Как производится сжатый свет?

Сжатие лазерного света обычно связано с нелинейным взаимодействием, где характер взаимодействия зависит от интенсивности присутствующего света. Простой для понимания пример — удвоение частоты, при котором из лазера накачки берутся два фотона и испускается один фотон с удвоенной частотой.

Вы можете думать о входном луче как о потоке фотонов с некоторыми флуктуациями в «расстоянии» между фотонами вдоль луча. То есть в среднем вы будете получать, скажем, один фотон в какую-то единицу времени, но иногда два, а иногда ни одного.

Если вы направите этот луч в нелинейный кристалл для удвоения частоты, удвоение будет происходить только в те моменты, когда вы получаете два фотона в одну единицу времени. В этом случае два фотона удаляются из исходного луча и производят один фотон в выходном луче с удвоенной частотой.

Если вы посмотрите на прошедший свет, оставшийся во входном луче, вы обнаружите более низкие флуктуации интенсивности, потому что все двухфотонные мгновения были удалены. Таким образом, передаваемый пучок «сжимается по амплитуде». Не столь очевидно, что луч с удвоенной частотой имеет меньшие флуктуации интенсивности, но он также сжимается по амплитуде, потому что вы получаете фотоны только в то время, когда у вас было два фотона в исходном луче, и крайне маловероятно, что вы получите два из них в очень близкой последовательности (или четыре фотона исходного луча в одно мгновение). Таким образом, у вас будет более низкая интенсивность в сдвоенном луче, а также более низкие колебания.

Так, например, ваш входной луч может дать следующую последовательность чисел фотонов с шагом в одну единицу времени:

1112010112110120

Входной луч после удвоения кристалла будет выглядеть так:

1110010110110100

и удвоенный выходной луч будет выглядеть так:

0001000001000010

Оба они имеют более низкие флуктуации, чем исходное состояние.

Сжатый свет можно генерировать из света в когерентном состоянии или в состоянии вакуума с помощью определенных оптических нелинейных взаимодействий.

Например, оптический параметрический усилитель с вакуумным входом может генерировать сжатый вакуум с уменьшением шума одной квадратурной составляющей на порядок 10 дБ. Меньшая степень сжатия в ярком свете со сжатой амплитудой при некоторых обстоятельствах может быть получена с удвоением частоты. Сжатие также может возникать в результате взаимодействия атома со светом.

Ссылки: http://www.squeezed-light.de/body.html#generation

Сжатие можно определить как отношение неопределенностей в дисперсиях квадратурного оператора.

Что это значит?

Допустим, вы работаете в базисе когерентного состояния, теперь вы решили записать оператор аннигиляции фотона в виде суммы двух квадратур следующим образом:

$$\hat{x}=(\hat{a}e^{-i\phi }+c.c)/2, \hat{y}=(\hat{a}e^{-i\phi }-c.c)/2i$$ Работая с картиной Гейзенберга, мы можем определить сжатие как отношение дисперсий каждого из этих операторов при различных значениях выбранного параметра. При генерации гармоник эти операторы обычно параметризуются расстоянием распространения. $\zeta$, т.е. вы задаете вопрос "Какова величина сжатия после распространения световых полей на $\zeta$?» Вы также можете параметризовать время.

Дело в том, что ваша математическая картина должна иметь какое-то отношение к вашему эксперименту. В эксперименте$\langle\Delta\hat{x}^2\rangle,\langle\Delta\hat{y}^2\rangle$принимают значение сжатия числа фотонов и сжатия фазы. Насколько я понимаю, это осознание пришло в результате экспериментальной проверки.

Если установить начальную фазу$\phi =0$, то вы получите каноническое разложение$\hat{a}$оператор. Для любого другого значения фазы необходимо выполнить гетеродинное измерение, чтобы восстановить информацию о сжатии в обеих квадратурах.

Есть и другие интересные вопросы, которые можно задать об инвариантах этой системы, экспериментальном значении вращающегося/изменяющегося базиса, реконструкции квантового состояния формализмом Вигнера и т. д.

Надеюсь это поможет.

PS: Пожалуйста, имейте в виду, что этот ответ основан на моем ограниченном понимании. Я уверен, что кто-то еще может ответить более точным/подробным ответом.