[논문 리뷰] Electromagnetic fields, size, and copy of a single photon

Shanliang Liu|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 12.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 단일 광자의 전자기장 표현을 제안하며, 그 에너지, 운동량, 스핀 각운동량을 유도한다. 광자의 길이는 파장의 반으로, 반지름은 파장의 제곱근에 비례하며, 광자가 수소 원자를 이온화할 수 있는 조건은 반지름이 보어 반지름보다 작을 때에 한해 성립한다. 연구는 광자와 그 복제본이 π 위상 차이를 가진 위상-양자 얽힌 쌍을 이룬다는 것을 보여주며, 연속적인 자발적 방출이 포크 상태 n-광자 열차를 생성함으로써 양자광학과 고전 레이저 빛을 연결한다.

ABSTRACT

Photons are almost involved in each field of science and daily life of everyone. However, there are still some fundamental and puzzling questions such as what a photon is.The expressions of electromagnetic fields of a photon are here proposed. On the basis of the present expressions, we calculate the energy, momentum, and spin angular momentum of a photon, derive the relations between the photon size and wavelength, and reveal the differences between a photon and its copy. The results show that the present expressions properly describe the particle characteristics of a photon; the length of a photon is half of the wavelength, and the radius is proportional to square root of the wavelength; a photon can ionize a hydrogen atom at the ground state only if its radius is less than the Bohr radius; a photon and its copy have the phase difference of π and constitute a phase-entangled photon pair; the phase-entangled n-photon train results from the sequential stimulated emissions and belongs to the Fock state. A laser beam is an ensemble of the n-photon trains and belongs to the coherent state. The threshold power of a laser is equal to the power of the n-photon train. These provide a bridge between the wave theory of light and quantum optics and will further advance research and application of the related fields.

연구 동기 및 목표

• 단일 광자가 입자적 성질을 잘 반영하는 일관된 전자기장 기술을 개발하는 것.
• 광자의 물리적 크기를 파장과 반지름을 통해 규명하는 것.
• 광자와 그 양자 복제본 간의 차이, 특히 위상과 얽힘에서의 구분을 명확히 하는 것.
• 자발적 방출을 통해 레이저 빛을 포크 상태와 연결함으로써 고전파광학과 양자광학을 연결하는 다리를 구축하는 것.
• 레이저의 임계 출력을 포크 상태의 n-광자 열차의 출력과 동일시하는 것을 유도하는 것.

제안 방법

• 상대론적 및 양자장론적 고려에 기반해 단일 광자의 전자기장에 대해 특정한 수학적 형태를 제안한다.
• 유도된 장 표현을 사용해 표준 전자기학 및 양자역학적 적분을 통해 광자의 에너지, 운동량, 스핀 각운동량을 계산한다.
• 장 진폭 분포를 이용해 광자의 길이를 파장의 반으로, 반지름을 파장의 제곱근에 비례하도록 정의한다.
• 위상 뒤집힌 버전인 '복제본'을 개념적으로 도입하며, π 위상 차이를 가진 위상-얽힌 쌍을 형성한다.
• 연속적인 자발적 방출 과정을 n-광자 열차의 기원으로 모델링하며, 이들이 포크 상태에 속함을 보여준다.
• 레이저 빛이 이러한 n-광자 열차의 집합임을 증명하며, 이로 인해 코herent 상태에 속함을 보이며, 임계 출력이 단일 n-광자 열차의 출력과 일치함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광자의 물리적 크기는 무엇이며, 파장과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 광자의 전자기장 표현은 어떻게 에너지, 운동량, 스핀 각운동량을 설명하는가?
• RQ3 광자와 그 양자 복제본은 무엇으로 구별되며, 어떻게 얽힌 쌍을 이룬다?
• RQ4 연속적인 자발적 방출 과정은 어떻게 포크 상태 n-광자 열차를 생성하는가?
• RQ5 레이저의 임계 출력은 포크 상태의 n-광자 열차의 출력과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 단일 광자의 길이는 그 전자기장의 파장의 정확히 반이다.
• 광자의 반지름은 파장의 제곱근에 비례하며, 비례 상수는 장 진폭 프로파일에서 유도된다.
• 광자가 기본 상태의 수소 원자를 이온화할 수 있는 조건은 반지름이 보어 반지름보다 작을 때에 한해 성립하며, 이는 이온화 능력에 대한 물리적 한계를 제시한다.
• 광자와 그 복제본은 π 위상 차이를 가진 위상-얽힌 쌍을 형성하며, 양자 얽힌 빛의 기본 구성 요소가 된다.
• 연속적인 자발적 방출에 의해 생성된 n-광자 열차는 포크 상태이며, 레이저의 임계 출력은 이러한 열차의 출력과 일치한다.
• 레이저 빛은 이러한 n-광자 열차의 집합이므로 코herent 상태에 속하며, 파동 기술과 양자 기술의 통합을 이루게 된다.