨子號”衛(wèi)星已實現(xiàn)千公里級量子密鑰傳輸。

量子密鑰分發(fā)（QKD）：激光器生成單光子或糾纏光子對（如1550nm通信波段），通過光纖或自由空間傳輸量子密鑰。中國“墨子號”衛(wèi)星使用激光實現(xiàn)了1200公里的量子密鑰分發(fā)。

糾纏光子源：通過自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）或量子點激光器產(chǎn)生糾纏光子對，用于量子隱形傳態(tài)和貝爾測試。

中國“墨子號”衛(wèi)星

03激光與量子模擬

量子模擬是利用量子系統(tǒng)來模擬其他復(fù)雜量子系統(tǒng)的行為。

冷原子系統(tǒng)：激光冷卻（如磁光阱中780nm激光冷卻銣原子）將原子降至μK溫度，形成玻色愛因斯坦凝聚體（BEC），模擬凝聚態(tài)物理中的量子現(xiàn)象（如超流性、量子相變）。

光晶格：激光形成周期性勢場（如1064nm激光），囚禁超冷原子模擬 Hubbard 模型，研究高溫超導(dǎo)機制。

量子模擬破解高溫超導(dǎo)

04激光與量子傳感

通過量子態(tài)精密測量，提升重力儀、原子鐘等設(shè)備的靈敏度，應(yīng)用于地質(zhì)勘探、導(dǎo)航系統(tǒng)（如量子陀螺儀精度比傳統(tǒng)技術(shù)高1000倍）。

原子鐘：激光冷卻原子（如鍶原子光鐘）并探測其超精細能級躍遷，將時間精度提升至10^-19量級（如NIST的鋁離子光鐘）。

量子陀螺儀：利用激光操控冷原子的Sagnac效應(yīng)，實現(xiàn)高精度慣性測量（如國防導(dǎo)航應(yīng)用）。

引力波探測：激光干涉儀（如LIGO）通過量子壓縮光降低噪聲，提升探測靈敏度。量子光學與基礎(chǔ)研究。

原子鐘及時頻技術(shù)

05激光與腔量子電動力學(QED)

激光與光學微腔耦合，研究光子原子強相互作用（如實現(xiàn)JaynesCummings模型）。

單光子源與探測器：激光激發(fā)量子點或金剛石NV色心，產(chǎn)生確定性單光子，用于量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

金剛石NV色心量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

06激光與量子材料

研究超導(dǎo)、拓撲絕緣體等量子效應(yīng)材料，推動能源存儲（高溫超導(dǎo)電纜）、電子器件（低功耗芯片）的升級。材料科學中的量子態(tài)調(diào)控。

拓撲量子材料：飛秒激光調(diào)控拓撲絕緣體（如Bi?Se?）的電子態(tài)，研究量子自旋霍爾效應(yīng)。

超快量子動力學：阿秒激光脈沖（如XUV波段）觀測分子中電子的量子隧穿過程。

 飛秒激光脈沖激發(fā)鐵磁/非磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)

量子領(lǐng)域用的主要激光器

激光器在量子領(lǐng)域的應(yīng)用對參數(shù)要求極為嚴苛，核心要求可歸納為：波長精準、窄線寬、高穩(wěn)定、低噪聲。實際參數(shù)需根據(jù)具體量子體系（原子、離子、固態(tài)缺陷等）的能級結(jié)構(gòu)和相干時間嚴格設(shè)計，典型波長有266nm, 313nm, 355nm, 405nm, 411nm, 420nm, 457nm, 460nm, 488nm, 509nm, 520nm, 532nm, 556nm, 589nm, 631nm, 633nm, 637nm, 650nm, 671nm, 679nm, 698nm, 729nm, 759nm, 775nm, 780nm, 852nm, 946nm, 1013nm, 1064nm, 1310nm, 1550nm等,波長穩(wěn)定性<100kHz、線寬1kHz到幾十MHz、rms噪聲0.02%～0.1%、TEM₀₀、M2<1.1、光點穩(wěn)定性<1μrad等。