論文の概要: Quantum structured light: Non-classical spin texture of twisted single-photon pulses

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2102.13248v3
• Date: Tue, 4 May 2021 00:21:59 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-04-09 20:47:41.756504
• Title: Quantum structured light: Non-classical spin texture of twisted single-photon pulses
• Title（参考訳）: 量子構造光:ねじれた単光子パルスの非古典スピンテクスチャ
• Authors: Li-Ping Yang and Zubin Jacob
• Abstract要約: 単一光子のスピンとOAMの量子密度の枠組みはいまだ解明されていない。 我々は、理論的な枠組みを開発し、単一光子レベルでの時空波パケットのための量子構造化光の概念を提唱する。 我々の研究は、ツイスト単一光子パルスにおける量子スピン-OAM物理学の道を開いた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 8.19841678851784
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Classical structured light with controlled polarization and orbital angular momentum (OAM) of electromagnetic waves has varied applications in optical trapping, bio-sensing, optical communications and quantum simulations. The classical electromagnetic theory of such structured light beams and pulses have advanced significantly over the last two decades. However, a framework for the quantum density of spin and OAM for single-photons remains elusive. Here, we develop a theoretical framework and put forth the concept of quantum structured light for space-time wavepackets at the single-photon level. Our work marks a paradigm shift beyond scalar-field theory as well as the paraxial approximation and can be utilized to study the quantum properties of the spin and OAM of all classes of twisted quantum light pulses. We capture the uncertainty in full three-dimensional (3D) projections of vector spin demonstrating their quantum behavior beyond the conventional concept of classical polarization. Even in laser beams with high OAM along the propagation direction, we predict the existence of large OAM quantum fluctuations in the transverse plane which can be verified experimentally. We show that the spin density generates modulated helical texture beyond the paraxial limit and exhibits distinct statistics for Fock-state vs. coherent-state twisted pulses. We introduce the quantum correlator of photon spin density to characterize the nonlocal spin noise providing a rigorous parallel with fermionic spin noise operators. Our work paves the way for quantum spin-OAM physics in twisted single photon pulses and also opens explorations for new phases of light with long-range spin order.
• Abstract（参考訳）: 電磁波の偏光と軌道角運動量(OAM)を制御する古典的な構造光は、光トラップ、バイオセンシング、光通信、量子シミュレーションに様々な応用がある。 このような構造を持つ光線とパルスの古典的な電磁理論は、過去20年間に大きく進歩してきた。 しかし、スピンと単一光子のOAMの量子密度の枠組みはいまだ解明されていない。 ここでは、理論的枠組みを開発し、単一光子レベルでの時空間波束に対する量子構造光の概念を提示する。 我々の研究は、スカラー場理論を超越したパラダイムシフトであり、同軸近似であり、ねじれた量子光パルスの全てのクラスのスピンとoamの量子特性の研究に利用できる。 ベクトルスピンの3次元(3次元)射影における不確実性は、従来の古典偏極の概念を超えた量子的挙動を示す。 伝播方向に沿って高いOAMのレーザビームであっても、実験により検証可能な横面における大きなOAM量子揺らぎの存在を予測できる。 スピン密度は、同軸限界を超える変調ヘリカルテクスチャを生成し、フォック状態とコヒーレント状態のツイストパルスの異なる統計値を示す。 フェルミオンスピンノイズ演算子と厳密に平行な非局所スピンノイズを特徴付けるために、光子スピン密度の量子コリレータを導入する。 我々の研究は、ツイスト単一光子パルスにおける量子スピン-OAM物理学の道を切り開くとともに、長距離スピン秩序を持つ新しい光の位相を探究する。

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