Quantenzustände des Lichts

Die Quantisierung des elektromagnetischen Feldes führt zu Photonen und Zuständen wie kohärentem Licht, Zuständen mit bestimmter Photonenzahl, gequetschtem Licht und verschränktem Licht, die keine klassische Entsprechung haben.

Definition

Die Zustände, die dem quantisierten elektromagnetischen Feld zur Verfügung stehen, charakterisiert durch ihre Photonenanzahlverteilungen, Kohärenzeigenschaften und Quantenkorrelationen, einschließlich kohärenter Zustände, Zustände mit bestimmter Photonenzahl, gequetschter Zustände und verschränkter Zustände.

Scope

Dieses Thema behandelt die quantenmechanische Beschreibung des Lichtfeldes und seiner Zustände. Es umfasst die Quantisierung von Feldmoden als harmonische Oszillatoren, Photonenzahl- (Fock-) Zustände, kohärente Zustände, die dem klassischen Licht am ähnlichsten sind, und nicht-klassische Zustände wie gequetschtes Licht mit reduzierten Fluktuationen in einer Quadratur sowie verschränkte Photonenpaare. Es behandelt die Photonenstatistik und die Unterscheidung zwischen sub-Poisson'schem, Poisson'schem und super-Poisson'schem Licht, die Kohärenzfunktion zweiter Ordnung, Antibunching als Signatur einzelner Photonen und die Rolle dieser Zustände in der Quanteninformation und Metrologie.

Core questions

• Wie wird das elektromagnetische Feld in Photonen quantisiert?
• Was unterscheidet kohärente Zustände, Zustände mit bestimmter Photonenzahl, gequetschte Zustände und verschränkte Zustände?
• Wie offenbart die Photonenstatistik die Quantennatur des Lichts?
• Was macht einen Lichtzustand nicht-klassisch?

Key concepts

• Feldquantisierung
• Photon
• kohärenter Zustand
• Photonenzustand
• gequetschtes Licht
• verschränkte Photonen
• Photonen-Antibunching
• Kohärenz zweiter Ordnung

Key theories

Feldquantisierung und Photonenanzahlzustände

Jede Mode des elektromagnetischen Feldes wird als harmonischer Oszillator quantisiert, dessen Anregungsquanten Photonen sind; Photonenanzahlzustände haben eine definierte Photonenzahl, während kohärente Zustände Minimum-Unsicherheits-Superpositionen sind, die sich am ehesten wie klassische Wellen verhalten.

Nicht-klassisches Licht: Quetschen und Verschränkung

Gequetschte Zustände verteilen das Quantenrauschen unter die Standardgrenze in einer Quadratur auf Kosten der anderen, und verschränkte Photonenpaare weisen Korrelationen auf, die stärker sind als die klassischer Felder, was Quantenmetrologie und -information ermöglicht.

Clinical relevance

Nicht-klassisches Licht verspricht Verbesserungen in der biomedizinischen Bildgebung und Sensorik, wobei gequetschtes Licht optische Messungen unter die klassische Rauschgrenze drücken kann und verschränkte Photonen für die Bildgebung empfindlicher biologischer Proben mit geringer Dosis und erhöhter Auflösung erforscht werden.

History

Glaubers Quantentheorie der optischen Kohärenz von 1963, die 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurde, etablierte den Rahmen der kohärenten Zustände und der Korrelationsfunktionen, die zur Klassifizierung von Licht verwendet werden. Mandel, Wolf und andere entwickelten die experimentelle Untersuchung der Photonenstatistik, und die Erzeugung von gequetschtem und verschränktem Licht folgte in den 1980er Jahren.

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

Was ist gequetschtes Licht?

Gequetschtes Licht ist ein Quantenzustand, bei dem die Unsicherheit einer Feldquadratur unter das übliche Vakuumniveau reduziert wird, auf Kosten einer erhöhten Unsicherheit in der konjugierten Quadratur, was Messungen mit weniger Rauschen in der gequetschten Variablen ermöglicht.

Wie kann Licht verschränkt sein?

Bestimmte nichtlineare Prozesse erzeugen Photonenpaare, deren Eigenschaften, wie Polarisation oder Ankunftszeit, auf eine Weise korreliert sind, die nicht durch unabhängige klassische Zustände erklärt werden kann, sodass die Messung eines Photons das andere sofort einschränkt.