Ist ein einzelnes Photon immer zirkular polarisiert?

Für ein einzelnes Photon ist die einzige ähnliche physikalisch sinnvolle Frage, ob die zirkulare Polarisation linkshändig oder rechtshändig ist. Die Quantenmechanik kann die Wahrscheinlichkeiten dieser beiden Antworten vorhersagen. Auch ein Experiment, eine Messung von L/R, liefert eine dieser Antworten. Nach der Messung ist das Photon entweder linkshändig oder rechtshändig zirkular polarisiert.

Wenn ein Photon in einem allgemeinen Zustand präpariert wird, hat es sowohl für L als auch für R Wahrscheinlichkeiten ungleich Null. In einer solchen "Überlagerung" können wir vielleicht sagen, dass das einzelne Photon keine zirkulare Polarisation hat. Diese Aussage bedeutet, dass wir unsicher sind, welche der Polarisationen gemessen wird, wenn sie gemessen wird. Aber wenn man die zirkulare Polarisation misst, bekommt man immer eine Antwort, je nach Ergebnis der Messung.

Lineare Polarisationen sind die einfachsten nichttrivialen Überlagerungen von L und R. Der Betrag beider Koeffizienten,$c_L$und$c_R$, ist gleich, während die relative Phase die Achse codiert, auf der das Photon polarisiert ist.

Das in der Frage zitierte Papier ist völlig falsch. Ein Beispiel für eine sehr falsche Aussage ist, dass sich das linear polarisierte Photon in der bewegt$z^+$Richtung trägt$J_z=0\cdot\hbar$. In Wirklichkeit ist ein linear polarisiertes Photon oder irgendein Photon sicher nicht zu haben$J_z=0\cdot\hbar$. Ein linear polarisiertes Photon hat eine Wahrscheinlichkeit von 50 %$J_z=+1\cdot\hbar$und 50% zu haben$J_z=-1\cdot\hbar$. Der Erwartungswert$\langle J_z\rangle = 0$aber es ist immer noch wahr, dass der Wert$J_z=0\cdot\hbar$ist verboten.

Eine andere Frage ist die Polarisation einer elektromagnetischen Welle. Bei einer Welle, zB Licht, kann man links-rechts und rechtshändig unterscheiden$x$-linear und$y$-lineare und elliptische Polarisationen aller Art, die man sich vorstellen kann. In Bezug auf Photonen ist eine makroskopische elektromagnetische Welle das Tensorprodukt vieler Photonen. Wenn alle diese Tensorfaktoren linear (oder zirkular) polarisiert sind, kann man sagen, dass die Welle linear (oder zirkular) polarisiert ist. Da die Polarisation der gesamten Welle eine gewisse Korrelation im Zustand einzelner Photonen erfordert, kann gemessen werden, dass eine Welle in keiner Richtung zirkular polarisiert ist. Aber ein einzelnes Photon ist immer in einer der Richtungen zirkular polarisiert, wenn die Antwort auf diese Frage gemessen wird.

Das Papier kann vorgeschlagene Experimente präsentieren, die durchgeführt werden können, aber was völlig ungültig ist, ist die Interpretation dieses Experiments durch den Autor – sogar "mögliche Interpretationen" bevor das Experiment tatsächlich durchgeführt wird. Die korrekte Beschreibung durch die Quantenmechanik gehört nicht zu ihren möglichen Theorien, mit denen sie das Experiment beschreiben wollen.

Ich beantworte meine eigene Frage, um eine viel zu lange Debatte zu beenden, die meiner Meinung nach viel zu heiß geworden ist.

Um zusammenzufassen :

Laut Mainstream-Physik, Quantenmechanik: Nein, ein einzelnes Photon ist nicht immer zirkular polarisiert. Weitere Informationen finden Sie in der guten Antwort von Lubos.

Das Papier ist eine unorthodoxe Wissenschaft, da es einen Test zur Falsifizierung in der Quantenmechanik vorschlägt.

Ein kleiner Ratschlag für alle Anfänger auf diesem Gebiet wie mich: Seien Sie sich bewusst, dass, weil es in der Vergangenheit viele erfolglose Versuche gab, QM zu falsifizieren, jedes Gespräch über ein neues Experiment zur Falsifizierung und Sie als Spinner angesehen werden.

Ein kleiner QM-Witz über sich selbst erfüllende Prophezeiungen, um in einem leichteren Ton zu enden: "Offensichtlich kann kein Experiment, das QM verfälschen würde, passieren, weil wir in einer QM-Welt leben" :)

Auf quantenmechanischer Ebene unterstützt dieser Artikel die obige Antwort von Luboš Motl, dass ein einzelnes Photon – unabhängig von Wellenlänge und Energie – bei der Messung immer entweder rechtshändig oder linkshändig zirkular polarisiert ist.

Die Frage, die von der Phase abhängt, wurde vor vielen Jahren als beantwortet markiert, jedoch tobt die Debatte darüber, wie ein einzelnes Photon tatsächlich „im Flug“ aussieht, dh. bevor es gemessen wird. Das Paradoxe ist, dass die Messung die Wellenfunktion kollabieren lässt. Um dieses Paradoxon zu umgehen, veröffentlichten Radosław Chrapkiewicz und andere im Juli 2016 in Nature „Hologramm eines einzelnen Photons“, eine vorveröffentlichte (kostenlose) Version hier .

Die Autoren beginnen ihre Arbeit damit, anzuerkennen, wie schwierig es ist, Informationen abzurufen, die ein Photon aufgrund der „völlig unbestimmten globalen Phase charakterisieren, die sich aus der perfekten Rotationssymmetrie ihrer Wigner-Funktionen im Phasenraum ergibt“.

Sie entwarfen ein Experiment, um Informationen von mehr als 2000 einzelnen Photonen zu messen, die im Laufe der Zeit ankommen, wobei jedes detektierte Photon eines aus einem polarisationsverschränkten Zwei-Photonen-Paar war. Die akkumulierten Ergebnisse bildeten ein Hologramm, das ihrer Meinung nach eher das eines einzelnen Photons darstellt:

Zumindest ergänzt die holografische Darstellung eines einzelnen Photons die häufig gesehenen Illustrationen von Licht – die manchmal auch zur Darstellung eines einzelnen Photons verwendet werden – aus der Zeit von James Clerk Maxwell, die heute noch weit verbreitet sind und die manche verwirrend und kontraintuitiv finden :

Selbst wenn es für eine Überlagerung von mindestens zwei Photonen funktioniert, ist es viel weniger klar, wie es ein einzelnes Photon darstellen könnte, da es eher wie eine stehende Welle als wie eine Wanderwelle aussieht. Leser, die sich fragen, wie sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld einer Wanderwelle für mehrere Photonen gleichzeitig Null sein können, sehen sich diese Frage und ihre Antworten an.

Da die Leser dieser Frage am meisten an der Einzelphotonendarstellung interessiert sind, ist die folgende spiralförmige Darstellung (oder ihr Spiegel) gemäß dem zuerst referenzierten Artikel eine hilfreichere Darstellung eines einzelnen Photons:

Darstellungen eines einzelnen Photons zeigen, wenn die „immer zirkular polarisierte“ Ansicht die richtige ist, dass Projektionen auf jeder Ebene genauer gezeichnet würden, wenn sie um 1/4 Wellenlänge voneinander versetzt wären:

Wenn sie jedoch auf einzelne Photonen angewendet werden, implizieren alle Cartoons eine unendliche Länge für einzelne Photonen, was nicht durch Experimente gestützt wird, was uns daran erinnert, dass alle Illustrationen Einschränkungen haben.

Dieser Artikel behauptet, die Debatte sei umgekehrt, dass Experimente beweisen, dass einzelne Photonen absolut linear polarisiert werden können.

@darkblue akzeptierte vor fast 7 Jahren eine „Nein“-Antwort, aber es scheint wahrscheinlicher, dass die Debatte fortgesetzt wird, und hoffentlich wird das Hinzufügen neuer experimenteller Ergebnisse dazu beitragen, Zukunftsfragen derselben Frage einen ausgewogenen Kontext zu bieten.

Es gibt ein großes Missverständnis darüber, was der Spin eines Photons ist. Das orthogonal stehende B- und E-Feld könnte eine Linksorientierung oder eine Rechtsorientierung haben (siehe letzte Seite in dieser Ausarbeitung) .

Für Polarisatoren ist nur wichtig, wie das E-Feld der Photonen zu den Schlitzen orientiert ist, bei 0° und 180° gehen Photonen beider Spinorientierungen durch. (Und kunstvoll gestaltete Polarisatoren drehen Photonen mit +/- 45° in die oben genannten Ausrichtungen, sodass man eine Durchlässigkeit von 50 % erhält.)

Für Photonen, die durch doppelbrechenden Calcit gehen, spielt die Spinorientierung eine große Rolle. Der Calcit trennt die beiden Spinorientierungen. Dies ist klar, weil selbst polarisiertes Licht in zwei Strahlen geteilt wird.

Kreisförmiges Licht hat einen Drehimpuls von der Quelle, die es ausstrahlt. Das E- und B-Feld rotieren gemeinsam. Natürlich könnte man linear polarisiertes Licht als Überlagerung eines im Uhrzeigersinn und eines gegen den Uhrzeigersinn rotierenden Zustands darstellen. Aber diese Mathematik kann man auch mit dem Zustand eines Fußballs machen.