量子系列(五):量子态光场—“薛定谔的猫”态
发布时间:2022-07-07 00:00:00 阅读次数:504

薛定谔的猫

 

 

薛定谔于1935年提出了后来被称为薛定谔的猫的佯谬,其大意为:设想一个盒子里装着一只猫,一个毒药瓶,一个放射源及一些传动装置,该放射源在每一秒的时间内有1/2的几率放射一个粒子,这个粒子通过一些传动装置将毒药瓶里的毒素释放,猫被毒死,而如果没有粒子放射,则猫仍然活着。
按照哥本哈根学派对于态函数的理解,我们可以设想用一个态函数  描写被关在盒子里的猫,我们先盖上盖子,经过一秒的时间,猫有1/2的几率活着,同样也有一半的几率死了。在我们没有打开盖子时,猫处于一种半死半活的状态。一旦我们掀开盖子,相当于“观测”猫的死活,我们只能看到一种状态,猫要么死了,要么活着,这相当于猫的两种不同的“本征态”,同样这也是“观测导致量子态塌缩”的表现。
薛定谔的本意是想用这个佯谬来说明测过程波包的收缩,而且这里的量子态是宏观的死猫和活猫的叠加态。

 

量子光学中的“薛定谔猫”态

 

 

现在所谓的“薛定谔猫”态(以下简称S-Cat态)的讨论在物理上有了更加明确的含义,不再像“死猫”和“活猫”这种容易引起争议的不可逆的生物学状态,沿用这个名字只是表达当初薛定谔的基本思想,并且使问题更加形象和通俗。
S-Cat态可以这样定义:具有宏观可区分的两个或者多个态的相干叠加。这里的“宏观”意指相干态是一种对应于经典波的量子态,所以宏观可区分可以理解为经典可区分。这里的可区分可以是光场相位不同,也可以是光场振幅的不同。
例如这样的量子态:
   
这个也是S-Cat态,其中是归一化常数,相干态与真空态具有振幅上的区别(也可以选择相位相差π的两个相干态),而且都是有经典波对应的态。这里还要注意的是定义中的“相干叠加”,是为了与混合态相区别。混合态是不具有相干性的量子态的相加,而S-Cat态的微妙之处,也是基于这样的相干性。
S-Cat态光场作为一个非经典光场,表现出存粹的量子行为,这种行为是经典理论不可能具有的,所以,在量子光学上制备S-Cat态将可以对量子力学的诸多预言进行实验验证。其次,态叠加原理是量子力学区别于经典力学的重要原理。这是一种几率幅的相加,而经典力学中只有几率发相加S-Cat态无一例外都是态的叠加,而且涉及的态都在经典极限下对应于经典单色波。这就是S-Cat态备受关注的原因—它同时具有量子和宏观两种特征。

量子光学S-Cat态的制备

 

 

  • 量子非破坏测量和反作用逃逸过程产生S-Cat态
量子非破坏测量(quantum nondemolition measurment,QND)和反作用逃逸(back-action-evading,BAE)是近年来量子光学上讨论很多的课题。QND测量是通过测量读出模的合适的正交分量,获得关于信号模的一个正交分量信息而又不破坏信号模待测的物理量。也可以通过测量读出模是光子数,在信号模中自然地产生S-Cat态。而在BAE中,是测量之后再对信号进行放大,通过信号模和读出模的关联,对读出模进行零拍测量,即可在信号模中产生S-Cat态。
  • 非线性过程产生S-Cat态
利用非谐振子哈密顿量、非线性双折射及非简并参量振荡来获得S-Cat态,此外,还有利用自相位调制的方法来产生。
  • 光场-原子相互作用产生S-Cat态
Brune等人通过弥散原子与场耦合来操纵腔内的光子数,从而达到制备S-Cat态的目的。共振J-C模型中也可以产生S-Cat态。
  • 量子开关制备S-Cat态
Davidovich等人讨论了一类量子开关,并利用两个量子开关实现了非定域微波场,在他们的方法中也可以实现S-Cat态。
  • 利用几何相位制备S-Cat态
Berry引进的几何相位,促进了大量的研究工作出现。Berry相位是一种纯属几何性质的拓扑相位,吴锦伟等人讨论了一种求几何相位的矩阵方法,指出了利用变质量谐振子制备S-Cat态。
 
 

参考文献:

[1]吴锦伟, 郭光灿. "薛定谔猫"──宏观量子叠加态[J]. 物理, 1995, 24(5):269-273.

[2] 张晓龙,郭光灿,彭堃墀,谢常德,物理进展,14-2 (1994),173

[3] B. Yurke and D.Stoler ,Phys.Lett.,57(1986),13.

[4] M.Brune et al.,Phys.Rev.A,45(1992),5193.

[5] L.Davidovich at al., Phys.Rev. Lett.,71(1993),2360.

[6] M. V. Berry, Proc. Roy. Soc.London A,392 (1984), 45.

 

 

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