[论文解读] The quantum nature of light in high harmonic generation.

Maciej Lewenstein, Marcelo F. Ciappina+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文提供了高次谐波产生的首个严格量子电动力学描述，证明了驱动激光和产生的谐波均表现出相干量子态。研究揭示，谐波产生过程形成了一种介于薛定谔猫态与真实薛定谔猫态之间的叠加态，为强场物理和量子技术奠定了基础性量子框架。

ABSTRACT

High-harmonic generation is one of the most fundamental processes in strong laser-field physics that has led to countless achievements in atomic physics and beyond. However, a rigorous quantum electrodynamical picture of the process has never been reported. Here, we prove rigorously and demonstrate experimentally that the quantum state of the driving laser field, as well as that of harmonics, is coherent. Projecting this state on its part corresponding to harmonic generation, it becomes a superposition of a state, amplitude-shifted due to the quantum nature of light, and the initial state of the laser. This superposition interpolates between a Schrodinger kitten, and a genuine Schrodinger cat state. This work opens new paths for ground-breaking investigations in strong laser-field physics and quantum technology. We dedicate the work to the memory of Roy J. Glauber, the inventor of coherent states.

研究动机与目标

• 建立高次谐波产生过程的严格量子电动力学框架，该过程是强激光场物理中的核心内容。
• 研究高次谐波产生过程中驱动激光场与生成谐波的量子本质。
• 确定系统量子态是否演化为类似于薛定谔猫态的叠加态。
• 弥合强场物理中半经典模型与完整量子描述之间的差距。

提出的方法

• 应用量子电动力学，对高强度激光场与原子介质在高次谐波产生过程中的相互作用进行建模。
• 将系统的完整量子态投影到与谐波产生相关的子空间，以分离出相关的量子动力学。
• 将所得态分析为初始激光态与由于光的量子本质引起的振幅位移版本的叠加态。
• 通过理论分析与实验验证，确认生成量子态的相干性与纠缠特性。
• 采用相干态与量子叠加态的形式体系，将所得态表征为介于薛定谔猫态与真实薛定谔猫态之间的插值态。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高次谐波产生过程中，激光场与生成谐波的真实量子态是什么？
• RQ2 高次谐波产生过程是否生成具有猫态特征的叠加态？
• RQ3 光的量子本质如何影响生成谐波的振幅与相干性？
• RQ4 生成态在多大程度上类似于薛定谔猫态，又在多大程度上是真正的薛定谔猫态？

主要发现

• 驱动激光场与生成谐波的量子态被证实为相干态，与量子电动力学的预测一致。
• 谐波产生过程导致一种介于薛定谔猫态与真实薛定谔猫态之间的叠加态。
• 由于光的内在量子本质，系统表现出可实验验证的量子振幅位移。
• 系统的量子态并非单纯的经典叠加，而是一种具有可测量量子特征的非经典叠加。