Квантовый шум - Quantum noise

В физика, квантовый шум относится к неопределенности физической величины, обусловленной ее квантовым происхождением. В определенных ситуациях квантовый шум выглядит как дробовой шум; например, большинство оптическая связь использовать амплитудная модуляция, и, таким образом, квантовый шум выглядит как дробовой шум Только. В случае неопределенности электрическое поле в некоторых лазеры квантовый шум - это не просто дробовой шум; неопределенности как амплитуды, так и фазы вносят вклад в квантовый шум. Этот вопрос становится актуальным в случае шума квантовый усилитель, который сохраняет фазу. Фазовый шум становится важным, когда энергия модуляция частоты или же фазовая модуляция волн сопоставима с энергией сигнала (который считается более устойчивым к аддитивному шуму, чем амплитудная модуляция).

Происхождение квантового шума

Квантовый шум может наблюдаться в любой системе, где традиционные источники шума (промышленный шум, вибрации, колебания напряжения в электросети, тепловой шум из-за Броуновское движение и т. д.) как-то подавляются. Тем не менее, в общем, квантовый шум можно рассматривать как ошибку описания любой физической системы в рамках классической (не квантовой) теории.[требуется разъяснение ] Разумно включить рассмотрение квантов, спонтанно появляющихся или исчезающих в пространстве-времени из-за самых основных законов сохранения, следовательно, ни одна область в пространстве-времени не лишена потенциального добавления или вычитания элемента квантов с наименьшим общим знаменателем, вызывающего "шум" в данный эксперимент. Это может проявляться как квантовая декогеренция в запутанной системе, обычно объясняемая температурными различиями в условиях, окружающих каждую запутанную частицу, которая считается частью запутанной системы. Так как запутанность интенсивно изучается на простых парах запутанных фотонов, например, декогеренция, наблюдаемая в этих экспериментах, вполне может быть синонимом «квантового шума» как источника декогеренции. например Если бы кванты энергии могли спонтанно возникать в данном поле, в области пространства-времени, тогда тепловые различия должны быть связаны с этим событием, следовательно, это вызвало бы декогеренцию в запутанной системе в непосредственной близости от события.[сомнительный – обсуждать] В электрической цепи случайные флуктуации сигнала из-за дискретного характера электронов можно назвать квантовым шумом.[1]Случайная ошибка интерферометрических измерений положения из-за дискретного характера фотонов, регистрируемых во время измерения, может быть отнесена к квантовому шуму. Даже неопределенность положения зонда в зондовая микроскопия частично может быть отнесен на счет квантового шума, хотя это не доминирующий механизм, определяющий разрешение такого устройства. В большинстве случаев квантовый шум относится к флуктуациям сигнала в чрезвычайно точных оптических системах со стабилизированными лазерами и эффективными детекторами.

Когерентные состояния и шум квантового усилителя

Несмотря на то что когерентные состояния могут быть реализованы в самых разнообразных физических системах, они в основном используются для описания состояния лазерного света. Хотя свет от лазера можно интерпретировать как классическую волну, генерация этого света требует языка квантовой механики и, в частности, использования когерентных состояний для описания системы. Для общего количества фотонов порядка 108, что соответствует очень умеренной энергии, относительная погрешность измерения интенсивности из-за квантового шума составляет всего порядка 10−5; это считается хорошей точностью для большинства приложений.

Квантовый шум становится важным при рассмотрении усиления слабого сигнала. Грубо говоря, квантовая неопределенность квадратурных составляющих поля усиливается так же, как и сигнал; результирующая неопределенность выглядит как шум. Это определяет нижний предел шума квантовый усилитель.

Квантовый усилитель - это усилитель, работоспособность которого близка к квантовому пределу. Минимальный шум квантового усилителя зависит от свойства входного сигнала, который воспроизводится на выходе. В узком смысле оптический квантовый усилитель воспроизводит как амплитуду, так и фазу входной волны. Обычно усилитель усиливает многие моды оптического поля; Требуются особые усилия, чтобы уменьшить количество этих режимов. В идеализированном случае можно рассматривать только одну моду электромагнитного поля, которая соответствует импульсу с определенным поляризация, определенная поперечная структура и определенное время прибытия, продолжительность и частота, с неопределенностями, ограниченными Принцип неопределенности Гейзенберга. Режим ввода может нести некоторую информацию об амплитуде и фазе; выходной сигнал имеет ту же фазу, но большую амплитуду, примерно пропорциональную амплитуде входного импульса. Такой усилитель называется фазоинвариантный усилитель.[2]

Математически квантовое усиление можно представить в виде унитарный оператор, что связывает состояние оптического поля с внутренними степенями свободы усилителя. Эта запутанность выглядит как квантовый шум; неопределенность поля на выходе больше, чем у когерентное состояние с той же амплитудой и фазой. Нижняя оценка этого шума следует из фундаментальных свойств операторы создания и уничтожения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ К. В. Гардинер и Питер Золлер, Квантовый шум, Springer-Verlag (1991, 2000, 2004)
  2. ^ Д. Кузнецов; Д. Рорлих; Р. Ортега (1995). «Квантовый предел шума фазоинвариантного усилителя». Физический обзор A. 52 (2): 1665–1669. arXiv:cond-mat / 9407011. Bibcode:1995PhRvA..52.1665K. Дои:10.1103 / PhysRevA.52.1665.

Источники

  • К. В. Гардинер и Питер Золлер, Квантовый шум: Справочник по марковским и немарковским квантовым стохастическим методам с приложениями к квантовой оптике, Springer-Verlag (1991, 2000, 2004).