单光子技术理论与应用的若干问题

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Schr(o)dinger方程)用波函数Ψ(?,t)描写电子,空间定位为几率性分布,lΨl2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(o)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.

关键词：单光子、光子静质量、Proca波方程、量子通信、量子雷达

所属期刊栏目：26

分类号：O431(光学)

在线出版日期：2019-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共18页

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