由于激光的发明，在上世纪60年代诞生了非线性光学。该学科主要研究介质在强相干光（如激光）作用下产生的非线性光学现象（主要包括物质光极化的基本规律、激光的产生、多波混频、光在非线性光学介质中的传播、受激布里渊与拉曼散射、超快和强场非线性光学效应及其应用等）。非线性光学理论处理的基本思想是，光场是经典电磁场，可由经典麦克斯韦方程组描述。

几乎在非线性光学发展的同时，人们意识到，非线性光学理论存在基本的缺陷，只适用于包含大量光子且量子效应很弱的光场。为了突破这一限制，人们对光场的量子效应开展研究，诞生了量子光学学科。量子光学理论处理的基本思想是，光场是量子化的电磁场，必须由量子化的麦克斯韦方程组描述。量子光学主要研究光的量子相干特性、光压缩态、单光子和纠缠光子的产生与操控、光量子传感与精密测量等。

由于理论处理的困难和实验技术的限制，传统量子光学主要研究尺寸较大的光学体系。对于这样的体系，光子的模体积大，从而光子之间的相互作用较弱。近年来，光学加工技术的发展使人们能够制作微米、纳米甚至更小尺寸的光学体系。对于这样的光学体系而言，光子之间的相互作用很强，特别对于需要使用超短光脉冲情形，体系对光场不仅在空间上而且在时间上都有很强的囚禁，其理论描述成为既有挑战性的问题，必须突破传统非线性光学和量子光学框架，建立发展新的非线性与量子光学理论。另外，由于超快光谱（用于实时观测电子态、振动态变化，推动化学、生物分子机制的研究等‌）与超快光学成像（用于实现皮秒级时间分辨的成像技术，用于生物医学或材料科学‌等）等的应用需求，也使得超快量子非线性光学成为十分迫切的研究课题，引起了人们的极大重视。

该方向拟主要开展超快量子非线性光学理论及其在量子信息处理中的应用研究。研究内容包括：

（1）发展超快量子非线性光学理论，特别是超快（多模）量子非线性光学的一般理论，重点建立发展量子约化微扰方法（量子多重尺度方法）；

（2）研究重要的微纳结构-光学微梳中的量子非线性光学效应，包括：光微梳中的耗散克尔孤子、孤子的量子扩散及其在量子存储、量子压缩等问题中的应用；

（3）研究超冷里德堡原子的量子非线性光学及其应用，包括高维非局域光孤子、高维光学怪波的不稳定性及其控制等。

学术带头人：黄国翔教授