สถานะควอนตัมของแสง

การหาปริมาณของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้เกิดโฟตอนและสถานะต่างๆ เช่น แสงแบบโคฮีเรนต์ (coherent), แสงแบบจำนวนโฟตอน (number), แสงแบบสควีซ (squeezed) และแสงแบบพัวพัน (entangled) ซึ่งไม่มีคู่เทียบในทางฟิสิกส์คลาสสิก

Definition

สถานะที่มีอยู่ในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกหาปริมาณ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะด้วยการกระจายจำนวนโฟตอน คุณสมบัติความสอดคล้องกัน และความสัมพันธ์เชิงควอนตัม รวมถึงสถานะโคฮีเรนต์ สถานะจำนวนโฟตอน สถานะสควีซ และสถานะพัวพัน

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมคำอธิบายเชิงควอนตัมของสนามแสงและสถานะของแสง รวมถึงการหาปริมาณของโหมดสนามในรูปของตัวแกว่งฮาร์มอนิก (harmonic oscillators), สถานะจำนวนโฟตอน (Fock states), สถานะโคฮีเรนต์ที่คล้ายคลึงกับแสงคลาสสิกมากที่สุด และสถานะที่ไม่ใช่คลาสสิก เช่น แสงแบบสควีซที่มีความผันผวนลดลงในควอดราเจอร์หนึ่ง และคู่โฟตอนพัวพัน นอกจากนี้ยังกล่าวถึงสถิติของโฟตอนและความแตกต่างระหว่างแสงแบบซับปัวซง (sub-Poissonian), ปัวซง (Poissonian) และซูเปอร์ปัวซง (super-Poissonian), ฟังก์ชันความสอดคล้องกันอันดับสอง (second-order coherence function), การต่อต้านการรวมกลุ่ม (antibunching) ในฐานะที่เป็นลักษณะเฉพาะของโฟตอนเดี่ยว และบทบาทของสถานะเหล่านี้ในข้อมูลควอนตัมและมาตรวิทยาควอนตัม

Core questions

• สนามแม่เหล็กไฟฟ้าถูกหาปริมาณเป็นโฟตอนได้อย่างไร?
• อะไรคือสิ่งที่ทำให้สถานะโคฮีเรนต์, สถานะจำนวนโฟตอน, สถานะสควีซ และสถานะพัวพันแตกต่างกัน?
• สถิติของโฟตอนเผยให้เห็นธรรมชาติเชิงควอนตัมของแสงได้อย่างไร?
• อะไรคือสิ่งที่ทำให้สถานะของแสงไม่เป็นคลาสสิก?

Key concepts

• การหาปริมาณสนาม
• โฟตอน
• สถานะโคฮีเรนต์
• สถานะจำนวนโฟตอน
• แสงแบบสควีซ
• โฟตอนพัวพัน
• การต่อต้านการรวมกลุ่มของโฟตอน
• ความสอดคล้องกันอันดับสอง

Key theories

การหาปริมาณสนามและสถานะจำนวนโฟตอน

แต่ละโหมดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าจะถูกหาปริมาณเป็นตัวแกว่งฮาร์มอนิก ซึ่งควอนตาของการกระตุ้นคือโฟตอน; สถานะจำนวนโฟตอนมีการนับโฟตอนที่แน่นอน ในขณะที่สถานะโคฮีเรนต์เป็นการซ้อนทับที่มีความไม่แน่นอนน้อยที่สุดซึ่งมีพฤติกรรมคล้ายคลื่นคลาสสิกมากที่สุด

แสงที่ไม่ใช่คลาสสิก: การสควีซและการพัวพัน

สถานะสควีซจะกระจายสัญญาณรบกวนควอนตัมใหม่ให้ต่ำกว่าขีดจำกัดมาตรฐานในควอดราเจอร์หนึ่ง โดยแลกกับการเพิ่มความไม่แน่นอนในควอดราเจอร์คู่ และคู่โฟตอนพัวพันมีความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งกว่าสนามคลาสสิกใดๆ ซึ่งช่วยให้สามารถทำมาตรวิทยาควอนตัมและข้อมูลควอนตัมได้

Clinical relevance

แสงที่ไม่ใช่คลาสสิกมีแนวโน้มที่จะปรับปรุงการถ่ายภาพและการตรวจจับทางชีวการแพทย์ โดยแสงแบบสควีซสามารถผลักดันการวัดทางแสงให้ต่ำกว่าขีดจำกัดของสัญญาณรบกวนแบบคลาสสิก และโฟตอนพัวพันกำลังถูกสำรวจเพื่อใช้ในการถ่ายภาพด้วยปริมาณรังสีต่ำและความละเอียดสูงขึ้นสำหรับตัวอย่างทางชีวภาพที่บอบบาง

History

ทฤษฎีควอนตัมของความสอดคล้องกันทางแสงของ Glauber ในปี 1963 ซึ่งได้รับการยอมรับจากรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2005 ได้วางรากฐานของสถานะโคฮีเรนต์และฟังก์ชันความสัมพันธ์ที่ใช้ในการจำแนกแสง Mandel, Wolf และนักวิจัยคนอื่นๆ ได้พัฒนาการศึกษาเชิงทดลองเกี่ยวกับสถิติของโฟตอน และการสร้างแสงแบบสควีซและแสงพัวพันตามมาในช่วงทศวรรษ 1980

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

แสงแบบสควีซคืออะไร?

แสงแบบสควีซคือสถานะควอนตัมที่ความไม่แน่นอนของควอดราเจอร์สนามหนึ่งลดลงต่ำกว่าระดับสุญญากาศปกติ โดยแลกกับการเพิ่มความไม่แน่นอนในควอดราเจอร์คู่ ซึ่งช่วยให้การวัดมีสัญญาณรบกวนน้อยลงในตัวแปรที่ถูกสควีซ

แสงสามารถพัวพันได้อย่างไร?

กระบวนการที่ไม่เป็นเชิงเส้นบางอย่างสร้างคู่โฟตอนที่มีคุณสมบัติ เช่น โพลาไรเซชันหรือเวลาที่มาถึง ซึ่งมีความสัมพันธ์กันในลักษณะที่ไม่สามารถอธิบายได้ด้วยสถานะคลาสสิกที่เป็นอิสระ ดังนั้นการวัดโฟตอนหนึ่งจึงจำกัดอีกโฟตอนหนึ่งได้ทันที