[论文解读] Electromagnetic fields, size, and copy of a single photon

Shanliang Liu|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 14被引用 8

一句话总结

本文提出了一种单光子电磁场的新型表达式，推导出其能量、动量和自旋角动量。研究显示，光子的长度为波长的一半，其半径与波长的平方根成正比，且只有当光子半径小于玻尔半径时，才能电离处于基态的氢原子。研究揭示，光子与其副本构成具有π相位差的相位纠缠对，而连续的受激辐射过程可产生Fock态n光子脉冲序列，从而将量子光学与经典激光束联系起来。

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.

研究动机与目标

• 开发一种一致的单光子电磁场描述，以捕捉其粒子性特征。
• 以波长和半径为基准，确定光子的物理尺寸。
• 阐明光子与其量子副本之间的区别，特别是相位和纠缠特性。
• 通过受激辐射将激光束与Fock态联系起来，建立经典波动光学与量子光学之间的桥梁。
• 推导激光的阈值功率，使其等价于n光子脉冲序列的功率。

提出的方法

• 基于相对论和量子场论的考量，提出单光子电磁场的特定数学形式。
• 利用推导出的场表达式，通过标准电磁学和量子力学积分计算光子的能量、动量和自旋角动量。
• 根据场振幅分布，将光子的长度定义为波长的一半，半径定义为与波长平方根成正比。
• 引入“光子副本”的概念，即相位反转的版本，具有π相位差，形成相位纠缠对。
• 将连续受激辐射过程建模为n光子脉冲序列的起源，证明此类脉冲序列属于Fock态。
• 证明激光束是此类n光子脉冲序列的集合，因此属于相干态，且其阈值功率与单个n光子脉冲序列的功率相等。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个光子的物理尺寸是什么？它与波长有何关系？
• RQ2 光子的电磁场表达式如何解释其能量、动量和自旋角动量？
• RQ3 光子与其量子副本有何区别？它们如何形成纠缠对？
• RQ4 连续受激辐射过程如何导致Fock态n光子脉冲序列的形成？
• RQ5 激光的阈值功率与Fock态中n光子脉冲序列的功率有何关系？

主要发现

• 单个光子的长度恰好为电磁场波长的一半。
• 光子的半径与波长的平方根成正比，比例常数由场振幅分布推导得出。
• 只有当光子半径小于玻尔半径时，才能电离处于基态的氢原子，这设定了电离能力的物理极限。
• 光子与其副本具有π相位差，形成量子纠缠光的基本构建单元。
• 通过连续受激辐射产生的n光子脉冲序列属于Fock态，且激光的阈值功率等于此类脉冲序列的功率。
• 激光束是这些n光子脉冲序列的集合，因此属于相干态，统一了光的波动与量子描述。