Кіріспе
Кванттық күйдің түрі Физикада сығылған когерентті күй – бұл, әдетте, өзіндік мәндерінің үздіксіз спектрлері бар екі коммутацияламайтын байқалатын шамалармен сипатталатын кванттық күй. Мысал ретінде бөлшектің орны мен импульсін, сондай-ақ жарық толқынының амплитудасындағы (фаза 0) және режиміндегі (фаза 90°) электр өрісін (өлшемсіз) келтіруге болады (толқынның квадратуралары). Екі мұндай оператордың стандартты ауытқуларының көбейтіндісі белгісіздік принципіне сәйкес келеді: және , тиісінше. Шын мәнінде сығылмаған тривиальды мысалдар – кванттық гармоникалық осциллятордың негізгі күйі және когерентті күйлер отбасы. Бұл күйлер жоғарыдағы белгісіздікті қанықтырады және оператордың белгісіздіктерінің симметриялық таралуына ие. «Табиғи осциллятор бірліктерінде» және (Әдебиетте квадратура амплитудалары үшін әртүрлі нормалаулар қолданылады. Мұнда біз негізгі күйдегі квадратура амплитудаларының дисперсияларының қосындысы тікелей нөлдік кванттық нүктені беретін нормалауды қолданамыз). «Сығылған күй» термині, шын мәнінде, операторлардың біреуінің немесе екеуінің сызықтық комбинациясы үшін негізгі күйден төмен стандартты ауытқулары бар күйлерге қолданылады. Бұл идеяның мәні – когерентті күйдің белгісіздігін білдіретін шеңбер (оң жақта көрсетілгендей) квадратура фазалық кеңістігінде сол ауданы бар эллипс түріне «сығылған». Қысылған күйдің белгісіздік принципін қанықтыруы міндетті емес. Жарықтың сығылған күйлері алғаш рет 1980 жылдардың ортасында жасалды. Сол кезде кванттық шуды шамамен 2 есеге (3 дБ) дейін дисперсияға дейін сығу факторына қол жеткізілді, яғни. 2017 жылдан бастап 10 (10 дБ) -нан жоғары сығу факторлары тікелей байқалды.
In physics, a squeezed coherent state is a quantum state that is usually described by two non commuting observables having continuous spectra of eigenvalues. Examples are position and momentum of a particle, and the (dimension less) electric field in the amplitude (phase 0) and in the mode (phase 90°) of a light wave (the wave's quadratures). The product of the standard deviations of two such operators obeys the uncertainty principle:
and , respectively. Trivial examples, which are in fact not squeezed, are the ground state of the quantum harmonic oscillator and the family of coherent states These states saturate the uncertainty above and have a symmetric distribution of the operator uncertainties with in "natural oscillator units" and (In literature different normalizations for the quadrature amplitudes are used. Here we use the normalization for which the sum of the ground state variances of the quadrature amplitudes directly provide the zero point quantum number ). The term squeezed state is actually used for states with a standard deviation below that of the ground state for one of the operators or for a linear combination of the two. The idea behind this is that the circle denoting the uncertainty of a coherent state in the quadrature phase space (see right) has been "squeezed" to an ellipse of the same area. Note that a squeezed state does not need to saturate the uncertainty principle. Squeezed states of light were first produced in the mid 1980s. At that time, quantum noise squeezing by up to a factor of about 2 (3 dB) in variance was achieved, i. e. As of 2017, squeeze factors larger than 10 (10 dB) have been directly observed.
Мысалдар
Мемлекеттің ені азаятын фазалық бұрышына байланысты амплитудалық қысымдалған, фазалық қысымдалған және жалпы квадраттық қысымдалған күйлерді ажыратуға болады. Егер қысу операторы когерентті күйге емес, тікелей вакуумға қолданылса, нәтиже қысымдалған вакуум деп аталады. Төмендегі суреттер қысылған күйлер мен Гейзенбергтің белгісіздік қатынасы арасындағы тығыз байланысты көрнекті түрде көрсетеді: толқынның белгілі бір квадраттурасында (фазасында) кванттық шуды азайту тікелей салдарынан қосымша квадраттураның шуын күшейтуге әкеледі, яғни фазасынан 180 градусқа ығысқан өріс. Суреттерден көрініп тұрғандай, когерентті күйге қарағанда қысылған күйдегі кванттық шу енді жарық толқынының фазасынан тәуелсіз емес. Бір тербеліс периоды ішінде шудың сипаттамалық кеңеюі және тарылуы байқалады. Қысылған күйдің ықтималдық үлестірімі соңғы абзацта айтылған толқын функциясының нормасының квадраты ретінде анықталады. Ол классикалық жарық толқынының электрлік (және магниттік) өрісінің күшінің квадратына сәйкес келеді. Жылжымалы толқын пакеттері олардың таралуының кеңеюі мен тарылуымен біріктірілген тербелістік қозғалысты көрсетеді: толқын пакеттерінің «тыныс алуы». Амплитудалық қысымдалған күйде толқын пакеттерінің ең тар таралуы өрістің максимумында жетеді, нәтижесінде амплитуда когерентті күйге қарағанда дәлірек анықталады. Фазалық қысымдалған күйде ең тар үлестірілім өріс нөлдік деңгейінде жетеді, нәтижесінде когерентті күйге қарағанда жақсы анықталған орташа фазалық мән пайда болады. Фазалық кеңістікте кванттық механикалық белгісіздіктерді Вигнер квази-ықтималдық үлестірімімен бейнелеуге болады. Жарық толқынының қарқындылығы, оның когерентті тұяқталуы, Вигнер үлестірімінің бастапқы нүктеден ығысуымен беріледі. Қысылған квадраттураның фазасының өзгеруі үлестірілімнің айналуына әкеледі.
As can be seen in the illustrations, in contrast to a coherent state, the quantum noise for a squeezed state is no longer independent of the phase of the light wave. A characteristic broadening and narrowing of the noise during one oscillation period can be observed. The probability distribution of a squeezed state is defined as the norm squared of the wave function mentioned in the last paragraph. It corresponds to the square of the electric (and magnetic) field strength of a classical light wave. The moving wave packets display an oscillatory motion combined with the widening and narrowing of their distribution: the "breathing" of the wave packet. For an amplitude squeezed state, the most narrow distribution of the wave packet is reached at the field maximum, resulting in an amplitude that is defined more precisely than the one of a coherent state. For a phase squeezed state, the most narrow distribution is reached at field zero, resulting in an average phase value that is better defined than the one of a coherent state. In phase space, quantum mechanical uncertainties can be depicted by the Wigner quasi probability distribution. The intensity of the light wave, its coherent excitation, is given by the displacement of the Wigner distribution from the origin. A change in the phase of the squeezed quadrature results in a rotation of the distribution.
Фотондық санның және фазаның таралуы
Қысылу бұрышы, яғни кванттық шудың ең төменгі фазасы, жарық толқынының фотон санының таралуына және оның фазалық таралуына зор әсер етеді. Амплитудалық қысылған жарық үшін фотон санының таралуы, дәл сол амплитудадағы когеренттік күйге қарағанда әдетте тар болады, нәтижесінде Пуассоннан төмен жарық пайда болады, ал оның фазалық таралуы кеңірек. Фазалық қысылған жарық үшін керісінше – ол жоғары интенсивтілік (фотон саны) шуын көрсетеді, бірақ тар фазалық таралуға ие. Дегенмен, амплитудалық қысылған жарықтың статистикасы, эксперименттік қиындықтарға байланысты фотон санын анықтайтын детектормен тікелей байқалған жоқ. [[Файл:фотондық сандар қысылған вакуум.jpg|thumb|400px|center|Қысылған вакуумдық күйдегі қайта құрастырылған және теориялық фотон санының таралуы. Таза қысылған вакуумдық күйде тақ фотон саны күйлерінен ешқандай үлес болмайды. Суреттегі нөлдік емес үлес, анықталған күйдің таза күй болмауынан туындайды – орнатудағы жоғалтулар таза қысылған вакуумды аралас күйге айналдырады, бұл процеске қатысатын электромагниттік өрістің режимдерінің санына байланысты. Жақындағы зерттеулер екі режимнен астам режимдер арасындағы кванттық корреляцияларды көрсететін көп режимді қысылған күйлерді қарастырды.
Орташа өрістің болуына негізделген
Жарықтың сығымдалған күйлері, нөлдік емес орталық өрістің (немесе тасымалдаушы деп те аталады) болуына немесе болмауына қарай, сығымдалған вакуум және жарқын сығымдалған жарыққа бөлінеді. Шектеп қойғаннан төмен жұмыс істейтін оптикалық параметрлік осциллятор сығымдалған вакуумды жасайды, ал сол OPO шектеп қойғаннан жоғары жұмыс істейтін болса, жарқын сығымдалған жарық жасайды. Жарқын сығымдалған жарық, фазалық сілтеме беру үшін жергілікті осцилляторды жіберу қажеттілігін жойатындықтан, кейбір кванттық ақпаратты өңдеу салаларында артықшылықты болуы мүмкін, ал сығымдалған вакуум кванттық жақсартылған сезімталдық салалары үшін тиімді деп есептеледі. AdLIGO және GEO600 гравитациялық толқын детекторы стандартты кванттық шектен асып түсетін сезімталдыққа қол жеткізу үшін сығымдалған вакуумды пайдаланады.
Эксперименттік іске асырулар
Сығылған күйлердің түрлі-түрлі, сәтті демонстрациялары болды. Алғашқы демонстрациялар лазерлер мен сызықтық емес оптиканы пайдалана отырып, жарық өрістерімен жүргізілген тәжірибелер болды (оптикалық параметрлік осцилляторды қараңыз). Бұл кристаллмен төрт толқынның араласуы арқылы қарапайым процесте жүзеге асырылады; сондай-ақ, қозғалатын толқын фазасына сезімтал күшейткіштер кристаллға сигнал түспеген кезде кеңістікте көп режимді квадратуралық сығылған жарық күйлерін жасайды. Пуассоннан төмен ток көздері жартылай өткізгіш лазерлік диодтарды қоздырғанда амплитудалық сығылған жарыққа әкеледі. Сығылған күйлер тұзақталған ионның қозғалыс күйлері, кристалл торларындағы фонондық күйлер және бейтарап атомдар жиынтығындағы спиндік күйлер арқылы да жүзеге асырылды. Бейтарап атомдар мен иондар жиынтығында спинді сығылған күйлерді жасау және бақылау саласында үлкен прогресс жасалды, оларды уақыт, үдеу, өрістерді өлшеуді жақсарту үшін қолдануға болады, ал қазіргі заманғы өлшеуді жақсарту деңгейі 20 дБ құрайды. Спин сығылған күйлерін жасау когерентті спин күйінің когерентті эволюциясы және проективті, когеренттілікті сақтайтын өлшемдер арқылы көрсетілді. Тіпті макроскопиялық осцилляторлар да сығылған когерентті күйлерге өте ұқсас классикалық қозғалыс күйлеріне ие болды. Сығылған жарықты пайдалана отырып, лазерлік сәулеленудегі шуды басу бойынша қазіргі заманғы деңгей 15 дБ (2016 жылғы деректер бойынша) құрайды, бұл бұрынғы 12,7 дБ (2010 жылғы) рекордын бұзды.
Қолданбалар
Жарық өрісінің қысылған күйлерін дәлдікті өлшеуді арттыру үшін қолдануға болады. Мысалы, фазалық қысылған жарық интерферометриялық өлшеулердегі фазаны анықтауды жақсарта алады (мысалы, гравитациялық толқындарды қараңыз). Амплитудалық қысылған жарық өте әлсіз спектроскопиялық сигналдарды оқуды жақсарта алады. Атомдардың спиндік қысылған күйлері атомдық сағаттардың дәлдігін арттыру үшін пайдаланылуы мүмкін. Бұл атомдық сағаттарда және суық атомдардың кіші топтамаларын пайдаланатын басқа да сенсорларда маңызды мәселе болып табылады, онда кванттық проекциялық шу сенсордың дәлдігіне негізгі шектеу қояды. Көптеген еркіндік дәрежелеріне обобщаланған әртүрлі қысылған когерентті күйлер кванттық өріс теориясындағы түрлі есептеулерде қолданылады, мысалы, Унрух эффектісі және Хокинг сәулесі, сондай-ақ қисық кеңістікте бөлшектердің туындауы және Боголюбов түрлендірулері. Соңғы уақытта үздіксіз айнымалылар (CV) режимінде кванттық ақпаратты өңдеу үшін қысылған күйлерді қолдану қарқынды өсуде. Үздіксіз айнымалы кванттық оптика кванттық байланыс, шартсыз кванттық телепортация және бір бағытты кванттық есептеу үшін CV протоколдарын жүзеге асыру үшін жарықты қысуды маңызды ресурс ретінде пайдаланады. Бұл жалғыз фотондар немесе фотондар жұптары кубит ретінде қолданылатын кванттық ақпаратты өңдеуден өзгеше. CV кванттық ақпаратты өңдеу қысудың кванттық түйісумен тығыз байланысты екендігіне көп көңіл бөледі, себебі қысылған күйдің квадратуралары шу деңгейінен төмен кванттық корреляцияларды көрсетеді.