Происходит ли поляризация с одним фотоном?

Одиночные фотоны поляризованы.

Состояние циркулярно поляризованного фотона можно описать как квантово-механическую суперпозицию двух линейно поляризованных состояний. Обратите внимание, что это отличается от вашего описания двумя способами. Фотон образуется не из двух других фотонов, а из своего состояния . И эта комбинация является квантово-механической суперпозицией , которая не то же самое, что объединение вместе двух фотонов.

Круговые поляризации могут быть представлены как суперпозиции линейных поляризаций, а линейные поляризации могут быть представлены как суперпозиции круговых поляризаций. Это связано с тем, что линейная и круговая поляризации описывают один и тот же набор состояний фотонной поляризации , и вы можете разложить этот набор состояний либо на линейные, либо на круговые поляризации (формально мы говорим, что линейная и круговая поляризации образуют базис) .векторного пространства состояний поляризации). Это очень похоже на описание координатной плоскости в терминах двух разных наборов координат: например, вы можете описать полную координатную плоскость либо в обычных декартовых координатах, либо в декартовых координатах, повернутых на 45 градусов. Любая точка на плоскости имеет четко определенные координаты в обеих этих системах, и какая из них выбрана, во многом вопрос удобства.

Например, если вы намереваетесь измерить угловой момент фотонов, то базис круговой поляризации определенно будет лучше для работы, так как состояния левой и правой круговой поляризации имеют определенный угловой момент. Если, с другой стороны, вы намереваетесь измерить вероятность того, что фотон пройдет через линейный поляризатор, то вам будет лучше использовать базис линейной поляризации, совмещенный с поляризатором, поскольку базисные состояния имеют 100-процентное и 0-процентное вероятность прохождения через поляризатор соответственно.

Кроме того, суперпозиция не требует двух фотонов. Классическое определение суперпозиции (две волны складываются вместе, занимая одно и то же пространство) не описывает суперпозицию в том смысле, в каком мы понимаем ее в квантовой механике (где один объект может находиться в состоянии, которое невозможно выразить через определенное значение наблюдаемый).

Когда я впервые изучил квантовую механику, я прочитал это прекрасное объяснение в книге Дирака: см. стр. 14 этого pdf, http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/wasbleibt/57355817/57355817.pdf или стр. 4 в книга.

В классической физике поляризация определяет эволюцию вектора электрического поля в волне во времени https://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves) . В квантовой механике вы можете приписать поляризацию отдельным фотонам, но что именно это «значит» или «выглядит», сложно! Я не буду пытаться объяснить это лучше, чем это сделал Дирак выше (это очень ясно!), но, возможно, вкратце можно сказать, что фотон — это объект в квантовой механике, который может быть описан квантовым состоянием. Квантовое состояние можно рассматривать как ряд свойств фотона вместе с набором вероятностей, связанных с физическими измерениями фотона. Поляризация фотона — одна из таких меток, связанных с состоянием.

Как уже упоминалось в другом ответе, один объект может находиться в суперпозиции двух состояний, поэтому вам не нужно более одного фотона, чтобы иметь круговую поляризацию. Кот Шредингера — это единый объект, наложенный между мертвым и живым — вам не нужны два кота, чтобы получить суперпозицию.

«Я читал, что свет с круговой поляризацией образуется из суперпозиции двух линейно поляризованных лучей».

Вы можете думать об этом таким образом. Точно так же, когда вы выбрали векторную основу для своего пространства, вы можете думать о каждом векторе как о сумме базисных векторов.

Но ваш вектор по своей сути не является суммой ваших базисных векторов. Это просто способ думать об этом, способ, который может быть вам полезен после того, как вы выберете основу.

Точно так же линейная поляризация дает вам векторы, перпендикулярные направлению движения. Круговая поляризация — это просто вектор поляризации, соответствующий направлению движения, а эллиптические — все остальное на сфере.

Когда вы умножаете две линейные поляризации, вы получаете произведение, промежуточное между ними, или что-то более циркулярно поляризованное, в зависимости от относительных фаз и амплитуд.

Поляризация каждой сущности — это просто ее поляризация. То, как вы решите разбить его на другие поляризации, — это то, что вы делаете для своего удобства.