Estados Quânticos da Luz

A quantização do campo eletromagnético produz fótons e estados como luz coerente, de número, comprimida (squeezed) e emaranhada, sem contraparte clássica.

Definition

Os estados disponíveis para o campo eletromagnético quantizado, caracterizados por suas distribuições de número de fótons, propriedades de coerência e correlações quânticas, incluindo estados coerentes, de número, comprimidos (squeezed) e emaranhados.

Scope

Este tópico abrange a descrição quântica do campo de luz e seus estados. Inclui a quantização dos modos de campo como osciladores harmônicos, estados de número de fótons (Fock), estados coerentes que mais se assemelham à luz clássica, e estados não clássicos como luz comprimida (squeezed) com flutuações reduzidas em uma quadratura e pares de fótons emaranhados. Trata da estatística de fótons e da distinção entre luz sub-Poissoniana, Poissoniana e super-Poissoniana, a função de coerência de segunda ordem, o antibunching como uma assinatura de fótons únicos, e o papel desses estados na informação quântica e metrologia.

Core questions

• Como o campo eletromagnético é quantizado em fótons?
• O que distingue os estados coerentes, de número, comprimidos (squeezed) e emaranhados?
• Como a estatística de fótons revela a natureza quântica da luz?
• O que torna um estado de luz não clássico?

Key concepts

• quantização de campo
• fóton
• estado coerente
• estado de número
• luz comprimida (squeezed light)
• fótons emaranhados
• antibunching de fótons
• coerência de segunda ordem

Key theories

Quantização de campo e estados de número de fótons

Cada modo do campo eletromagnético é quantizado como um oscilador harmônico cujos quanta de excitação são fótons; estados de número têm contagem de fótons definida, enquanto estados coerentes são superposições de incerteza mínima que se comportam mais como ondas clássicas.

Luz não clássica: compressão (squeezing) e emaranhamento

Estados comprimidos (squeezed) redistribuem o ruído quântico abaixo do limite padrão em uma quadratura à custa da outra, e pares de fótons emaranhados compartilham correlações mais fortes do que quaisquer campos clássicos, possibilitando metrologia e informação quântica.

Clinical relevance

A luz não clássica promete melhorias em imagem e sensoriamento biomédico, com a luz comprimida (squeezed) capaz de levar medições ópticas abaixo do limite de ruído clássico e fótons emaranhados sendo explorados para imagens de baixa dose e resolução aprimorada de amostras biológicas delicadas.

History

A teoria quântica da coerência óptica de Glauber, de 1963, reconhecida pelo Prêmio Nobel de Física de 2005, estabeleceu a estrutura dos estados coerentes e as funções de correlação usadas para classificar a luz. Mandel, Wolf e outros desenvolveram o estudo experimental da estatística de fótons, e a geração de luz comprimida (squeezed) e emaranhada seguiu na década de 1980.

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

O que é luz comprimida (squeezed light)?

Luz comprimida (squeezed light) é um estado quântico no qual a incerteza de uma quadratura de campo é reduzida abaixo do nível de vácuo usual, ao custo de um aumento da incerteza na quadratura conjugada, permitindo medições com menos ruído na variável comprimida.

Como a luz pode ser emaranhada?

Certos processos não lineares geram pares de fótons cujas propriedades, como polarização ou tempo de chegada, são correlacionadas de uma forma que não pode ser explicada por estados clássicos independentes, de modo que a medição de um fóton restringe instantaneamente o outro.