Квантовая природа лазерного излучения
Фаза Гуи для квантового света не только отличается от своего классического аналога, ее происхождение может быть связано с другим квантовым состоянием.
Группа исследователей из Университета Тампере в Финляндии изучает аномальное поведение сфокусированных световых полей — эффект физики оптических волн — в квантовом свете. И они показали, что квантовый свет с четко определенным числом фотонов ведет себя иначе, чем классические сфокусированные лазерные лучи. Это дает новое представление о явлениях и позволяет проводить сверхчувствительные измерения расстояний.
После того, как было показано, что определенные преобразования пар фотонов могут создавать интригующие квантовые состояния между поперечными структурами световых лучей, исследователи исследовали, могут ли они создать квантовое состояние в пределах одного луча света, чтобы этот луч можно было использовать для квантово-усиленных измерений различных параметров.
«Наша первоначальная работа привела к квантово-усиленным измерениям вращения, и, изучая, как эту концепцию можно распространить на продольные и поперечные смещения, мы поняли, что в продольном случае фаза Гуи может быть движущей силой этих измерений». — говорит Маркус Хиеккамяки, докторант группы экспериментальной квантовой оптики физического отделения. «Изучив соответствующую литературу, мы обнаружили, что никто на самом деле не исследовал влияние фазы Гуи на многофотонные квантовые состояния, и это побудило нас исследовать это явление более подробно».
Изучение световых волн в квантовой области
Первым из трех основных основных явлений является фаза Гуи, фазовая аномалия волн, возникающая при фокусировке луча света. «Мы решили исследовать эту фундаментальную особенность волн в квантовой среде, квантовой фазе Гуи», — говорит Хиеккамяки.
Вторая концепция, которую они использовали в своем эксперименте, — это группирование фотонов, также известное как Вмешательство Хонга-У-Манделя. По сути, это означает, что фотоны предпочитают находиться в одном и том же состоянии из-за своей бозонной природы. «Эффект объединения фотонов в одни и те же пространственные моды позволяет нам генерировать квантовые состояния с требуемым числом фотонов», — говорит он.
И последняя важная концепция — повышенная фазовая характеристика таких состояний, которая позволяет исследователям разрешить более быструю и сложную эволюцию квантового состояния из-за квантовой фазы Гуи.
В квантовой области исследователи обнаружили ускорение аномального поведения по сравнению с классическим светом. А благодаря поведению фазы Гуи, которое можно использовать для определения расстояния, на которое распространился луч света, ускорение квантовой фазы Гуи может помочь повысить точность измерения расстояний.
Примечательно, что исследователи обнаружили, что связь между эволюцией классической моды электромагнитного излучения и связанными с ней квантовыми состояниями может быть довольно прямой, но мощной. «Наши фотоны просто распространяются через фокус, но такая простая линейная эволюция добавила к обсуждению более чем одной фундаментальной темы, а также предоставила инструмент для возможного будущего применения квантовых состояний структурированного света», — говорит Хиеккамяки.
Самым удивительным аспектом этой работы для Хиеккамяки является то, что эволюция состояний числа N фотонов так похожа на «N-ю гармонику» основной моды. «Хотя простое уменьшение длины волны светового поля не точно моделирует эволюцию, если мы также увеличим порядок поперечных мод и отрегулируем размер луча, классическое световое поле будет вести себя очень похоже на квантовое состояние», — говорит он.
Затем группа изучает новые методы измерения и характеристики сложных квантовых состояний множества фотонов, «которые, как мы надеемся, позволят нам улучшить инструменты, которые у нас есть для работы со структурированными квантовыми состояниями света, а также позволят проводить другие фундаментальные исследования», — говорит Хиеккамяки.