量子信息科學是量子力學與(yu) 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用的前沿學科，主要探索量子力學規律在信息、材料、能源等領域的創新應用。它建立在量子力學理論基礎上，通過揭示微觀世界的特殊現象（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(chuan) 感等技術的突破性發展。

近年來，量子信息學給經典信息科學帶來了新的機遇和挑戰，量子的相幹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展，反過來又極大豐(feng) 富了量子理論本身的內(nei) 容，深化了量子力學基本原理的內(nei) 涵，並進一步驗證了量子理論的科學性。

激光器在量子領域的應用極為(wei) 廣泛，其高相幹性、高亮度和精準可控的特性使其成為(wei) 量子科學研究和技術開發的核心工具。

激光在量子領域的應用

01激光與(yu) 量子計算

利用量子比特並行計算能力，解決(jue) 密碼破譯、藥物分子模擬等經典計算機難以處理的複雜問題。

離子阱量子計算：激光用於(yu) 冷卻和囚禁離子（如Ca⁺、Yb⁺），並通過精確的激光脈衝(chong) 操控離子的電子態，實現量子比特（qubit）的初始化、邏輯門操作和讀取。

超導量子比特：激光輔助加工超導電路（如約瑟夫森結），或用於(yu) 讀取超導量子比特的狀態（通過光學耦合）。

激光矢量矩陣乘法的量子計算

02激光與(yu) 量子通信

基於(yu) 量子糾纏和不可克隆原理，量子密鑰分發（QKD）技術可構建無條件安全的通信網絡，我國“墨子號”衛星已實現千公裏級量子密鑰傳(chuan) 輸。

量子密鑰分發（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(chuan) 輸量子密鑰。中國“墨子號”衛星使用激光實現了1200公裏的量子密鑰分發。

糾纏光子源：通過自發參量下轉換（SPDC）或量子點激光器產(chan) 生糾纏光子對，用於(yu) 量子隱形傳(chuan) 態和貝爾測試。

中國“墨子號”衛星

03激光與(yu) 量子模擬

量子模擬是利用量子係統來模擬其他複雜量子係統的行為(wei) 。

冷原子係統：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(ti) （BEC），模擬凝聚態物理中的量子現象（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，研究高溫超導機製。

量子模擬破解高溫超導

04激光與(yu) 量子傳(chuan) 感

通過量子態精密測量，提升重力儀(yi) 、原子鍾等設備的靈敏度，應用於(yu) 地質勘探、導航係統（如量子陀螺儀(yi) 精度比傳(chuan) 統技術高1000倍）。

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

量子陀螺儀(yi) ：利用激光操控冷原子的Sagnac效應，實現高精度慣性測量（如國防導航應用）。

引力波探測：激光幹涉儀(yi) （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(yu) 基礎研究。

原子鍾及時頻技術

05激光與(yu) 腔量子電動力學(QED)

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

單光子源與(yu) 探測器：激光激發量子點或金剛石NV色心，產(chan) 生確定性單光子，用於(yu) 量子網絡構建。

金剛石NV色心量子網絡構建

06激光與(yu) 量子材料

研究超導、拓撲絕緣體(ti) 等量子效應材料，推動能源存儲(chu) （高溫超導電纜）、電子器件（低功耗芯片）的升級。材料科學中的量子態調控。

拓撲量子材料：飛秒激光調控拓撲絕緣體(ti) （如Bi₂Se₃）的電子態，研究量子自旋霍爾效應。

超快量子動力學：阿秒激光脈衝(chong) （如XUV波段）觀測分子中電子的量子隧穿過程。

 飛秒激光脈衝(chong) 激發鐵磁/非磁異質結構

量子領域用的主要激光器

激光器在量子領域的應用對參數要求極為(wei) 嚴(yan) 苛，核心要求可歸納為(wei) ：波長精準、窄線寬、高穩定、低噪聲。實際參數需根據具體(ti) 量子體(ti) 係（原子、離子、固態缺陷等）的能級結構和相幹時間嚴(yan) 格設計，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,波長穩定性<100kHz、線寬1kHz到幾十MHz、rms噪聲0.02%～0.1%、TEM₀₀、M²<1.1、光點穩定性<1μrad等。