[论文解读] Is a Single Photon Always Circularly Polarized? A Proposed Experiment using a Superconducting Microcalorimeter Photon Detector

Alan M. Kadin, Steven B. Kaplan|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 17被引用 4

一句话总结

本文提出一项使用超导微热量计（能量分辨率低于1 eV）的实验，旨在检验单个光子是否本质上为圆偏振态，或可存在线性偏振态。该方法通过高精度测量能量沉积，区分单光子与光子对，以解决关于光子自旋与偏振的基础性量子物理争议，若证实线性偏振光子为圆偏振态的叠加态，可能对量子纠缠与非定域性等核心概念构成挑战。

ABSTRACT

A single photon is well known to have spin S = hbar, which would correspond to circular polarization, and all quantum transitions with photon absorption or emission correspond to DeltaS = +/-hbar. However, it is also widely believed that a single photon may be linearly polarized, which would correspond to a state with S = 0. Indeed, linearly polarized single photons are central to most quantum entanglement experiments. On the contrary, it has recently been suggested (based on a realistic spin-quantized wave picture of quantum states) that a linearly polarized photon state must be a superposition of a pair of circularly polarized photons, each with S = +/-hbar. This question cannot be resolved using a conventional photon detector, which generally cannot distinguish one photon from two simultaneous photons. However, it can be addressed using a superconducting microcalorimeter detector with sub-eV energy resolution and high quantum efficiency (QE). A careful experiment demonstrating this photon pairing could place in question some of the paradoxical central foundations of modern quantum theory, including quantum entanglement and nonlocality.

研究动机与目标

• 检验光子偏振的根本性质，特别是单个光子是否始终为圆偏振态，或可为线性偏振态。
• 解决量子物理中长期存在的争议：线性偏振光子是否为自旋S = ±ħ的圆偏振态的叠加。
• 探究传统光子探测器因无法区分单光子与光子对，是否使量子纠缠与非定域性的解释产生疑问。
• 展示利用高分辨率超导微热量计通过单光子能量测量探测基础量子理论的可行性。
• 挑战线性偏振单光子为基本态的假设，提出其更可能是圆偏振光子的量子叠加态。

提出的方法

• 使用能量分辨率低于1 eV的超导微热量计，以高量子效率检测单个光子。
• 测量入射光子的能量沉积，以区分单个光子（能量E）与同时到达的两个光子（能量2E）。
• 用通过参量下转换或类似方法生成的受控线性偏振单光子源照射探测器。
• 分析能量谱，检测观测信号是否对应一个光子（能量E）或两个光子（能量2E），后者表明线性偏振态为两个圆偏振光子的叠加。
• 应用真实的自旋量化波模型解释结果，以光子自旋与偏振为依据。
• 利用探测器的高时间与能量分辨率，以最小歧义解析单个光子事件的量子本质。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个光子是否本质上为圆偏振态（自旋S = ħ），或可存在线性偏振态（自旋S = 0）？
• RQ2 能否通过实验表明线性偏振单光子态为两个圆偏振光子（各具S = ±ħ）的叠加态？
• RQ3 传统探测器无法分辨单光子事件与光子对，是否使量子纠缠与非定域性的关键假设失效？
• RQ4 具有低于1 eV能量分辨率的超导微热量计能否在单次探测事件中明确区分一个光子与两个光子？
• RQ5 若证实线性偏振光子为圆偏振光子态的叠加，对量子基础理论将产生何种影响？

主要发现

• 所提实验可利用低于1 eV的能量分辨率区分单光子与光子对，从而直接检验光子偏振的本质。
• 若探测器记录到能量E的线性偏振态，支持该态为两个自旋S = ±ħ的圆偏振光子叠加态的观点。
• 若检测到能量2E，则表明存在两个同时到达的光子，与线性偏振态为单一量子实体的假设相矛盾。
• 若证实线性偏振光子由两个圆偏振光子组成，该实验可能挑战量子纠缠与非定域性的基础作用。
• 结果将取决于能量沉积模式是否匹配单个光子或两个光子，从而为自旋量化波模型提供决定性检验。
• 若结果表明线性偏振光子非基本态，可能需重新评估将线性偏振单光子视为基本态的量子理论解释。