Подготовка вакуумного состояния ЭМ поля

У меня есть некоторое эвристическое представление о подготовке состояния в квантовой механике. Это может вращаться вокруг идеи использования фильтров, охлаждения/нагрева, установки типа Штерна-Герлаха и т. д. Однако как подготовить основное состояние квантового поля (хотя бы приблизительно, не обязательно глобальный вакуум)? Для теории невзаимодействия это так же просто, как «создать вакуумную камеру»? Я обнаружил, что это странно, если это так, потому что я не смогу сказать, нахожусь ли я в электромагнитном вакууме, взаимодействующем вакууме или вообще в классическом вакууме.

Кажется, я нигде не могу найти этот ответ, хотя я думал, что состояние вакуума является одним из самых важных состояний в КТП. Одно из возможных предположений, которые у меня были, заключалось в том, что состояние вакуума было просто концептуальной вещью, которая должна существовать, но не нужна эмпирически, поскольку процессы измерения могут не включать вакуум (например, физика элементарных частиц в основном заботится о рассеянии). Но я честно не знаю.

Я не уверен в ответе, но не могли бы вы перефразировать (или объяснить более подробно), какое состояние вы имеете в виду? Я имею в виду, что если основное состояние является фактическим основным состоянием, то у вас нет поля (т.е. частицы); это отличается от наличия частицы и ее подготовки в определенном квантовом состоянии, как вы описали.
Вот пример различия между электромагнитным вакуумом и возбужденным полем (одиночный фотон) в микроволновом фотонном резонаторе: nature.com/articles/nature05589
@Helen Основное состояние электромагнитного поля должно быть единицей, на языке частиц, в котором нет «фотона», то есть состояния вакуума. Я предполагаю, что поля не взаимодействуют. Это основное состояние теории. В QM все немного иначе; основное состояние атома водорода не означает, что у меня нет атома водорода.
@wcc Мне придется это прочитать. Спасибо за ссылку!

Ответы (1)

Я могу дать ответ только с точки зрения экспериментальной квантовой оптики (т.е. низкоэнергетического предела КЭД):

Как только вы определили конкретную моду электромагнитного поля (например, в резонаторе или какую-либо пространственно-временную моду) и применили обычную процедуру «канонического квантования», вы смотрите на более или менее большое гильбертово пространство (формально эквивалентно более или менее большому набору гармонических осцилляторов). Тогда «вакуумное состояние» — это просто состояние, в котором нет возбуждения, т. е. в числовой основе вы бы просто написали | 0 ⟩ , в случае одиночного режима.

Экспериментально, когда вы находитесь в темной комнате, состояние вакуума является очень хорошим приближением к «истинному квантовому состоянию» почти любых мод, которые можно определить в оптическом режиме, поскольку подавляющее большинство мод не содержат фотонов (как вы понимаете). можно даже догадаться по вашему визуальному впечатлению). Это верно даже в светлой комнате :D, существует огромное количество способов, которыми может колебаться электромагнитное поле.

Если вы переходите к более низким энергиям, таким как микроволновый режим (или более горячая среда), приближение уже не так хорошо. В тепловом равновесии поле лучше всего описывается тепловым состоянием, когда вы, как экспериментатор, имеете минимальную информацию о квантовом состоянии, вы знаете только один параметр поля излучения, а именно его температуру (определяющую среднее число квантов в определенный режим).

Итак, если вы хотите экспериментально «подготовить» поле излучения (или его одиночную моду) в вакуумном состоянии | 0 ⟩ , вам не нужно принимать сумасшедшие меры на оптических частотах, вы получаете состояние вакуума бесплатно (что является чистым квантовым состоянием! Это действительно очень полезно для всей квантовой оптики). Но при следующем приказе вашим главным врагом будет практически черное излучение окружающей среды. Таким образом, одним из вариантов улучшения ситуации было бы буквальное охлаждение стен полости с помощью холодильника.

Так что это почти не имеет ничего общего с тем, что кто-то эвакуирует воздух из камеры.

Это тот ответ, который я ищу, но я думаю, что пропустил несколько прыжков. (1) почему оптический режим является хорошим приближением для вакуума? Я получаю большую часть гильбертова пространства, но если бы я сначала прочитал КТП, я бы подумал, что темная комната сильно отличается от светлой комнаты. Есть ли способ сделать это бетоном? (2) Используете ли вы одномодовое приближение (т.е. вакуум = вакуум в этом режиме)?
(1) На оптических частотах (некоторые 5 ⋅ 10 14 Гц) вероятность того, что мода термически возбуждена, просто очень мала. Это можно получить из распределения Бозе-Эйнштейна, но вы можете почувствовать, насколько это маловероятно, сравнив энергию кванта света ( ℏ ю ~ 2 эВ) к тепловой энергии на степень свободы ( к Б Т ~ 1/40 эВ). (2) По существу с тем же качеством приближения мы находимся в состоянии глобального вакуума, т.е. | 0 ⟩ ⊗ | 0 ⟩ ⊗ . . . . Фотонов так мало (даже если ваш глаз видит довольно много) по сравнению с огромным количеством мод...
В качестве упражнения вы можете попытаться вычислить скорость фотонов, падающих на 1 м² поверхности земли от яркого солнечного света (предположим, что Солнце является излучателем абсолютно черного тела при температуре 5800 К) в окне 10 МГц вокруг длины волны гелий-неонового лазера 633 нм, и сравните его с количеством фотонов, которые излучает гелий-неоновый лазер мощностью несколько мВт.
Спасибо за гайды, как-нибудь попробую. И последнее: когда вы говорите «принимать сумасшедшие меры на оптической частоте», вы имеете в виду, что я провожу эксперименты с оптическим резонатором? И тогда, если я хочу сделать это в микроволновом режиме, мне нужно использовать микроволновый резонатор? (Я не квантовый оптик, но я предполагаю, что некоторый резонанс используется для фильтрации всех других не относящихся к делу частот) Извините, но, будучи теоретиком, я действительно хочу получить лучшую экспериментальную интуицию.
@Everiana, да, вы используете оптическую полость (пару зеркал) для оптических фотонов и микроволновую полость для микроволновых фотонов. Очевидно, что из-за огромной разницы в длинах волн микроволновый резонатор обычно больше оптического резонатора. В экспериментах по квантовой оптике микроволновые резонаторы сделаны из сверхпроводников (для очень высокой добротности), и я полагаю, что низкая рабочая температура имеет дополнительное преимущество, заключающееся в уменьшении утечки излучения черного тела в модовый объем.
Подготовка вакуумного состояния ЭМ поля
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v