单光子技术理论与应用的若干问题

论文摘要

为什么存在光子?经典物理给出了推导,但解释不了光子的本质和奇异特性。量子理论表明光子是一种非局域性粒子,并与通常的微观粒子有重大区别。然而任何理论都不能提供光子的具体形象,这就在单光子定义上发生困难。光子可由光脉冲获取,其中的光子数服从Poisson分布。另外也可以从光功率出发而定义单光子,光子实际上是一种最弱光源。本文论述了单光子理论与实验的进展,给出历史评论和对某些矛盾悖论的探讨。例如,光子是能量子,具有物质属性,但却给不出光子的尺寸和体积;狭义相对论实际上赋予光子点粒子形象。又如,量子力学(例如Schrodinger方程)用波函数Ψ(r,t)描写电子,空间定位为几率性分布,︱Ψ︱~2是几率密度;但对光子却无法定义一个自洽的波函数,也不能写出相应的波方程。而且众所周知,经典Maxwell波方程并不能满意地描写光子。本文认为"光子无静质量"假说造成了理论自洽性的缺失。对有质(量)光子,可用1936年提出的Proca方程组取代Maxwell方程组。我们推导了新的电磁波和光子的波方程,称为Proca波方程(PWE)。在PWE中有包含粒子质量参数(m)的项,这与Schrdinger波方程、Dirac波方程一致。这使理论关系改善,而有质(量)光子与点粒子划清了界限。量子信息学的迅猛发展迫使科学家考虑少数(例如1万个或更少)光子的行为特点。最近测量光动量成功,使得可能用实验确定1个激光束中包含的光子数。量子保密通信要求理想单光子源(PSPS),其中1个光脉冲仅有1个光子。然而迄今并未制成这种源,所用均为近似PSPS,故通信不会绝对安全。由于白天的光干扰,卫星量子通信及量子雷达难以工作得好。如用微波频段会有好效果,但微波单光子能量极小,实现起来非常难。

论文目录

• 1 引言
• 2 光子是经典性微观粒子还是量子性微观粒子
• 3 光子是不是点粒子
• 4 光子和电子的比较
• 5 光子静质量与Proca波方程
• 6 光子数方程与光子数测量
• 7 如何用实验技术掌控单光子
• 8 单光子技术应用于量子信息学及存在问题
• 9 尚待研究的单光子现象
• 附录ⅠProca波方程 （PWE） 的推导
• 附录Ⅱ关于量子雷达的简短通信

文章来源

类型: 期刊论文

作者: 黄志洵

关键词: 单光子,光子静质量,波方程,量子通信,量子雷达

来源: 中国传媒大学学报(自然科学版) 2019年02期

年度: 2019

分类: 信息科技,基础科学

专业: 物理学

单位: 中国传媒大学信息工程学院

分类号: O431.2

DOI: 10.16196/j.cnki.issn.1673-4793.2019.02.001

页码: 1-18

总页数: 18

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