Квантовые состояния света

Квантование электромагнитного поля приводит к появлению фотонов и таких состояний, как когерентный, фоковский, сжатый и запутанный свет, не имеющих классических аналогов.

Definition

Состояния, доступные квантованному электромагнитному полю, характеризующиеся распределением числа фотонов, когерентными свойствами и квантовыми корреляциями, включая когерентные, фоковские, сжатые и запутанные состояния.

Scope

Эта тема охватывает квантовое описание светового поля и его состояний. Она включает квантование мод поля как гармонических осцилляторов, фоковские состояния (состояния с определённым числом фотонов), когерентные состояния, наиболее похожие на классический свет, и неклассические состояния, такие как сжатый свет с уменьшенными флуктуациями в одной квадратуре и запутанные пары фотонов. Рассматривается статистика фотонов и различие между субпуассоновским, пуассоновским и суперпуассоновским светом, функция когерентности второго порядка, антигруппировка как признак одиночных фотонов, а также роль этих состояний в квантовой информации и метрологии.

Core questions

• Как электромагнитное поле квантуется в фотоны?
• Что отличает когерентные, фоковские, сжатые и запутанные состояния?
• Как статистика фотонов раскрывает квантовую природу света?
• Что делает состояние света неклассическим?

Key concepts

• квантование поля
• фотон
• когерентное состояние
• фоковское состояние
• сжатый свет
• запутанные фотоны
• антигруппировка фотонов
• когерентность второго порядка

Key theories

Квантование поля и фоковские состояния

Каждая мода электромагнитного поля квантуется как гармонический осциллятор, чьи кванты возбуждения являются фотонами; фоковские состояния имеют определённое число фотонов, в то время как когерентные состояния представляют собой суперпозиции с минимальной неопределённостью, которые ведут себя наиболее похоже на классические волны.

Неклассический свет: сжатие и запутанность

Сжатые состояния перераспределяют квантовый шум ниже стандартного предела в одной квадратуре за счёт увеличения его в сопряжённой квадратуре, а запутанные пары фотонов обладают корреляциями, более сильными, чем у любых классических полей, что позволяет использовать их в квантовой метрологии и информации.

Clinical relevance

Неклассический свет обещает улучшения в биомедицинской визуализации и зондировании: сжатый свет позволяет проводить оптические измерения ниже классического предела шума, а запутанные фотоны исследуются для низкодозовой и улучшенной по разрешению визуализации деликатных биологических образцов.

History

Квантовая теория оптической когерентности Глаубера 1963 года, отмеченная Нобелевской премией по физике 2005 года, заложила основу когерентных состояний и корреляционных функций, используемых для классификации света. Мандель, Вольф и другие разработали экспериментальное изучение статистики фотонов, а генерация сжатого и запутанного света последовала в 1980-х годах.

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

Что такое сжатый свет?

Сжатый свет — это квантовое состояние, в котором неопределённость одной квадратуры поля уменьшена ниже обычного вакуумного уровня за счёт увеличения неопределённости в сопряжённой квадратуре, что позволяет проводить измерения с меньшим шумом в сжатой переменной.

Как свет может быть запутанным?

Некоторые нелинейные процессы генерируют пары фотонов, свойства которых, такие как поляризация или время прихода, коррелированы таким образом, что это не может быть объяснено независимыми классическими состояниями, поэтому измерение одного фотона мгновенно ограничивает свойства другого.