光の量子状態

電磁場を量子化すると、光子が生じ、古典的な対応物を持たないコヒーレント光、数状態光、スクイーズド光、エンタングルド光などの状態が生成されます。

Definition

量子化された電磁場が取りうる状態であり、その光子数分布、コヒーレンス特性、および量子相関によって特徴付けられます。これには、コヒーレント状態、数状態、スクイーズド状態、エンタングルド状態が含まれます。

Scope

このトピックでは、光場の量子記述とその状態について扱います。高調波振動子としての場モードの量子化、光子数（フォック）状態、古典光に最も類似するコヒーレント状態、および一方の直交位相成分におけるゆらぎが低減されたスクイーズド光やエンタングルド光子対などの非古典状態が含まれます。光子統計とサブポアソン、ポアソン、スーパーポアソン光の区別、二次コヒーレンス関数、単一光子の特徴としてのアンチバンチング、および量子情報と計測におけるこれらの状態の役割について論じます。

Core questions

• 電磁場はどのように光子に量子化されるのでしょうか？
• コヒーレント状態、数状態、スクイーズド状態、エンタングルド状態を区別するものは何でしょうか？
• 光子統計は光の量子性をどのように明らかにするのでしょうか？
• 光の状態を非古典的にするものは何でしょうか？

Key concepts

• 場の量子化
• 光子
• コヒーレント状態
• 数状態
• スクイーズド光
• エンタングルド光子
• 光子アンチバンチング
• 二次コヒーレンス

Key theories

場の量子化と光子数状態

電磁場の各モードは、その励起量子が光子である高調波振動子として量子化されます。数状態は明確な光子数を持つ一方、コヒーレント状態は古典的な波に最も近い振る舞いをする最小不確定性重ね合わせです。

非古典光：スクイージングとエンタングルメント

スクイーズド状態は、一方の直交位相成分における量子ノイズを標準限界以下に再分配し、その代償として他方の不確定性を増加させます。エンタングルド光子対は、いかなる古典場よりも強い相関を共有し、量子計測学と量子情報を可能にします。

Clinical relevance

非古典光は、生物医学イメージングおよびセンシングの改善を約束します。スクイーズド光は光学測定を古典的なノイズ限界以下に押し下げることができ、エンタングルド光子はデリケートな生体サンプルの低線量かつ高解像度イメージングのために研究されています。

History

2005年のノーベル物理学賞で認められたグラウバーの1963年の光コヒーレンスの量子論は、コヒーレント状態と光を分類するために使用される相関関数の枠組みを確立しました。マンデル、ウルフらは光子統計の実験的研究を発展させ、スクイーズド光とエンタングルド光の生成は1980年代に続きました。

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

スクイーズド光とは何ですか？

スクイーズド光は、一方の電場直交位相成分の不確定性が通常の真空レベル以下に低減され、その共役直交位相成分の不確定性が増加する量子状態であり、スクイーズされた変数においてノイズの少ない測定を可能にします。

光はどのようにしてエンタングルされるのですか？

特定の非線形過程によって、偏光や到達時間などの特性が独立した古典状態では説明できない方法で相関する光子対が生成されます。これにより、一方の光子を測定すると、もう一方の光子が瞬時に制約されます。