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结果表明,这样的场只能由成对的光子生成。
如果你测量光子的数量,你只能得到偶数的结果。
正是这些光子对的量子干涉形成了与相位相关的振幅噪声。
图36 压缩光a与激光b相比,a在其振**的某些点上的场振幅噪声减小了
这一特性自有其应用价值。
假设你想测量波的相位。
回想一下,之前介绍过使用干涉仪时,光束的相移是由被测量的物体(比如某个特定分子)引发的。
在光场波动最小的地方可以更精确地测量波的相位。
事实上,在某些相位上,压缩光场的起伏比任何经典场的都要小,因此使用压缩光场的相位传感器将比使用经典光场的传感器更精确。
它们甚至可以打破标准量子极限。
目前,这种测量方法仍然比较昂贵,因此只有在比其他方法具有明显优势时才会使用。
例如,用大型光学干涉仪探测引力波,像德国汉诺威附近的GEO600项目,就需要使用压缩光检测相移,而相移的变化又与引力波引起的光的相对路径距离的变化相对应。
因此,可以通过测量相移的变化来判断引力波是否存在。
当然,此时光的相对路径距离的变化非常小,如果与地球到太阳的距离相比,这段距离只有一个原子大小。
量子纠缠
当存在一个以上的量子光束时,事情会变得更加奇怪。
光子会以某种方式缠绕在一起,导致我们无法区分任何一束光的属性——例如颜色、位置、方向或脉冲形状。
这远远超出了波粒二象性的基本概念。
它挑战了经典世界的观念,即在经典世界中可以确定物理实体的某种属性(如光束的频率、到达时间或水平垂直偏振等等)。
这些属性可以被测量,并且彼此自洽。
但是,这并不适用于在某种状态下的成对光束,而这一点可以通过实验来验证。
这是20世纪基础光学的伟大成就之一。
借助这一特性,我们可以利用量子光学来检验伟大的爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基[3](BorisPodolsky)和内森·罗森[4](NathanRosen)的著名猜想,即判断他们对于粒子系统的量子力学描述是不是完整的,而且不需要借助任何其他信息就可以确定该系统的方方面面。
约翰·贝尔[5](JohnBell)在20世纪60年代找到了一种量化这类问题的方法,并尽力尝试用实验来检验他的假设。
这些实验一般被称为“贝尔实验”
,其中最早实现也是目前最具说服力的研究中就使用了光子对,并且每对光子之间都彼此相关。
正是这些相关性,使得量子粒子与经典粒子大为不同。
为了更全面地了解这种量子效应的奇特性,我们有必要在此进行更深入的探讨。
相关性几乎无处不在。
以下面这个简单的游戏为例。
发牌人拿两副牌,一副牌的背面是绿色,另一副牌的背面是蓝色。
发牌人从每副牌中各挑一张,其中一张牌给你,另一张给另一位玩家。
当然,你们的牌背面的颜色总是不同的,但它们正面的花色却可能相同,因为每副牌中有一半正面是黑色花色,另一半是红色花色。
事实上,你会认为在一半的时间里,两个人拿到的花色应该是相同的,这是因为出现红色红色和黑色黑色的概率为50%。
如果你和你的搭档每次都同时拿到红色或黑色的花色,这些卡片就被认为是“相关的”
。
这是你所能想象到的最强烈的相关。
事实上,如果你们两个人在超过一半的时间里都得到了相同花色的牌,也可以说这些卡片是相关的,尽管这种相关性会比第一个例子中的“弱”
。
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