基于经典麦克斯韦电磁理论的传统光电信息技术，包括光电成像、探测、通信和传感等，对光子的操控和应用能力已经或即将达到经典理论极限。如何突破经典物理学理论的限制，发展下一代光电信息技术，是光学工程即将面对的巨大挑战。从科学技术发展的规律来看，在传统光电技术中引入更为基本和普适的量子光学技术，将是解决经典极限的有效途径。

量子信息处理科学与技术

量子信息科学是量子物理、信息科学、计算机科学，以及光电子技术等相互融合而绽放出来的一朵科学的奇葩。不同于经典信息，量子信息遵从量子力学规律，从而在物理上展现出许多奇特的性质。经过几十年的发展，量子信息科学与技术的研究范畴目前可简要概括为以下几个方面：

1) 量子密码与量子通信。由于量子态具有不可克隆的特性，因此量子密码无法被窃听或者破译。基于量子密码技术建立起来的量子通信系统，原则上可以实现绝对保密的通信。

2) 量子计算。不同于传统计算机中的信息单元用比特，在量子计算机中，信息单元称为量子比特。利用量子态的叠加性质，结合设计合理的量子并行算法，量子计算具有远超传统计算机的 计算能力。

3) 量子模拟。在通用的量子计算机目前尚无法实现的前提下，利用现阶段已经可以很好控制的小规模的量子系统来实现一些在其他系统中难以实现的物理现象演示（也称为专用量子计算）。

4) 量子精密测量。在传统的测量中，忽略量子效应，因此，无论测量仪器多先进，测量精度都会受到测不准原理的限制，也即所谓的标准量子极限。然而，通过巧妙利用量子纠缠性和量子叠加等量子效应，可使测量精度突破标准量子极限。

在研究量子信息处理的诸多不同物理系统中，如光学系统、冷原子系统、约瑟夫森结、超 导量子电路、固态量子点、核磁共振、囚禁离子和腔量子电动力学等，光子具有抗干扰能力强、 传输速度快和易于操控等特点，是量子信息最理想的载体之一。人们已经在基于量子态光源的量子信息处理方面取得了众多突破性的进展。从历史上看，科学和技术的整体性进步常常来源于光 学理论和技术的突破。例如，对黑体辐射和光电效应等光学现象的深入理解，为量子论的诞生奠定了扎实的基础。可以预期，量子光学信息处理技术的突破性进展可推动量子技术在其它领域的 进步。

由于量子信息科学与技术在涉及国家安全、 经济发展与社会进步等诸方面有着难以估量的潜在的应用前景，探索、开发并利用量子信息的新奇的物理功能当前不仅受到国际科技界的广泛关注，而且也引起各国政府、军事部门与信息产业界的高度重视。然而，量子技术的应用潜力能否转化为大规模实际应用，一个至关重要的环节是相关量子单元和器件能否在性能提升和实用化方面取得进一步突破。这些量子器件包括实用化量子光源，高性能新型光子探测器，以及量子开关和量子存贮等等。

量子态光源 

类似于激光器在激光技术中的作用，量子态光源在量子技术的研究中也扮演者十分重要的角色。量子态光源与经典光源（白炽灯光和激光等）相比，其不同之处主要表现在如下四方面： 

1) 描述光场的理论模型不同。经典光用麦克 斯韦电磁理论来描述，光场总能量的值可以是任意非负数值，光场的能量和位相可以同时有确定值。而量子光用量子理论来描述，光由基本粒子 ——光子构成，光场的总能量是光子能量的整数倍，能量和位相不能同时精确测得（Heisenberg 测不准关系)。 

2) 光子流的光子统计特性不同。对于经典光源，在任意时刻，光源中能够发光的原子数目是随机的，并且当前和下一时刻发出光子的数量和位相均无关联，光场的光子数起伏不小于光源输出的平均光子数。对量子态光源来说，光子数起伏可以小于光源输出光子的平均数。例如，对于只包含一个发光原子的系统，系统每次受到激发后，发射且只发射一个光子，光子数的起伏为零。

3) 光场正交分量的起伏不同。光场量子化 后，两个正交振幅分量分别对应与谐振子的位置和动量算符，满足相应的测不准原理。对于经典光场来说，复平面内任意角度的正交振幅不确定度比相干态（即理想激光器的输出）的大。而量子态光源，通过控制光子流辐射过程，可以使复平面内某一角度的正交振幅不确定度比理想激光器输出的小。 

4) 可分离光束/光子之间的关联不同。对于量子系统，其可分离子系统对应的光束或光子之间可以存在一种没有经典对应的、非局域量子纠缠关系。 

量子态光场的产生和分类 

制备量子态光场的方法有很多，如光与原子相互作用和非线性光学技术等。其中，光学参量过程是产生量子态光场的一个有效途径。利用二阶非线性介质和三阶非线性介质中的光学参量过程，人们已成功地产生了各种各样的量子态光场。 

                                                                                    二阶和三阶光学参量过程示意图 

量子态光源通常可分为两类：一类是离散变量量子光源，测量的物理量是有限维Hilbert 空间中的物理量（如偏振），利用单光子探测器或可区分光子数的探测器进行测量，每个光子探测事件对应一个电脉冲输出。另一类是连续变量量子光源，测量的物理量是无限维 Hilbert 空间中的物理量（如振幅和位相），采用平衡零拍或差拍探测系统进行测量，通过探测器输出的光电流来分析光场的量子特性。两种光源各有特点，适用于完成不同的信息任务。 

量子态光场的测量

在量子光学技术中，无论是对光场量子特性的表征，还是对光场所携带量子信息的提取，光子探测均是不可或缺的重要环节。 

事实上，在光电信息处理中，人们不断追求弱光条件下的高分辨率，单光子探测器已经开始发挥重要作用。近二十年来，光子探测技术和量子光学理论与技术相互促进、良性循环，基于不同量子机理的光子探测技术相继问世，并显示出良好的探测性能。