光的量子态

电磁场的量子化产生了光子和一些没有经典对应物的状态，例如相干光、数态光、压缩光和纠缠光。

Definition

量子化电磁场可用的状态，其特征在于光子数分布、相干特性和量子关联，包括相干态、数态、压缩态和纠缠态。

Scope

本主题涵盖光场及其状态的量子描述。它包括将场模式量子化为谐振子、光子数（福克）态、最类似于经典光的相干态，以及非经典态，例如在某个正交分量中波动减小的压缩光和纠缠光子对。它讨论了光子统计以及亚泊松、泊松和超泊松光的区别、二阶相干函数、作为单光子特征的反聚束，以及这些状态在量子信息和计量学中的作用。

Core questions

• 电磁场是如何量子化为光子的？
• 相干态、数态、压缩态和纠缠态有何区别？
• 光子统计如何揭示光的量子性质？
• 光的非经典态有何特点？

Key concepts

• 场量子化
• 光子
• 相干态
• 数态
• 压缩光
• 纠缠光子
• 光子反聚束
• 二阶相干

Key theories

场量子化和光子数态

电磁场的每个模式都被量子化为一个谐振子，其激发量子是光子；数态具有确定的光子数，而相干态是最小不确定度叠加态，其行为最像经典波。

非经典光：压缩和纠缠

压缩态以牺牲另一个正交分量为代价，将一个正交分量中的量子噪声重新分配到低于标准极限，而纠缠光子对共享的关联比任何经典场都强，从而实现了量子计量学和信息学。

Clinical relevance

非经典光有望改善生物医学成像和传感，其中压缩光能够将光学测量推至低于经典噪声极限，而纠缠光子则被探索用于脆弱生物样本的低剂量和增强分辨率成像。

History

格劳伯于1963年提出的光相干量子理论（因2005年诺贝尔物理学奖而获得认可）建立了相干态和用于分类光的关联函数的框架。曼德尔、沃尔夫等人发展了光子统计的实验研究，而压缩光和纠缠光的产生则在20世纪80年代随之而来。

Key figures

• Roy J. Glauber
• Leonard Mandel
• Emil Wolf

Seminal works

• loudon2000
• glauber1963

Frequently asked questions

什么是压缩光？

压缩光是一种量子态，其中一个场正交分量的不确定性降低到低于通常的真空水平，但代价是共轭正交分量的不确定性增加，从而允许在压缩变量中进行噪声更小的测量。

光是如何纠缠的？

某些非线性过程会产生光子对，其特性（例如偏振或到达时间）以一种无法用独立的经典状态解释的方式相关联，因此测量一个光子会立即限制另一个光子。