Квантовый шум - Quantum noise
В физике , квантовый шум относится к неопределенности физической величины , что обусловлено его квантового происхождения. В определенных ситуациях квантовый шум проявляется как дробовой шум ; например, в большинстве оптических коммуникаций используется амплитудная модуляция , и поэтому квантовый шум проявляется только как дробовой шум . В случае неопределенности электрического поля в некоторых лазерах квантовый шум - это не просто дробовой шум; неопределенности как амплитуды, так и фазы вносят вклад в квантовый шум. Этот вопрос становится актуальным в случае шума квантового усилителя , сохраняющего фазу. Фазовый шум становится важным, когда энергия частотной модуляции или фазовой модуляции волн сравнима с энергией сигнала (который считается более устойчивым по отношению к аддитивному шуму, чем амплитудная модуляция).
Источник
Квантовый шум может наблюдаться в любой системе, где обычные источники шума ( производственный шум , вибрации, колебания напряжения в электросети, тепловой шум из-за броуновского движения и т. Д.) Каким-либо образом подавлены. Тем не менее, как правило, квантовый шум можно рассматривать как ошибку описания любой физической системы в рамках классической (не квантовой) теории. Разумно включить рассмотрение квантов, спонтанно появляющихся или исчезающих в пространстве-времени из-за самых основных законов сохранения, следовательно, ни одна область в пространстве-времени не лишена потенциального добавления или вычитания элемента квантов с наименьшим общим знаменателем, вызывающего "шум" в данный эксперимент. Это может проявляться как квантовая декогеренция в запутанной системе, обычно приписываемая температурным различиям в условиях, окружающих каждую запутанную частицу, которая считается частью запутанной системы. Так как запутанность интенсивно изучается на простых парах запутанных фотонов, например, декогеренция, наблюдаемая в этих экспериментах, вполне может быть синонимом «квантового шума» как источника декогеренции. например, если бы кванты энергии могли спонтанно появляться в данном поле, в области пространства-времени, тогда тепловые различия должны быть связаны с этим событием, следовательно, это вызвало бы декогеренцию в запутанной системе в непосредственной близости от события. В электрической цепи случайные колебания сигнала из-за дискретного характера электронов можно назвать квантовым шумом. Случайная ошибка интерферометрических измерений положения из-за дискретного характера фотонов, регистрируемых во время измерения, может быть отнесена к квантовому шуму. Даже неопределенность положения зонда в зондовой микроскопии может частично объясняться квантовым шумом, хотя это не доминирующий механизм, определяющий разрешение такого устройства. В большинстве случаев квантовый шум относится к флуктуациям сигнала в чрезвычайно точных оптических системах со стабилизированными лазерами и эффективными детекторами.
Когерентные состояния и шум квантового усилителя
Хотя когерентные состояния могут быть реализованы в самых разных физических системах, они в основном используются для описания состояния лазерного света. Хотя свет от лазера можно интерпретировать как классическую волну, генерация этого света требует языка квантовой механики и, в частности, использования когерентных состояний для описания системы. Для общего числа фотонов порядка 10 8 , что соответствует очень умеренной энергии, относительная погрешность измерения интенсивности из-за квантового шума составляет всего лишь порядка 10 -5 ; это считается хорошей точностью для большинства приложений.
Квантовый шум становится важным при рассмотрении усиления слабого сигнала. Грубо говоря, квантовая неопределенность квадратурных составляющих поля усиливается так же, как и сигнал; результирующая неопределенность выглядит как шум. Это определяет нижний предел шума квантового усилителя .
Квантовый усилитель - это усилитель, работоспособность которого близка к квантовому пределу. Минимальный шум квантового усилителя зависит от свойства входного сигнала, который воспроизводится на выходе. В узком смысле оптический квантовый усилитель воспроизводит как амплитуду, так и фазу входной волны. Обычно усилитель усиливает многие моды оптического поля; Требуются особые усилия, чтобы уменьшить количество этих режимов. В идеализированном случае можно рассматривать только одну моду электромагнитного поля, которая соответствует импульсу с определенной поляризацией , определенной поперечной структурой и определенным временем прихода, длительностью и частотой, с неопределенностями, ограниченными принципом неопределенности Гейзенберга . Режим ввода может нести некоторую информацию об амплитуде и фазе; выходной сигнал имеет ту же фазу, но большую амплитуду, примерно пропорциональную амплитуде входного импульса. Такой усилитель называется фазоинвариантным .
Математически квантовое усиление можно представить с помощью унитарного оператора , который связывает состояние оптического поля с внутренними степенями свободы усилителя. Эта запутанность выглядит как квантовый шум; неопределенность поля на выходе больше, чем неопределенность когерентного состояния с той же амплитудой и фазой. Нижняя оценка этого шума следует из фундаментальных свойств операторов рождения и уничтожения .
Смотрите также
использованная литература
Источники
- CW Гардинер и Цоллер , квантовый шум: Справочник по марковскому и немарковским квантовым методы стохастических с приложениями к квантовой оптике , Springer-Verlag (1991, 2000, 2004).