20世纪初，马克斯·普朗克等人为理解物质与光的本性发展了量子力学理论。该理论深刻改变了人类对微观世界的认识，并揭示出物质与光可同时被视为粒子与波（“波粒二象性”）。这一理论催生了现代社会赖以运转的众多技术与器件，包括激光器、半导体电子学与先进医疗设备等。
1900年，普朗克提出黑体辐射以离散的能量单元（“量子”）发射，其能量（E）与光的频率（ν）成正比，即 E=hν。这是量子力学发展的起点，普朗克常数（h）后来以其名字命名。
近年来，基于量子力学的多项新技术取得显著进展，有望为气候变化应对、医疗效率提升与国家安全等当今世界面临的诸多挑战提供变革性解决方案。这一波量子技术领域的科学与产业发展浪潮常被称为“第二次量子革命”（Quantum 2.0）。量子技术以具有量子特性的微观客体的产生、控制与操纵为基础，而其中许多技术高度依赖先进的激光技术。
量子系统的关键特性
量子态：量子系统只能存在于能量、动量或其他物理量的特定离散（量子化）“态”之中。
量子叠加：量子系统可同时以所有可能状态的组合形式存在，各状态具有相应概率，即叠加；仅在测量时，量子系统才“坍缩”至其中某一状态。
量子纠缠：多个量子客体可相互关联，甚至跨越很远距离。对其中一个客体状态的改变或测量会即时影响其他关联量子客体的状态。
量子干涉：量子客体表现出波动性，在概率性叠加态中相互作用，形成相长与相消的干涉图样。量子相干性衡量量子系统保持量子特性并呈现干涉现象的时长。
量子隧穿：由于量子粒子具有波动性，它们能够穿越经典力学认为无法逾越的能量势垒。
量子技术的应用领域
第二次量子革命中发展的新技术，以量子客体的创建及其量子状态的控制、操纵与观测为基础，可分为三大类别。
量子传感与成像：量子态通常对环境极为敏感，这给量子粒子的操控带来挑战，但也可用于构建极为灵敏的传感器，例如针对电磁场、压力、时间、加速度与重力的测量，进而支持新型导航系统与陀螺仪的开发。量子效应还支持开发分辨率与噪声抑制能力更佳的新型成像设备（“量子增强成像”），在临床诊断领域具有应用前景。
量子计算：量子客体的状态可作为量子比特（qubit）执行计算操作，类比经典计算机中晶体管产生的1或0比特。与经典计算机不同，量子比特可借助叠加同时处于所有状态的组合，并通过纠缠相互关联。这使量子计算机能够处理经典计算机或超级计算机难以胜任的某些计算问题，例如材料科学、药物发现与密码学领域的问题。
量子通信：量子技术正被用于在数据网络上构建安全通信。加密数据以标准经典比特（0或1）发送，而解密密钥则以量子比特形式发送——即通过光纤分发的纠缠光子。这一过程称为量子密钥分发（QKD），光子的偏振态代表密钥的各个比特值。借助量子纠缠与叠加，对密钥分发的窃听拦截难以逃过发送方或接收方的察觉。
量子技术中的常用量子客体
目前有多种微观元件被开发用作量子客体或量子比特，各自依据具体应用具有不同的优势与挑战，其中许多需要先进激光系统实现其创建、控制与操纵。
纳米线量子比特：将半导体纳米线夹于两个超导体之间，构成可控约瑟夫森结。纳米线量子比特是构建量子计算机的主要候选技术之一，但对噪声极为敏感，维持量子相干性具有挑战，须借助复杂的方案冷却至接近绝对零度以获得足够的相干性；随着量子比特数量扩展，电气布线亦日趋复杂。拓扑量子比特是其特殊类型：安装在半导体衬底上的超导纳米线在磁场与电场作用下转变为一种新的拓扑物质相。
晶格缺陷量子比特：晶格缺陷或色心是晶格中的原子尺度缺陷，如原子空位或杂质。此类缺陷的自旋态具有量子特性，可用特定波长（通常在可见光范围）的精确控制激光束寻址。常用的缺陷包括金刚石中的空位，如氮空位（NV色心）、锗空位（GeV色心）与锡空位（SnV色心），以及碳化硅（SiC）中的多种缺陷（如硅空位色心）。色心量子比特对环境高度敏感，适合构建用于电磁场、温度与压力测量的高灵敏度传感器。
光子量子比特：光子天然是量子客体，尤其适合在长距离上传输量子信息。纠缠光子可通过光学非线性材料中的自发参量下转换（SPDC）产生，用于量子通信网络中的量子密钥分发以及量子增强成像技术（例如以一束光子探测物体，而在另一波长的纠缠光束中对其成像）。光子还可在单光子水平上产生、控制与探测偏振、相位等量子特性以执行量子计算操作，此类操作可在光子集成电路（PIC）平台上实现。
中性原子与离子量子比特：原子与离子在被囚禁并冷却至超冷（低温）温度后，可作为量子客体稳定工作，其创建、控制与应用高度依赖激光技术。
光学囚禁：紧密聚焦的激光束可在光学偶极阱中捕获原子（“原子囚禁”或“光学镊子”）。若激光波长相对原子共振频率红移，原子将被吸引至光强最高的光束焦点中心。利用多束交叉激光形成强度峰谷相间的干涉图样，可在一维、二维或三维构建“光学晶格”原子阱。带电原子（离子）则可囚禁于非光学的电磁场中。
激光冷却：原子云可在磁光阱（MOT）中囚禁与冷却。磁光阱由四极磁场与成对布置的六台激光器构成，形成三组正交对向传播的激光束，在磁场为零的中心交汇。磁场产生依赖于原子位置的回复力以束缚原子；激光束则通过动量交换或以光泵浦将原子送入能量较低的特定量子态，实现减速冷却。若将激光频率精细调谐至略低于原子共振，朝光束运动的原子会因多普勒频移（“多普勒冷却”）更易进入共振并吸收光子及其动量，产生减速效应。为实现超越多普勒冷却极限的冷却，还采用拉曼冷却与边带冷却等机制。冷却过程中通常还需一束独立激光将原子“重泵浦”至冷却机制有效的状态。
量子计算中的应用：囚禁并冷却为可控量子比特后，原子或离子即可执行计算操作。原子被激发至里德堡态，产生强的长程量子相干相互作用，进而支持量子逻辑门操作的实现；随后以激光初始化量子比特的状态变化（提供逻辑输入），并通过荧光成像读取计算结果。常用的原子与离子包括镱（Yb）、铷（Rb）、锶、钡（Ba）与铯。
光学量子钟：超冷原子或离子的能级跃迁可提供极为精确的光学频率基准。将窄线宽激光束锁定于此类原子跃迁（囚禁于光学晶格中），并借助光学频率梳（通常为飞秒激光器）将激光的太赫兹量级光学频率转换为可测量的吉赫兹频率，即可实现极为精确的时间测量，精度较工作在微波波段的标准原子钟可提高100倍以上。常用的光钟原子及相应激光波长为镱（578 nm）与锶（698 nm）。
相关研究
相关内容见诸Laser Focus World（2020，宽调谐激光器面向量子研究）、Physics Views（2020，可调谐光助力量子探索）、Photonics Spectra（2020，量子传感新工具）与Physics World（2020，面向新型色心的激光器）等期刊，以及SPIE会议报告（宽调谐连续波光学参量振荡器）、量子传感白皮书与发表于IOP期刊的色心光致发光激发光谱等研究论文。
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