Was ist der experimentelle Beweis für ein quantisiertes EM-Feld?

Meiner Meinung nach ist der wichtigste experimentelle Benchmark, der wirklich die Erklärung eines quantisierten elektromagnetischen Felds erfordert, der Hong -Ou-Mandel-Effekt , wie in der Frage tangential erwähnt .

Die wellenartige Natur von Photonen, wie sie im Hong-Ou-Mandel-Effekt zum Ausdruck kommt, ist ein eher subtiler Grund, aber lassen Sie mich mit einer Aussage beginnen, die kontrovers klingt, es aber nicht wirklich ist:

Interferenzeffekte wie Doppelspaltinterferenz sind nicht repräsentativ für die Quantenwellennatur von Photonen.

Dies wird aus quantenoptischer Sicht etwas verstärkt, aber es ist wichtig zu bedenken, dass Photonen keine "Teilchen" sind, sondern vielmehr diskrete Anregungen der klassischen Moden des elektromagnetischen Felds. (Sie können dann den Kreis schließen und argumentieren, dass alle Teilchen, von Elektronen bis zu Atomen in einem BEC, auch Anregungen in einem Materiefeld sind, aber das ist ein separates Argument.)

Insofern fängt man erst dann wirklich an, quantenmechanisch sinnvoll über Photonen zu sprechen, wenn man über Zählstatistiken eines gegebenen Lichtzustands spricht. Diese Zählstatistiken „reiten“ in gewisser Weise auf den klassischen Moden, die sie bewohnen, und alle Interferenzmerkmale, die diese Moden aufweisen (wie beispielsweise Doppelspaltstreifen oder Beugungsringe), sind nicht wirklich „das Photon, das interferiert“. selbst", sie sind nur ein geometrisches Merkmal des Modus, der angeregt wird.

Der Grund, warum ich diese Interferenzmerkmale als nicht repräsentativ für die „wahre“ Quantenwelle von Photonen abschätze, ist, dass es noch eine weitere Schicht interessanter Interferenz gibt, und zwar wenn Sie diese Anregungen selbst dazu bringen, sich gegenseitig zu interferieren, sowohl auf konstruktive als auch auf destruktive Weise. Das ist, was das Hong-Ou-Mandel-Experiment tut: Es kombiniert die Wahrscheinlichkeitsamplituden verschiedener Kombinationen möglicher Anregungen, um einige von ihnen auszuschließen,

^Bildquelle

so, dass das aus dem Strahlteiler austretende Licht im Durchschnitt eine 50:50-Aufteilung der Energie hat, aber dies kommt immer nur in gemeinsamen Photonenpaaren auf jedem Arm und niemals als zusammenfallende Photonen auf beiden Armen (ein Ergebnis deren Wahrscheinlichkeitsamplitude durch destruktive Interferenz verschwunden ist). Es gibt einfach kein halbklassisches Modell, das dies erklären kann.

Nun, wie OON angemerkt hat, kann man auch experimentelle Beobachtungen von Photonenzählstatistiken erhalten, die durch kein semiklassisches Modell durch einfachere Konfigurationen von sub-poisson'schem Licht erklärbar sind, aber für mich ist die Mandel-Senkung viel auffälliger, viel klarer erkennbar , und nicht viel jünger historisch gesehen.

Außerdem möchte ich auf einige Kommentare in der Antwort von Anna V eingehen. Alles Licht ist Quantum; wir wissen das, weil wir wiederholt versucht haben, Risse in der Quantenmechanik zu finden, einschließlich ihrer Behandlung von Licht, und wir haben keine gefunden. Licht „sieht“ oft klassisch aus, aber das liegt nur daran, dass die Quantenmechanik in ihrer klassischen Grenze wie klassische Mechanik aussieht.

Es gibt jedoch immer noch viel Wert, dessen Experimente immer noch dadurch erklärt werden können, dass ein klassisches elektromagnetisches Feld (also zB kohärente Zustände durch nur klassische Zustände ersetzt, möglicherweise mit etwas Schrotrauschen) mit quantisierter Materie interagiert, und dazu gehören Dinge aus atomare Absorptions- und Emissionsspektren auf den photoelektrischen Effekt sowie die punktweise Reaktion des Films in Doppelspaltexperimenten (dessen Interferenzmerkmale wiederum nur ein Merkmal der klassischen Optik des Modus sind, auf dem Photonen reiten).

Angesichts dessen, was wir über die grundlegende Quantennatur des elektromagnetischen Felds wissen (durch Experimente wie die Hong-Ou-Mandel-Dips), wissen wir, dass diese halbklassischen Beschreibungen nur effektive Modelle sind, die die Kernaspekte der Natur nicht vollständig beschreiben, aber sie Es sind jene Experimente, die ohne quantisierte Felder unbeschreiblich sind, die uns wirklich zwingen, diese Perspektive einzunehmen. Nehmen Sie diese weg, und die Aussage "das EM-Feld ist quantisiert" wird nur zu einer Meinung ohne sinnvolle experimentelle Unterstützung.

Das direkteste Beispiel, das ich kenne: Sie können einfach die Anzahl der Photonen messen, die sich in einem Hohlraum (einem „Leuchtkasten“) befinden, indem Sie ein Atom hindurchschicken und seine Phasenänderung messen.

Dies wurde 2007 von Gleyzes et al. durchgeführt und veröffentlicht: https://www.nature.com/articles/nature05589

Der von Max Tyler in den Kommentaren erwähnte Hong-Ou-Mandel-Effekt ist ein weiteres großartiges Beispiel.

Das semiklassische Modell funktioniert tatsächlich in vielen Fällen gut. Sie können sich die Dichtematrix des Quantenfeldes z. B. in der Glauber-Sudarshan-Darstellung ansehen,

Aber nicht immer. Es gibt Staaten, für die$P(\alpha)$in manchen Bereichen des Phasenraums negativ werden kann und auch dafür gibt es Zustände$P(\alpha)$wird einzigartiger als$\delta$-Funktion. Solche Zustände können nicht durch den semiklassischen Ansatz beschrieben werden und werden deshalb als nichtklassisches Licht bezeichnet .

Das Lehrbuchbeispiel des nichtklassischen Lichts ist ein Licht, das eine subpoissonsche Photonenstatistik besitzt , dh$\langle (\Delta n)^2\rangle<\langle n\rangle$. Daraus folgt die Intensitätskorrelationsfunktion zweiter Ordnung$g^{(2)}(0)<1$(während die semiklassische Behandlung erwartet$g^{(2)}(0)\geq 1$). Dies führt zu dem als Photonen-Anti-Bündelung bekannten Effekt , der erstmals 1977 von Kimble, Mandel und Dagenais beobachtet wurde.

Natürlich ist diese direkte Messung verschiedener Intensitätskorrelationen ein ziemlich exquisiter Weg, um die Quantennatur des Lichts zu "entdecken". In Teilchenwechselwirkungen treten ständig hochgradig nichtklassische Zustände auf, und keine halbklassische Behandlung wäre in der Lage, sie so zu beschreiben, wie es die QED tut.

Das klassische elektromagnetische Feld entsteht aus einer enormen Anzahl von Photonen, und das lässt sich mathematisch nachweisen.

Experimentell ist die einfachste Demonstration die Entstehung des Doppelspalt-Interferenzmusters, ein Photon nach dem anderen :

Einzelphotonenkameraaufnahme von Photonen aus einem mit sehr schwachem Laserlicht beleuchteten Doppelspalt. Von links nach rechts: Einzelbild, Überlagerung von 200, 1.000 und 500.000 Bildern.

Man sieht, wie das einzelne Photon einen Fußabdruck hinterlässt, der zufällig aussieht, es aber nicht ist, da die Phasen der Photonen-Wellenfunktionen in Überlagerung die klassische Interferenz aufbauen. Man verwendet diese Sequenz, um die quantenmechanische, probabilistische Wellennatur der Photonenwellenfunktion zu betonen

Dieses Muster wird sowohl durch QED als auch durch klassischen Elektromagnetismus erklärt.

Ja, Maxwells Gleichungen für Licht sind sehr nützlich und es ist nicht notwendig, auf die zugrunde liegende Quantenebene zu gehen, da die Mathematik konsistent ist. Lediglich für Absorptions- und Emissionsspektren ist die Existenz von Photonen unbedingt erforderlich, und natürlich die Photo- und Schwarzkörperstrahlung.

Was halbklassische Behauptungen betrifft, weist das „semi“ auf phänomenologische Anpassungen hin, was für die Anpassung von Daten in Ordnung ist, aber kein Argument gegen die zugrunde liegende Quantisierung.

Zum Hong-Ou-Mandel-Effekt: Falls jemand versucht, den Hong-Ou-Mandel-Effekt so einfach wie ich zu verstehen, hier eine sehr schöne Präsentation: https://www.mpq.mpg.de/5020845/0508b_two- photon_interference.pdf

Zum Beispiel die relative Phasenverschiebung von$\pi$geschieht auf der unteren Seite aufgrund des Unterschieds der Brechungsindizes. Sobald Sie das wissen (ich habe es nicht getan :-), ist es offensichtlich (ohne Mathematik), warum sich die beiden Lösungen gegenseitig aufheben. (Entschuldigung, ich kann noch keinen Kommentar abgeben, sonst hätte ich den Kommentar zur Antwort von Hong Ou Mandel hinzugefügt.)