Các Trạng Thái Lượng Tử của Ánh Sáng

Lượng tử hóa trường điện từ tạo ra các photon và các trạng thái như ánh sáng kết hợp, trạng thái số lượng tử, ánh sáng nén và ánh sáng vướng víu mà không có đối tác cổ điển.

Definition

Các trạng thái có sẵn cho trường điện từ lượng tử hóa, được đặc trưng bởi phân bố số photon, tính chất kết hợp và tương quan lượng tử của chúng, bao gồm các trạng thái kết hợp, trạng thái số lượng tử, trạng thái nén và trạng thái vướng víu.

Scope

Chủ đề này bao gồm mô tả lượng tử của trường ánh sáng và các trạng thái của nó. Nó bao gồm lượng tử hóa các mode trường dưới dạng các dao động tử điều hòa, các trạng thái số photon (Fock), các trạng thái kết hợp giống ánh sáng cổ điển nhất, và các trạng thái phi cổ điển như ánh sáng nén với các dao động giảm trong một góc phần tư và các cặp photon vướng víu. Nó đề cập đến thống kê photon và sự phân biệt giữa ánh sáng dưới Poisson, Poisson và siêu Poisson, hàm kết hợp bậc hai, hiện tượng chống chụm (antibunching) như một dấu hiệu của các photon đơn lẻ, và vai trò của các trạng thái này trong thông tin lượng tử và đo lường lượng tử.

Core questions

• Trường điện từ được lượng tử hóa thành các photon như thế nào?
• Điều gì phân biệt các trạng thái kết hợp, trạng thái số lượng tử, trạng thái nén và trạng thái vướng víu?
• Thống kê photon tiết lộ bản chất lượng tử của ánh sáng như thế nào?
• Điều gì làm cho một trạng thái ánh sáng trở nên phi cổ điển?

Key concepts

• lượng tử hóa trường
• photon
• trạng thái kết hợp
• trạng thái số lượng tử
• ánh sáng nén
• photon vướng víu
• chống chụm photon
• tính kết hợp bậc hai

Key theories

Lượng tử hóa trường và các trạng thái số photon

Mỗi mode của trường điện từ được lượng tử hóa như một dao động tử điều hòa mà các lượng tử kích thích của nó là các photon; các trạng thái số lượng tử có số lượng photon xác định, trong khi các trạng thái kết hợp là các chồng chất bất định tối thiểu hoạt động giống sóng cổ điển nhất.

Ánh sáng phi cổ điển: nén và vướng víu

Các trạng thái nén phân phối lại nhiễu lượng tử dưới giới hạn tiêu chuẩn trong một góc phần tư với chi phí tăng bất định ở góc phần tư liên hợp, và các cặp photon vướng víu chia sẻ các tương quan mạnh hơn bất kỳ trường cổ điển nào, cho phép đo lường lượng tử và thông tin lượng tử.

Clinical relevance

Ánh sáng phi cổ điển hứa hẹn những cải tiến trong hình ảnh và cảm biến y sinh, với ánh sáng nén có khả năng đẩy các phép đo quang học xuống dưới giới hạn nhiễu cổ điển và các photon vướng víu được khám phá để chụp ảnh liều thấp và tăng cường độ phân giải của các mẫu sinh học tinh vi.

History

Lý thuyết lượng tử về tính kết hợp quang học của Glauber năm 1963, được công nhận bằng Giải Nobel Vật lý năm 2005, đã thiết lập khuôn khổ của các trạng thái kết hợp và các hàm tương quan được sử dụng để phân loại ánh sáng. Mandel, Wolf và những người khác đã phát triển nghiên cứu thực nghiệm về thống kê photon, và việc tạo ra ánh sáng nén và vướng víu đã diễn ra vào những năm 1980.

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

Ánh sáng nén là gì?

Ánh sáng nén là một trạng thái lượng tử trong đó sự bất định của một góc phần tư trường được giảm xuống dưới mức chân không thông thường, với chi phí tăng sự bất định ở góc phần tư liên hợp, cho phép các phép đo với ít nhiễu hơn trong biến nén.

Ánh sáng có thể bị vướng víu như thế nào?

Một số quá trình phi tuyến tính tạo ra các cặp photon có các thuộc tính, chẳng hạn như phân cực hoặc thời gian đến, được tương quan theo cách không thể giải thích bằng các trạng thái cổ điển độc lập, do đó việc đo một photon ngay lập tức ràng buộc photon kia.