СЖАТЫЕ СОСТОЯНИЯ СВЕТА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ

COMPRESSED STATES OF LIGHT AND THEIR APPLICATION IN PRECISION MEASUREMENTS

Krasnyukov Dmitry Sergeevich

Student, Department of Computer Science and Robotic Systems, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

Guzenko Artem Gennadievich

Student, Department of Computer Science and Robotic Systems, Volga Region State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

Zhukov Sergey Vadimovich

Scientific supervisor, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Volga State University of Telecommunications and Informatics,

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается сжатое состояние света и его применение в прецизионных измерениях. Современная квантовая оптика активно исследует свойства света, выходящие за рамки классического представления, в частности, особые состояния света, характеризующиеся уменьшенной флуктуацией и высокой степенью когерентности. Среди таких состояний особое место занимают сжатые состояния света, которые позволяют значительно снизить уровень шума и повысить точность измерений. Их применение открывает новые возможности в области прецизионных измерений, включая квантовую метрологию, квантовую оптическую связь и сенсорику. Актуальность данной темы обусловлена необходимостью повышения точности и чувствительности измерительных систем, что особенно важно в сферах, связанных с фундаментальными физическими исследованиями, разработкой новых методов связи и навигации, а также в области медицины и материаловедения. Использование сжатых состояний света позволяет преодолеть стандартные квантовые лимиты, что делает их ценным инструментом для расширения границ возможных измерений. В связи с этим изучение характеристик, методов генерации и применения сжатых состояний света является актуальной задачей современной науки и техники.

ABSTRACT

The article discusses the compressed state of light and its application in precision measurements. Modern quantum optics actively explores the properties of light that go beyond the classical concept, in particular, special states of light characterized by reduced fluctuations and a high degree of coherence. Among such states, a special place is occupied by compressed states of light, which can significantly reduce noise levels and improve measurement accuracy. Their application opens up new possibilities in the field of precision measurements, including quantum metrology, quantum optical communication and sensors. The relevance of this topic is due to the need to improve the accuracy and sensitivity of measuring systems, which is especially important in areas related to fundamental physical research, the development of new methods of communication and navigation, as well as in the field of medicine and materials science. The use of compressed states of light makes it possible to overcome standard quantum limits, which makes them a valuable tool for expanding the boundaries of possible measurements. In this regard, the study of the characteristics, methods of generation and application of compressed states of light is an urgent task of modern science and technology.

Ключевые слова: физика, свет, сжатое состояние, прецизионные измерения.

Keywords: physics, light, compressed state, precision measurements.

Обзор понятий и характеристик квантовых состояний света является важной составляющей современного научного дискурса, особенно в контексте исследований в области квантовой оптики и прецизионных измерений. В рамках данной темы необходимо рассмотреть как классические, так и квантовые модели электромагнитного поля, а также их свойства и особенности, определяющие использование сжатых состояний для достижения высокой точности измерений [1].

Классическая теория электромагнитного поля, основанная на уравнениях Максвелла, описывает свет как электромагнитную волну, характеризуемую амплитудой, частотой, фазой и поляризацией. В этом контексте свет представляется как непрерывная волна с определенными параметрами, которые могут быть измерены и изменены в рамках классической физики. Однако, при переходе к микро- и наноразмерным масштабам, а также при необходимости высокой точности измерений, становится очевидной необходимость использования квантовой модели электромагнитного поля [1].

Квантовая модель, основанная на квантовой теории поля и теории квантовой оптики, представляет свет как поток квантов — фотонов, обладающих дискретными свойствами и квантовыми характеристиками. В рамках квантовой теории электромагнитного поля используются такие понятия, как квантовые состояния света, операторы поля, когерентные, сжаты и сверхсжатые состояния (squeezed states). Эти состояния описываются волновыми функциями или состояниями в гильбертовом пространстве, что позволяет учитывать квантовые флуктуации и корреляции между фотонами [2].

Например, когерентные состояния (coherent states) являются наиболее "классическими" квантовыми состояниями света, характеризующимися минимальной неопределенностью и стабильной фазовой характеристикой. В противоположность им, сжатые состояния (squeezed states) демонстрируют уменьшение неопределенности в одной из квадруполярных компонент поля за счет увеличения неопределенности в другой, что делает их особенно полезными для прецизионных измерений [2].

Особенностью квантовых состояний света является наличие квантовых флуктуаций, которые обусловлены фундаментальной природой квантовой механики. Эти флуктуации не могут быть устранены классическими методами, однако, с помощью методов квантовой оптики, таких как сжатие (squeezing), возможно существенно снизить неопределенность в определенных квадруполярных компонентах поля. В результате, сжатые состояния позволяют повысить чувствительность измерительных систем, что является важнейшим преимуществом в задачах квантовой метрологоии, включая гравитационно-волновую астрономию и квантовую интерферометрию [2].

Для характеристики квантовых состояний света применяются такие параметры, как уровень сжатия (degree of squeezing), параметры дисперсии, корреляционные функции и матрицы плотности. Важное место занимает понятие квантовой флуктуационной неопределенности, связанной с минимизацией неопределенности в одной из квадруполярных переменных за счет увеличения в другой, что соответствует теореме о минимальной неопределенности Гейзенберга. Кроме того, в рамках квантовой теории вводятся операторы поля, такие как оператор антипараллельных квадруполярных компонентов, и исследуются их свойства в различных состояниях [2].

Особенности сжатых состояний света проявляются и в их применимости к прецизионным измерениям. Благодаря снижению уровня квантовых шумов, данные состояния позволяют повысить чувствительность интерферометрических систем, таких как гравитационно-волновые детекторы (например, детектор ЛИГО), где важна каждая единица измеренной флуктуации. В этом контексте, исследования в области сжатых состояний связаны также с вопросами их генерации, устойчивости и интеграции в существующие измерительные платформы [3].

Определение и свойства сжатых состояний света, таких как сжатие по амплитуде и фазе, являются фундаментальными аспектами квантовой оптики и играют ключевую роль в развитии современных прецизионных измерительных технологий, включая интерферометрию высокой точности и квантовые сенсоры. В рамках данной темы особенно важны концепции, связанные с квантовыми состояниями света, которые демонстрируют уменьшение неопределенности по определённым квадратичным компонентам электромагнитного поля за счёт явлений сжатия (англ. squeezing) [4].

Сжатие по амплитуде и фазе — это проявления квантового ограничения неопределённости, исходящие из принципа неопределённости Гейзенберга. В классической оптике свет описывается монохроматическим полем с определёнными амплитудой и фазой; в квантовой — его состояние моделируется с помощью оператора поля, который может находиться в состоянии с минимальной дисперсией (или сжатом состоянии). Эти состояния характеризуются уменьшенной неопределённостью в одной из квадратичных компонент (например, амплитуды или фазы) при сохранении увеличенной неопределённости в другой, что соответствует фундаментальным ограничениям квантовой теории [4].

Свойства сжатого состояния проявляются в его способности повышать точность прецизионных измерений за счёт снижения шума, обусловленного квантовой природой светового поля. В частности, сжатие по амплитуде позволяет уменьшить шум в измерениях интенсивности, тогда как сжатие по фазе — в измерениях фазы, что является критичным в интерферометрии, особенно в задачах обнаружения гравитационных волн или квантовой метрологии. Однако, необходимо учитывать, что увеличение неопределённости в несжатой квадратичной компоненте ограничивается принципом Гейзенберга, что накладывает фундаментальные ограничения на степень сжатия [4].

Для практического применения сжатых состояний в прецизионных измерениях важно учитывать параметры их генерации и стабильность. Обычно сжатые состояния получают при помощи нелинейных оптических процессов, таких как спонтанное параметрическое усиление в нелинейных кристаллах или оптических волокон, где происходит преобразование энергии за счёт нелинейных взаимодействий. Эти методы позволяют достичь значительных уровней сжатия, что в свою очередь повышает чувствительность измерительных систем [5].

Механизмы генерации сжатых состояний света представляют собой важнейшую область современной оптики, особенно в контексте разработки прецизионных измерительных систем, где требования к фазовой стабильности и уменьшению шумов достигают критических значений. В рамках данной темы особое значение приобретают нелинейные оптические процессы, такие как спонтанное и индуцированное сжатие, являющиеся фундаментальными инструментами для генерации и управления сжатыми состояниями электромагнитного поля.

Спонтанное сжатие (squeezing) возникает в результате квантовых нелинейных взаимодействий в среде с высоким уровнем нелинейности, например, в кристаллах с χ^(2)-или χ^(3)-неподвижностью. В этих условиях, за счет квантовых флуктуаций, происходит перераспределение неопределенности между компонентами поля, что приводит к уменьшению дисперсии одной из квадрупольных составляющих (например, амплитудной или фазовой) ниже уровня стандартного квантового шума. Этот эффект может быть достигнут посредством процессов спонтанного диазотопического или спонтанного оптического сжатия в оптических резонаторах, где усиление нелинейных взаимодействий происходит за счет резонансных условий и высокой интенсивности полей [5].

Индуцированное сжатие (или активное сжатие) осуществляется при помощи внешних управляемых нелинейных процессов, в которых параметрические взаимодействия управляются через внешний источник, например, лазерный генератор или помехоустойчивый резонатор. В этом случае, за счет проведения нелинейных процессов, таких как операторное усиление сжатия в оптических усилителях на основе оптических колец или поляритонных структур, достигается уменьшение квантовых шумов в определенных компонентах поля. Значительное преимущество индуцированного сжатия заключается в возможности активного контроля параметров состояния и его стабильности, что особенно важно при реализации высокоточных измерительных систем.

Механизм спонтанного сжатия базируется на эффекте квантовой нелинейности, в особенности, на взаимодействии фотонных пар, порождаемых через процесс спонтанного параметрического рассеяния (SPDC). В таких системах квантовые корреляции между фотонами приводят к уменьшению неопределенности в одной из квадрупольных компонент поля, одновременно увеличивая ее в другой, благодаря фундаментальному принципу неопределенности Гейзенберга. В результате, состояние поля приобретает свойства сжатого состояния, при которых флуктуации в одной квадрупольной компоненте существенно ниже стандартного квантового шума, что критически важно для прецизионных измерений и квантовой метрологии [6].

Процессы индуцированного сжатия, в свою очередь, используют активное управление параметрами нелинейных взаимодействий, таких как параметры резонатора, интенсивность входного сигнала или фаза возбуждения. Например, при использовании оптических оптоволоконных усилителей или оптических резонаторов с χ^(3)-эффектом достигается активное управление состоянием поля, позволяющее минимизировать шумы и повысить устойчивость сжатых состояний. В таких системах, благодаря управляемости параметров, можно реализовать устойчивые сжатые состояния, что расширяет спектр их практического применения [6].

Интеграция нелинейных оптических процессов в системы генерации сжатых состояний позволяет добиться значительных преимуществ при реализации прецизионных измерений. В частности, сжатые состояния света находят применение в квантовой интерферометрии, квантовой оптической метрологии, а также в квантовых вычислениях и коммуникациях, где критически важна высокая фазовая чувствительность и низкий уровень шума. Технологии, базирующиеся на спонтанном и индуцированном сжатии, позволяют не только повысить точность измерений, но и создать новые платформы для исследования фундаментальных аспектов квантовой оптики.

Преимущества сжатых состояний света для повышения точности и чувствительности в прецизионных измерениях обусловлены их уникальными квантовыми свойствами, которые позволяют существенно снизить уровень шума и повысить сигнально-шумовые характеристики системы. В классической оптике точность измерений ограничена стандартным квантовым ограничением, однако применение квантовых состояний, таких как сжатое состояние (squeezed state), позволяет преодолеть эти ограничения и реализовать более высокую чувствительность [7].

Основное преимущество сжатых состояний заключается в их способности уменьшать неопределенность в одной из наблюдаемых величин (например, в фазе или интенсивности), одновременно допускаючи увеличение неопределенности в сопряженной переменной в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга. В случае фазовых сжатых состояний, снижение флуктуаций фазы способствует повышению точности интерферометрических измерений (например, в гравитационно-волновых детекторах типа LIGO и Virgo), где минимизация флуктуаций фазы критична для обнаружения слабых сигналов [7].

Кроме того, использование сжатых состояний способствует уменьшению влияния так называемого "белого шума" (shot noise), возникающего из-за квантовых флуктуаций фотонного числа. В результате, системы, работающие с использованием таких состояний, демонстрируют существенно меньшую чувствительность к квантовым шумам, что напрямую влияет на снижение ошибок измерения и повышение разрешающей способности. Это особенно важно в прецизионных измерениях, где даже минимальные отклонения могут иметь значительные последствия для интерпретации результатов.

Применение сжатых состояний позволяет нивелировать ограничения, связанные с классическими методами, за счет использования квантовой корреляции между фотонами (корреляционные свойства), которая усиливает сигнальные компоненты по сравнению с шумовыми. В частности, квантовые корреляции в сжатых состояниях создают условия, при которых возбуждается эффект "подавления шума" в наблюдаемых переменных, что в свою очередь увеличивает чувствительность измерительной системы.

Научная значимость использования сжатых состояний подтверждается их успешным внедрением в экспериментальные установки, где удалось добиться существенного повышения точности измерений. В частности, в гравитационно-волновых детекторах применение сжатых состояний позволило увеличить чувствительность и расширить спектр обнаруживаемых сигналов, что стало важным вкладом в развитие квантовой метрологии и прецизионной оптики.

В заключение, можно отметить, что изучение сжатых состояний света и их применение в прецизионных измерениях является крайне актуальной и перспективной областью современной науки и техники. Разработка и внедрение таких методов позволяют значительно повысить точность и чувствительность измерительных систем, что имеет важное значение для решения актуальных мировых задач, таких как повышение эффективности коммуникационных технологий, развитие квантовых вычислений и обеспечение высокоточного мониторинга окружающей среды.

В условиях стремительного технологического прогресса и необходимости преодоления границ классической физики, использование сжатых состояний света открывает новые возможности для достижения прорывных результатов в научных исследованиях и практических приложениях. Таким образом, исследование и применение сжатых состояний света не только способствует развитию фундаментальной науки, но и обладает потенциалом для значительного вклада в решение глобальных проблем современности, таких как безопасность, экологическая устойчивость и технологический прогресс.

Список литературы:

1. Белинский, А. В. Вектор состояния квантовой системы: математическая абстракция или физическая реальность? / А. В. Белинский // Квантовая оптика. – 2016. – № 4. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vektor-sostoyaniya-kvantovoy-sistemy-matematicheskaya-abstraktsiya-ili-fizicheskaya-realnost (дата обращения: 16.11.2025).
2. Гузик, В. Ф. Разработка и исследование квантовых моделей преобразования изображений / В. Ф. Гузик // Цифровая обработка сигналов и машинное зрение. – 2021. – № 2. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-i-issledovanie-kvantovyh-modeley-preobrazovaniya-izobrazheniy (дата обращения: 16.11.2025).
3. Пархоменко, Н. Г. Модель взаимодействия сознания и Вселенной с позиций квантовой физики / Н. Г. Пархоменко // Философия науки. – 2023. – № 1. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/model-vzaimodeystviya-soznaniya-i-vselennoy-s-pozitsiy-kvantovoy-fiziki (дата обращения: 16.11.2025).
4. Рахимов, Р. Х. Взаимосвязь и интерпретация эффектов в квантовой механике и классической физике / Р. Х. Рахимов // Успехи современной физики. – 2024. – № 3. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vzaimosvyaz-i-interpretatsiya-effektov-v-kvantovoy-mehanike-i-klassicheskoy-fizike (дата обращения: 16.11.2025).
5. Сюракшин, А. В. Квантовые модели в биологии / А. В. Сюракшин // Современные биотехнологии. – 2022. – № 5. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kvantovye-modeli-v-biologii (дата обращения: 16.11.2025).
6. Трубилко, А. И. Квантовая дуальность для простейшей системы / А. И. Трубилко // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2015. – Т. 148, № 2. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kvantovaya-dualnost-dlya-prosteyshey-sistemy (дата обращения: 16.11.2025).
7. Трунев, А. П. Гравитационные волны и коэффициент эмерджентности классических и квантовых систем / А. П. Трунев // Общая теория относительности и космология. – 2014. – № 1. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/gravitatsionnye-volny-i-koeffitsient-emerdzhentnosti-klassicheskih-i-kvantovyh-sistem (дата обращения: 16.11.2025).