20世紀初，馬克斯·普朗克等人為理解物質與光的本性發展了量子力學理論。該理論深刻改變了人類對微觀世界的認識，并揭示出物質與光可同時被視為粒子與波（“波粒二象性”）。這一理論催生了現代社會賴以運轉的眾多技術與器件，包括激光器、半導體電子學與先進醫療設備等。
1900年，普朗克提出黑體輻射以離散的能量單元（“量子”）發射，其能量（E）與光的頻率（ν）成正比，即 E=hν。這是量子力學發展的起點，普朗克常數（h）后來以其名字命名。
近年來，基于量子力學的多項新技術取得顯著進展，有望為氣候變化應對、醫療效率提升與國家安全等當今世界面臨的諸多挑戰提供變革性解決方案。這一波量子技術領域的科學與產業發展浪潮常被稱為“第二次量子革命”（Quantum 2.0）。量子技術以具有量子特性的微觀客體的產生、控制與操縱為基礎，而其中許多技術高度依賴先進的激光技術。
量子系統的關鍵特性
量子態：量子系統只能存在于能量、動量或其他物理量的特定離散（量子化）“態”之中。
量子疊加：量子系統可同時以所有可能狀態的組合形式存在，各狀態具有相應概率，即疊加；僅在測量時，量子系統才“坍縮”至其中某一狀態。
量子糾纏：多個量子客體可相互關聯，甚至跨越很遠距離。對其中一個客體狀態的改變或測量會即時影響其他關聯量子客體的狀態。
量子干涉：量子客體表現出波動性，在概率性疊加態中相互作用，形成相長與相消的干涉圖樣。量子相干性衡量量子系統保持量子特性并呈現干涉現象的時長。
量子隧穿：由于量子粒子具有波動性，它們能夠穿越經典力學認為無法逾越的能量勢壘。
量子技術的應用領域
第二次量子革命中發展的新技術，以量子客體的創建及其量子狀態的控制、操縱與觀測為基礎，可分為三大類別。
量子傳感與成像：量子態通常對環境極為敏感，這給量子粒子的操控帶來挑戰，但也可用于構建極為靈敏的傳感器，例如針對電磁場、壓力、時間、加速度與重力的測量，進而支持新型導航系統與陀螺儀的開發。量子效應還支持開發分辨率與噪聲抑制能力更佳的新型成像設備（“量子增強成像”），在臨床診斷領域具有應用前景。
量子計算：量子客體的狀態可作為量子比特（qubit）執行計算操作，類比經典計算機中晶體管產生的1或0比特。與經典計算機不同，量子比特可借助疊加同時處于所有狀態的組合，并通過糾纏相互關聯。這使量子計算機能夠處理經典計算機或超級計算機難以勝任的某些計算問題，例如材料科學、藥物發現與密碼學領域的問題。
量子通信：量子技術正被用于在數據網絡上構建安全通信。加密數據以標準經典比特（0或1）發送，而解密密鑰則以量子比特形式發送——即通過光纖分發的糾纏光子。這一過程稱為量子密鑰分發（QKD），光子的偏振態代表密鑰的各個比特值。借助量子糾纏與疊加，對密鑰分發的竊聽攔截難以逃過發送方或接收方的察覺。
量子技術中的常用量子客體
目前有多種微觀元件被開發用作量子客體或量子比特，各自依據具體應用具有不同的優勢與挑戰，其中許多需要先進激光系統實現其創建、控制與操縱。
納米線量子比特：將半導體納米線夾于兩個超導體之間，構成可控約瑟夫森結。納米線量子比特是構建量子計算機的主要候選技術之一，但對噪聲極為敏感，維持量子相干性具有挑戰，須借助復雜的方案冷卻至接近絕對零度以獲得足夠的相干性；隨著量子比特數量擴展，電氣布線亦日趨復雜。拓撲量子比特是其特殊類型：安裝在半導體襯底上的超導納米線在磁場與電場作用下轉變為一種新的拓撲物質相。
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，如原子空位或雜質。此類缺陷的自旋態具有量子特性，可用特定波長（通常在可見光范圍）的精確控制激光束尋址。常用的缺陷包括金剛石中的空位，如氮空位（NV色心）、鍺空位（GeV色心）與錫空位（SnV色心），以及碳化硅（SiC）中的多種缺陷（如硅空位色心）。色心量子比特對環境高度敏感，適合構建用于電磁場、溫度與壓力測量的高靈敏度傳感器。
光子量子比特：光子天然是量子客體，尤其適合在長距離上傳輸量子信息。糾纏光子可通過光學非線性材料中的自發參量下轉換（SPDC）產生，用于量子通信網絡中的量子密鑰分發以及量子增強成像技術（例如以一束光子探測物體，而在另一波長的糾纏光束中對其成像）。光子還可在單光子水平上產生、控制與探測偏振、相位等量子特性以執行量子計算操作，此類操作可在光子集成電路（PIC）平臺上實現。
中性原子與離子量子比特：原子與離子在被囚禁并冷卻至超冷（低溫）溫度后，可作為量子客體穩定工作，其創建、控制與應用高度依賴激光技術。
光學囚禁：緊密聚焦的激光束可在光學偶極阱中捕獲原子（“原子囚禁”或“光學鑷子”）。若激光波長相對原子共振頻率紅移，原子將被吸引至光強最高的光束焦點中心。利用多束交叉激光形成強度峰谷相間的干涉圖樣，可在一維、二維或三維構建“光學晶格”原子阱。帶電原子（離子）則可囚禁于非光學的電磁場中。
激光冷卻：原子云可在磁光阱（MOT）中囚禁與冷卻。磁光阱由四極磁場與成對布置的六臺激光器構成，形成三組正交對向傳播的激光束，在磁場為零的中心交匯。磁場產生依賴于原子位置的回復力以束縛原子；激光束則通過動量交換或以光泵浦將原子送入能量較低的特定量子態，實現減速冷卻。若將激光頻率精細調諧至略低于原子共振，朝光束運動的原子會因多普勒頻移（“多普勒冷卻”）更易進入共振并吸收光子及其動量，產生減速效應。為實現超越多普勒冷卻極限的冷卻，還采用拉曼冷卻與邊帶冷卻等機制。冷卻過程中通常還需一束獨立激光將原子“重泵浦”至冷卻機制有效的狀態。
量子計算中的應用：囚禁并冷卻為可控量子比特后，原子或離子即可執行計算操作。原子被激發至里德堡態，產生強的長程量子相干相互作用，進而支持量子邏輯門操作的實現；隨后以激光初始化量子比特的狀態變化（提供邏輯輸入），并通過熒光成像讀取計算結果。常用的原子與離子包括鐿（Yb）、銣（Rb）、鍶、鋇（Ba）與銫。
光學量子鐘：超冷原子或離子的能級躍遷可提供極為精確的光學頻率基準。將窄線寬激光束鎖定于此類原子躍遷（囚禁于光學晶格中），并借助光學頻率梳（通常為飛秒激光器）將激光的太赫茲量級光學頻率轉換為可測量的吉赫茲頻率，即可實現極為精確的時間測量，精度較工作在微波波段的標準原子鐘可提高100倍以上。常用的光鐘原子及相應激光波長為鐿（578 nm）與鍶（698 nm）。
相關研究
相關內容見諸Laser Focus World（2020，寬調諧激光器面向量子研究）、Physics Views（2020，可調諧光助力量子探索）、Photonics Spectra（2020，量子傳感新工具）與Physics World（2020，面向新型色心的激光器）等期刊，以及SPIE會議報告（寬調諧連續波光學參量振蕩器）、量子傳感白皮書與發表于IOP期刊的色心光致發光激發光譜等研究論文。
相關產品
Cobolt 06-01系列為緊湊型二極管激光器與二極管泵浦激光器模塊，覆蓋515 nm、520 nm、532 nm等多種波長，具備快速、精確且高開關比的強度調制能力，適用于色心量子比特（如NV色心）的控制與讀出。
C-WAVE系列為寬調諧單頻連續波激光器，覆蓋可見光至近紅外光譜，輸出功率可超過1 W，適用于色心與晶格缺陷研究。
Cobolt Qu-T系列為具備快速調諧與鎖定能力的緊湊型單頻激光器，中心波長在700–850 nm范圍內具有較大靈活性，輸出功率可達500 mW，適用于原子冷卻。
Ampheia光纖激光系統為高功率超低噪聲單頻光纖激光系統，1064 nm輸出功率可達50 W，532 nm可達5 W，適用于原子囚禁與光學晶格。
