Ruído quântico - Quantum noise

Na física , o ruído quântico refere-se à incerteza de uma quantidade física que se deve à sua origem quântica. Em certas situações, o ruído quântico aparece como ruído de disparo ; por exemplo, a maioria das comunicações ópticas usa modulação de amplitude e, portanto, o ruído quântico aparece apenas como ruído de disparo . Para o caso de incerteza no campo elétrico em alguns lasers , o ruído quântico não é apenas ruído de disparo; incertezas de amplitude e fase contribuem para o ruído quântico. Esta questão torna-se importante no caso de ruído de um amplificador quântico , que preserva a fase. O ruído de fase torna-se importante quando a energia da modulação de frequência ou modulação de fase das ondas é comparável à energia do sinal (que se acredita ser mais robusto em relação ao ruído aditivo do que uma modulação de amplitude).

Origem

O ruído quântico pode ser observado em qualquer sistema onde as fontes convencionais de ruído (ruído industrial , vibrações, flutuações de tensão na fonte de alimentação elétrica, ruído térmico devido ao movimento browniano , etc.) são suprimidas de alguma forma. Ainda geralmente, o ruído quântico pode ser considerado como o erro da descrição de qualquer sistema físico dentro da teoria clássica (não quântica). É razoável incluir a consideração de quanta aparecendo ou desaparecendo espontaneamente no espaço-tempo devido às leis mais básicas de conservação, portanto, nenhuma área no espaço-tempo é desprovida de adição ou subtração potencial de um elemento quanta de mínimo denominador comum, causando "ruído" em um determinado experimento. Isso pode se manifestar como decoerência quântica em um sistema emaranhado, normalmente atribuída a diferenças térmicas nas condições que cercam cada partícula emaranhada considerada parte de um conjunto emaranhado. Como o emaranhamento é estudado intensamente em pares simples de fótons emaranhados, por exemplo, a decoerência observada nesses experimentos poderia muito bem ser sinônimo de "ruído quântico" quanto à fonte da decoerência. Por exemplo, se fosse possível que um quanta de energia aparecesse espontaneamente em um determinado campo, uma região do espaço-tempo, então diferenças térmicas deveriam estar associadas a este evento, portanto, causaria decoerência em um sistema emaranhado próximo ao evento. Em um circuito elétrico, as flutuações aleatórias de um sinal devido ao caráter discreto dos elétrons podem ser chamadas de ruído quântico. O erro aleatório das medidas interferométricas de posição, devido ao caráter discreto dos fótons registrados durante a medição, pode ser atribuído ao ruído quântico. Mesmo a incerteza da posição de uma sonda na microscopia de sonda pode ser parcialmente atribuída ao ruído quântico, embora este não seja o mecanismo dominante que determina a resolução de tal dispositivo. Na maioria dos casos, o ruído quântico refere-se às flutuações de sinal em sistemas óticos extremamente precisos com lasers estabilizados e detectores eficientes.

Estados coerentes e ruído de um amplificador quântico

Embora estados coerentes possam ser realizados em uma ampla variedade de sistemas físicos, eles são usados ​​principalmente para descrever o estado da luz laser. Embora a luz de um laser possa ser interpretada como uma onda clássica, a geração dessa luz requer a linguagem da mecânica quântica e, especificamente, o uso de estados coerentes para descrever o sistema. Para um número total de fótons da ordem de 10 8 , que corresponde a uma energia muito moderada, o erro relativo de medição da intensidade devido ao ruído quântico é apenas da ordem de 10 −5 ; isso é considerado de boa precisão para a maioria das aplicações.

O ruído quântico torna-se importante quando se considera a amplificação de um sinal pequeno. Grosso modo, a incerteza quântica dos componentes da quadratura do campo é amplificada, assim como o sinal; a incerteza resultante aparece como ruído. Isso determina o limite inferior de ruído de um amplificador quântico .

Um amplificador quântico é um amplificador que opera próximo ao limite quântico de seu desempenho. O ruído mínimo de um amplificador quântico depende da propriedade do sinal de entrada, que é reproduzido na saída. Em um sentido restrito, o amplificador quântico óptico reproduz a amplitude e a fase da onda de entrada. Normalmente, o amplificador amplifica muitos modos do campo óptico; esforços especiais são necessários para reduzir o número desses modos. No caso idealizado, pode-se considerar apenas um modo do campo eletromagnético, que corresponde a um pulso com polarização definida, estrutura transversal definida e tempo de chegada, duração e frequência definidos, com incertezas limitadas pelo princípio da incerteza de Heisenberg . O modo de entrada pode transportar algumas informações em sua amplitude e fase; o sinal de saída carrega a mesma fase, mas uma amplitude maior, aproximadamente proporcional à amplitude do pulso de entrada. Esse amplificador é chamado de amplificador invariante de fase .

Matematicamente, a amplificação quântica pode ser representada por um operador unitário , que confunde o estado do campo óptico com os graus de liberdade internos do amplificador. Esse emaranhamento aparece como ruído quântico; a incerteza do campo na saída é maior do que a do estado coerente com a mesma amplitude e fase. O limite inferior para esse ruído segue das propriedades fundamentais dos operadores de criação e aniquilação .

Veja também

Referências

Origens

  • CW Gardiner e Peter Zoller , Quantum Noise: A Handbook of Markovian and Non-Markovian Quantum Stochastic Methods with Applications to Quantum Optics , Springer-Verlag (1991, 2000, 2004).