États quantiques de la lumière

La quantification du champ électromagnétique produit des photons et des états tels que la lumière cohérente, les états de nombre de photons, la lumière comprimée (squeezed light) et la lumière intriquée, qui n'ont pas d'équivalent classique.

Definition

Les états accessibles au champ électromagnétique quantifié, caractérisés par leurs distributions de nombre de photons, leurs propriétés de cohérence et leurs corrélations quantiques, incluant les états cohérents, les états de nombre, les états comprimés (squeezed) et les états intriqués.

Scope

Ce sujet couvre la description quantique du champ lumineux et de ses états. Il inclut la quantification des modes du champ en tant qu'oscillateurs harmoniques, les états de nombre de photons (états de Fock), les états cohérents qui ressemblent le plus à la lumière classique, et les états non classiques tels que la lumière comprimée (squeezed light) avec des fluctuations réduites dans une quadrature et les paires de photons intriqués. Il aborde les statistiques de photons et la distinction entre la lumière sous-poissonienne, poissonienne et super-poissonienne, la fonction de cohérence du second ordre, l'antibunching (anti-regroupement) comme signature de photons uniques, et le rôle de ces états dans l'information quantique et la métrologie.

Core questions

• Comment le champ électromagnétique est-il quantifié en photons ?
• Qu'est-ce qui distingue les états cohérents, les états de nombre, les états comprimés (squeezed) et les états intriqués ?
• Comment les statistiques de photons révèlent-elles la nature quantique de la lumière ?
• Qu'est-ce qui rend un état de lumière non classique ?

Key concepts

• quantification du champ
• photon
• état cohérent
• état de nombre de photons
• lumière comprimée (squeezed light)
• photons intriqués
• anti-regroupement de photons (photon antibunching)
• cohérence du second ordre

Key theories

Quantification du champ et états de nombre de photons

Chaque mode du champ électromagnétique est quantifié comme un oscillateur harmonique dont les quanta d'excitation sont des photons ; les états de nombre ont un nombre de photons défini, tandis que les états cohérents sont des superpositions à incertitude minimale qui se comportent le plus comme des ondes classiques.

Lumière non classique : compression (squeezing) et intrication

Les états comprimés (squeezed states) redistribuent le bruit quantique en dessous de la limite standard dans une quadrature au détriment de l'autre, et les paires de photons intriqués partagent des corrélations plus fortes que tout champ classique, permettant la métrologie et l'information quantiques.

Clinical relevance

La lumière non classique promet des améliorations dans l'imagerie biomédicale et la détection, la lumière comprimée (squeezed light) étant capable de repousser les mesures optiques en dessous de la limite de bruit classique, et les photons intriqués étant explorés pour l'imagerie à faible dose et à résolution améliorée d'échantillons biologiques délicats.

History

La théorie quantique de la cohérence optique de Glauber de 1963, reconnue par le prix Nobel de physique en 2005, a établi le cadre des états cohérents et des fonctions de corrélation utilisées pour classer la lumière. Mandel, Wolf et d'autres ont développé l'étude expérimentale des statistiques de photons, et la génération de lumière comprimée (squeezed light) et intriquée a suivi dans les années 1980.

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

Qu'est-ce que la lumière comprimée (squeezed light) ?

La lumière comprimée (squeezed light) est un état quantique dans lequel l'incertitude d'une quadrature de champ est réduite en dessous du niveau de vide habituel, au prix d'une incertitude accrue dans la quadrature conjuguée, permettant des mesures avec moins de bruit dans la variable comprimée.

Comment la lumière peut-elle être intriquée ?

Certains processus non linéaires génèrent des paires de photons dont les propriétés, telles que la polarisation ou le temps d'arrivée, sont corrélées d'une manière qui ne peut être expliquée par des états classiques indépendants, de sorte que la mesure d'un photon contraint instantanément l'autre.