如何通俗地解釋「壓縮光(Squeezed light)」?它在傳統通訊、量子通訊和加密技術中有何應用?


既然題主問了「壓縮光」,那麼我應該可以假設題主已經了解相干態(coherent state,實例:理想激光)的基礎定義(湮滅運算元本徵態,位移運算元,與福克態聯繫等等基礎內容)和數學性質(泊松分布,其期望值與方差,超完備基,不確定關係等等基礎內容)。

~~~~說「壓縮」之前得先知道「不壓縮」是怎樣的~~~~

不壓縮時也就是相干態啦。相干態是最小不確定態,在相空間的位置的中心是同樣相 	heta 和振幅 |alpha| 的經典振蕩器的位置和動量。這裡振幅 |alpha| 等於光子數標準差 Delta n = sqrt{langle n 
angle} 。不確定性向所有方向同性擴展,由直徑為1/2的圓盤表示。隨著相的增高相干態環繞原點盤旋,但是圓盤即不變形也不擴大。這是一個量子狀態在相空間中能夠最接近一個點的狀態。[維基]

相干態在相空間的圖示

圓盤在坐標軸上的投影給了在該物理量上的quantum noise的boundaries。當然,除了可以投影在直角坐標系(x, y)的兩個方向(也即位置和動量),也可以投影在極坐標系( |alpha|, 	heta )的兩個方向(上面所提到的振幅和相位)。 對於相干態來說,在兩個正交分量上的quantum noise是相等的。「非常理想的」激光可以近似視為相干態。

~~~~說說「壓縮」的情形~~~~

然後我們在極坐標系拍扁它。可以是在振幅上把它拍扁(下圖左圖),例如福克態(其光子數是確定的,所以相位極其不確定);也可以在相位上把它拍扁(中圖)。拍扁的途徑是各種非線性光學處理,例如SHG, OPO等。拍扁使得一個分量的quantum noise小於標準量子極限(sub shot noise),從而可以用於這個分量上的精密測量。

舉兩個栗子:

在振幅上壓縮時amplitude noise變小,這種光可以用於讀取非常微弱的光譜訊號;在相位上壓縮時phase noise變小,這種則可以用於干涉測量法中的超精密相位測量(例如干涉儀探測引力波)。

至於在量信上應用,我搬運一下維基的內容過來好了。

Recently, the use of squeezed states for quantum information processing in the continuous variables (CV) regime has been increasing rapidly [1].Continuous variable quantum optics uses squeezing of light as an essential resource to realize CV protocols for quantum communication, unconditional quantum teleportation and one-way quantum computing [2, 3]. This is in contrast to quantum information processing with single photons or photon pairs as qubits. CV quantum information processing relies heavily on the fact that squeezing is intimately related to quantum entanglement, as the quadratures of a squeezed state exhibit sub-shot-noise quantum correlations.

重點已粗體,其應用的原理還是基於noise的降低。

BTW, 所謂的「Recently」指的是十幾年前。。。_(:з」∠)_

[1] arXiv:quant-ph/0410100

[2] DOI: 10.1126/science.282.5389.706

[3] arXiv:0804.4468


相干態,比如激光,是最小不確定態,指相位和振幅的不確定度相同,所以在相空間中用圓點表示。而當相位和振幅的不確定度不等時,在相空間中是個壓縮的橢圓,稱為壓縮態。描述光的不確定度在一個自由度上變小時在另一個自由度上變大,但總的卻遵守著不確定性原理這種基本特性。


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