量子噪声

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定义:量子涨落引起的噪声

电子系统的噪声主要受限于热噪声,而光学系统则受限于量子力学效应。由于光子频率很高因此光子能量远高于室温下的热能kB T。

根据量子力学,光束的电场由量子力学算符表示,但是光学测量的结果不能简单得到算符的期望值,还包含了量子涨落。

量子噪声通常包含:

  1. 一些强度噪声(散粒噪声),相位噪声,即使不存在技术噪声时单频激光器输出也具有有限的线宽
  2. 放大器中存在不可避免的附加噪声(参阅放大器噪声
  3. 激发态原子或离子的自发辐射
  4. 自发拉曼散射
  5. 参数荧光过程
  6. 分束器的分配噪声

具有量子噪声特性的光称为非经典光,例如,压缩光

量子噪声通常是光电器件性能的制约因子。但是,有时它也是很重要的,例如在量子编码中。

在描述一些例如激光器器件的量子噪声和计算量子噪声时,一些作者采用全量子理论进行计算,但是采用半经典理论计算更加方便[2]。采用后者计算时,电磁场的量子涨落与经典涨落的描述方式相同,因此可以直接简单的得到结果。然而,还需要遵守一些规则。例如,真空场与具有一定幅值的白噪声有关。向衰减器输入光场可以降低所有的涨落,但是衰减器会产生新的与其衰减程度相关的量子噪声,实际上强衰减可以得到标准量子噪声。

如果真空涨落通过输出耦合器镜或者任何存在光损耗的地方进入谐振腔,激光器中会产生一些效应。然后,真空噪声会影响腔内场的噪声,同时场还受到泵浦噪声和自发辐射的影响。输出场包含两个部分:一部分腔内场从谐振腔中泄漏出来,部分真空场从谐振腔外进入谐振腔然后被输出耦合器反射出来。这两部分场之间是部分相干的,并且它们的混合光依赖于偏离共振频率的值,也就是噪声频率。如果远离共振,输出场主要是反射的真空涨落,于是强度噪声处于散粒噪声水平。


参考文献

[1] C. M. Caves, “Quantum limits on noise in linear amplifiers”, Phys. Rev. D 26 (8), 1817 (1982)

[2] S. Reynaud and A. Heidmann, “A semiclassical linear input output transformation for quantum fluctuations”, Opt. Commun. 71 (3-4), 209 (1989)

[3] C. H. Henry and R. F. Kazarinov, “Quantum noise in photonics”, Rev. Mod. Phys. 68, 801 (1996)


参阅:散粒噪声放大器噪声激光器噪声非经典光真空噪声