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展，反過來又極大豐富了量子理論本身的內容，深化了量子力學基本原理的內涵，并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開發的核心工具。

激光在量子領域的應用

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、藥物分子模擬等經典計算機難以處理的復雜問題。

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，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），或用于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激光與量子通信

基于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”衛星已實現千公里級量子密鑰傳輸。

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輸量子密鑰。中國“墨子號”衛星使用激光實現了1200公里的量子密鑰分發。

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

中國“墨子號”衛星

03激光與量子模擬

量子模擬是利用量子系統來模擬其他復雜量子系統的行為。

冷原子系統：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（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，研究高溫超導機制。

量子模擬破解高溫超導

04激光與量子傳感

通過量子態精密測量，提升重力儀、原子鐘等設備的靈敏度，應用于地質勘探、導航系統（如量子陀螺儀精度比傳統技術高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，實現高精度慣性測量（如國防導航應用）。

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。量子光學與基礎研究。

原子鐘及時頻技術

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JaynesCummings模型）。

單光子源與探測器：激光激發量子點或金剛石NV色心，產生確定性單光子，用于量子網絡構建。

金剛石NV色心量子網絡構建

06激光與量子材料

研究超導、拓撲絕緣體等量子效應材料，推動能源存儲（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（如Bi?Se?）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嚴苛，核心要求可歸納為：波長精準、窄線寬、高穩定、低噪聲。實際參數需根據具體量子體系（原子、離子、固態缺陷等）的能級結構和相干時間嚴格設計，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。