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Sandbox Physics
量子物理:读懂证据

诺奖 A · 证据与操控

让原子一个个数出腔里的光子

Sandbox Physics ·

一串非此即彼的原子读数,怎样在不吸收光场的情况下变成光子数估计?

探测器读的是原子,光子没有被吸收

2007 年,Guerlin 和同事做了一种特别的计数:数出腔里有几个微波光子,数完还让光留在原处。他们派进去的是 Rydberg 原子,也就是外层电子被激发到离原子核很远的原子。原子跃迁频率调离腔的共振,经过光场时,相位受到影响,光子却没有被它吸收。

每颗原子像一只小钟。事先准备好两部分内部态,它们之间有一个相对节拍,也就是相位。腔内光场会改变这个节拍,改变多少取决于有几个光子。前后两个 Ramsey 脉冲把它与参考比较,再转成两种可探测的原子状态。一颗原子只给一条线索,许多颗接力,才逐渐分开几个可能的光子数。

探测器真正记下的是原子结果、当时选择的分析相位和时间。研究者根据这串结果,更新每个光子数的可能性。最后画出的光子数轨迹带着测量的不确定性,后一个原子还可能改变前面的判断。

证据阅读:C. Guerlin et al. (2007), Progressive Field-State Collapse and Quantum Non-Demolition Photon Counting — author manuscript, arXiv:0707.3880; Nature 448, 889–893

试算两个候选的例子

先试一个简单例子。只有两个候选光子数,起初各占一半。某种原子结果在第一个候选下出现概率是五分之四,在第二个下是五分之一。看到这个结果,两个候选的概率就变成五分之四和五分之一,第一个现在是第二个的四倍。

如果第二个原子的似然相同、结果也相同,第一个候选的后验就升到十七分之十六;如果第二次结果的似然正好对调,两者又回到各占一半。这些算例假定光子数不变,且光子数给定时各次探测相互独立;两串结果都是用来说明算法的假想数据。

证据阅读:C. Guerlin et al. (2007), Progressive Field-State Collapse and Quantum Non-Demolition Photon Counting — author manuscript, arXiv:0707.3880; Nature 448, 889–893

每个候选光子数都要留着

算法就是 Bayes 规则:先看每个候选原来有多大可能,再乘上它给出这次结果的概率,最后把各项缩放到加起来等于一。式中 P 记第 k 次探测后光子数为 n 的概率;j 是下一次原子结果,phi 是选定的分析相位,ell 是这个结果在候选光子数下的标定概率。分母把各候选 r 的权重相加。这里先假定,这段探测期间光子数变化可以忽略。

保留整个分布很重要。两个候选几乎打平,和一个候选遥遥领先,显示出来的最佳猜测可能一样;但对一次声称的跃迁,两种情况给的可信度不同,对下一个原子结果的反应也可能不同。

Pk+1(n)=Pk(n) ℓ(jk∣n,φk)∑rPk(r) ℓ(jk∣r,φk)P_{k+1}(n)=\frac{P_k(n)\,\ell(j_k\mid n,\varphi_k)}{\sum_r P_k(r)\,\ell(j_k\mid r,\varphi_k)}

证据阅读:C. Guerlin et al. (2007), Progressive Field-State Collapse and Quantum Non-Demolition Photon Counting — author manuscript, arXiv:0707.3880; Nature 448, 889–893

相位读数每八个光子重复一次

实验中每个光子让原子相位转动约八分之一圈,所以理想响应每隔八个光子就重复一次。改变分析相位,能帮助区分这个范围内的候选,却不能把周期性的响应变成量程无限的绝对计数器。

在这个理想响应里,两个候选若刚好相差一个完整周期,每种原子结果的概率都会相同,再测许多次也分不开。实验需要事先说明候选光子数的范围;在这个范围里改变分析相位,后面的原子才有机会继续排除不同可能。

证据阅读:C. Guerlin et al. (2007), Progressive Field-State Collapse and Quantum Non-Demolition Photon Counting — author manuscript, arXiv:0707.3880; Nature 448, 889–893

“非破坏”针对的是某个特定的可观测量

Haroche 的论述把“光还留着”和“光的所有量子性质都还留着”分开来讲。在理想的色散相互作用里,探针不和光场交换能量,光子数因此不变;但一旦知道了光子数,条件光场态还是会变,不同数态分量之间的相干也可能消失。 这既是对光场的物理测量作用,也是我们根据结果更新判断的过程。

一长串探测期间,腔损耗和热交换仍会改变光子数,重建时就要把这些时间变化和探针作用一起算进去。保留原子结果和标定,还能检查推断:把初始分布放宽,看数据本身能缩小多少范围;有歧义的时段,几个候选应当同时保留。

这样,重复观测就有了实际内容:估计逐渐集中到一个整数,继续送入原子时仍停在那里;腔损失能量以后,又会跳到新的光子数。研究者跟踪的是同一份储存的光,一次原子读数接着一次。

证据阅读:S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture

来源与阅读说明

依据 Guerlin 等人 2007 年 arXiv 稿的原子结果、相位设置及光子数响应,并参考 Haroche 已发表的讲稿。两个候选的算术是编来的例子;QND Lab 按已声明的有限数态模型生成模拟原子结果,没有数字化历史原子序列,也不认证历史保真度。

  1. C. Guerlin et al. (2007), Progressive Field-State Collapse and Quantum Non-Demolition Photon Counting — author manuscript, arXiv:0707.3880; Nature 448, 889–893
  2. S. Haroche (2013), Nobel Lecture: Controlling Photons in a Box and Exploring the Quantum to Classical Boundary, Rev. Mod. Phys. 85, 1083–1102 — published version of the 2012 lecture
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