罗伯特·汉伯里·布朗和理查德·特维斯的奇妙冒险。第3部分：从望远镜到量子计算

结尾。从这里开始：第1 部分，第2部分。



用英语说，火箭科学是关于复杂而晦涩的事物。在俄语中，他们经常求助于相对论或量子力学。尽管后者以非常简单的想法开始：假设光是由单个粒子-光子传播的。一秒钟内，您可以看到96、97或99个光子，而从不看到99个半。这个令人惊讶的简单想法导致非常不同寻常的后果。

在将双筒望远镜对准Sirius之前，我们的英雄决定在实验室进行测试。这颗星星是由聚焦在一个小孔上的灯的光线所扮演，而不是使用两个望远镜，而是使用了两个光电倍增管。不可能将它们并排放置，因此我们想到了一个技巧：来自“星星”的光被发送到半透明的镜子，该镜子反射一半的辐射，而另一半透射。一个光电倍增管看着“星星”的反射，另一个光电倍增管站在镜子后面，在光下看到“星星”：

实验表明，Twiss的理论是正确的：光电倍增器越“分开”，所测得的相关性就越小。但是，这里出现了一个有趣的问题。光电倍增管是一种非常敏感的光电探测器，其主要任务是为一个入射光子产生强大的电流脉冲：

光电倍增管。光子从左上方飞出并产生电子。它被电场加速，击中一个打拿极（中间阳极），并从中击出两个电子。这两个电子也加速并将四个电子从下一个倍增极中击出，依此类推。结果，单个光子产生了如此好的电流脉冲。

光电倍增管看到的不是光，而是单个光子。这是合乎逻辑的：毕竟，光强度仅是在一秒钟内到达的光子数。但是，那么相关性应该考虑的不是光信号，而应该是光子。合理，为什么不呢？只需将强度（I）替换为光子数（n）：

对于独立来源，相关性是统一的。逻辑上：离婚望远镜看到恒星的不同部分时就是这种情况。但是，当望远镜“移动”时，相关系数等于2。这意味着光子不是独立出现的，而是成对出现的！为何如此？

现在是时候回顾量子光学的基本特性：在任何时间间隔内，总是有整数个光子出现。基于这一特性，哈佛大学的罗伊·格劳伯（Roy Glauber）建立了一种相干理论，该理论描述了光子的特性，其统计量，相干性以及所有这些。它基于第二种量化方法，其中使用了光子创建和an灭运算符 -名称不言而喻：光子逐件出现和消失，它们的总数始终保持整数。

格劳伯的相干理论详细描述了汉伯里·布朗-特维斯（Hanbury Brown-Twiss）实验，并表明来自恒星（以及来自任何其他热源-灯，LED，气体放电等）的光子确实“试图”成对出现。相同的理论解释了这个神秘的相关函数g ^（2）的物理含义：它表明了源发射光子的“友好程度”。如果g ^（2）大于1，则光子更喜欢成组地辐射；反之，如果少于一个，则分开。那么，g ^（2） = 1对应于独立发射的光子。奇怪的是，激光还会产生g ^（2） = 1的光。

在圆圈中，“移位”望远镜的g ^（2）值不同。对于“扩展”，g ^（2）始终等于1（右）。

正如预期的那样，g ^（2） = 2意味着光子成对出现，并且实验是正确的。汉伯里·布朗（Hanbury Brown）家族以两个双胞胎的诞生庆祝了这一喜事。

罗伯特·汉伯里·布朗绝对对发生的事情感到满意。

我谈到了相干理论和双光子的魔力，但结果却有些莫名其妙。幸运的是，该理论具有更直观的描述。如果光源平均每秒发出22.5个光子，那么每秒我们很可能会检测到22或23个光子，很少会检测到15或30个光子，几乎不会检测到零或一百。的光子的数量的分布具有最大值在22.5织机：

它有多宽？事实证明，对于以N为中心的“良好”辐射（如果光子彼此独立发射），分布宽度等于N的根。这种分布称为Poisson。如果分布变大，则称为超级泊松（而较窄的则称为sub Poisson）：

泊松，子泊松和超级泊松统计数据。

好吧，函数g ^（2）显示分布宽度：它越大，分布越宽。 g ^（2） = 1对应于泊松分布，而它不依赖于平均光子数。也就是说，对于任何激光-无论对于​​弱激光还是对于强激光-g ^（2）都等于1。

对于热光，g ^（2） =2。这是否意味着分布是激光的两倍？并不是的。它比激光宽，但看起来却完全不同：

也就是说，热辐射在某种程度上类似于能级的分布：能级越高（光子数量越多），看到它的可能性就越小。因此，主要结论是：热辐射和相干辐射具有根本不同的统计特性。最好的部分是使用Hanbury Brown-Twiss实验测量g ^（2）可以使我们轻松地测量这些统计数据。这在哪里适用？好吧，例如，在开发激光器时：使用g ^（2），您可以确定生成阈值（即，热辐射的辐射变为激光的条件）。

好吧，最有趣（也是最有用）的情况是g ^（2）=0。光子分布的宽度为零！这是什么意思？事实证明，光子的数量是严格固定的，不会一秒之间变化。分布包括一个峰（右图）：

光子统计：泊松（也是相干的，g ^（2） = 1），热（g ^（2） = 2），Fokovskaya（它也是N光子，g ^（2） = 0）。

最有趣的事情是当光源发出的光子恰好一个时（帽表明这是单光子光源））在量子密码学和类似应用中，这种器件对于光晶体管，开关量子位的操作是必需的。对它们的要求非常严格：它们绝不能产生一个以上的光子。否则，随机发射的光子会导致信息泄漏。或者，例如，光学键将从第一个光子打开，然后立即从第二个光子关闭。因此，必须彻底测试单光子源。

如何检测一个光子（或更好的是两个）？常规的光电二极管是无用的：响应将太弱。他们使用雪崩二极管 -但它有缺点。例如，它有停滞时间：对于每个到达的光子，它会产生一个长电流脉冲，而第二个光子在此时间到达，二极管根本不会注意到它：

红色孵化是一个死时间。通常不小于100皮秒。

我们主要人物的想法得到了拯救：让我们将光线引导到一个半透明的镜子和两个探测器，然后计算g ^（2）的值。如果g ^（2） = 0，则源是单光子，如果g ^（2） > 0，则有时它发射两个光子。现在-注意，物理魔法！ - 为什么这样做的三个解释：

1.从带有分布的图片中。

如果源每秒发射一个光子，则在直方图中，“ 1”上有一列，分布宽度为零，且g ^（2） =0。如果有时发射2个光子，则直方图中出现“ 2”上的列，并且分布宽度增大，并且g ^（2）随之增长。

2.从公式

如果源是单光子，则n1 + n2 = 1，这意味着数字之一为零，这意味着n1和n2的乘积也为零，以及g ^（2）。如果发射两个光子（n1 + n2 = 2），则可能n1 = n2 = n1 * n2 = 1，并且g ^（2）变得大于零。

3.最后，最重要的是：从常识出发！如果成对发射光子，那么一个光子会不时地碰到一个二极管，第二个会碰到第二个。然后，我们将看到二极管的同步操作- 巧合增加了g ^（2）的值。如果光源真正是单光子，那么二极管将永远不会同时工作。

汉伯里·布朗·特维斯（Hanbury Brown-Twiss）的想法在单光子源分析中是绝对不可或缺的。对于一个好的来源，相关函数g ^（2）看起来像这样：

这里的零不是在左边，而是在中间。左边是检测器之一的负向偏移（好像左望远镜位于右边而不是右边）。最主要的是不变的：在零时间延迟g ^（2）达到零，在非常大的延迟下，光子被独立发射，并且g ^（2） =1。

但是一个不太好的源看起来像这样：

可以看出该函数不低于0.4。这意味着该源通常会发射一对光子，对于特别重要的应用，最好寻找另一个。

罗伊·格劳伯（Roy Glauber）在2005年因其连贯理论而获得了诺贝尔奖。我们的主要角色无法分享这一点：理查德·特维斯（Richard Twiss）直到六个月才活到现在。三年前，罗伯特·汉伯里·布朗（Robert Hanbury Brown）走了。但是，如您所知，最大的认可是您的名字成为家喻户晓的名字。一个简单而绝妙的主意-使用玻璃板和两个二极管来测量相关性-在历史上仍然以Hanbury Brown-Twiss电路为名。

顶级科学期刊《自然与科学》（Nature and Science）2015年文章的图片，其中使用Hanbury Brown-Twiss方案对相关性进行了测量。观察任务：在五个地方找到它：)。

故事到此结束，但可以在此处找到其逻辑上的延续。 狐狸的

来源
。量子光学：入门 -牛津大学出版社，2006年
。R.汉伯里·布朗。强度干涉仪。它在天文学中的应用。 -伦敦：Taylor＆Francis，1974年
。R。Hanbury Brown。布芬：雷达，射电天文学和量子光学的早期个人故事 -布里斯托尔：亚当·希尔格（Adam Hilger），1991年
。ary告：罗伯特·汉伯里·布朗（Robert Hanbury Brown）。自然416，34（2002）。

图片：1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN386779/