Квантовая азбука: «Когерентность»
Можно ли потревожить квантовую систему чуть-чуть, а потом вернуть все обратно?
Что такое когерентность? Есть ли какие-то хорошие аналогии из классической физики?
Понятие когерентности впервые возникает именно в классической физике, когда речь идет про колебания. Классическая когерентность — это постоянство относительной фазы между двумя или более волновыми процессами одной частоты. Когда говорят о когерентности всегда вспоминают интерференцию — эффект, при котором суммарный поток энергии от нескольких когерентных источников в некоторой точке пространства получается не непосредственным сложением потоков энергии от каждого источника, а чуть сложнее. Говоря формально, нужно сложить комплексные амплитуды, которые описывают приходящую от каждого источника волну, потом взять модуль полученного комплексного числа и возвести его в квадрат (с некоторым коэффициентом, чтоб с размерностями все было хорошо).
За счет суммирования комплексных амплитуд, а не интенсивностей, в пространственном профиле интенсивности образуется хорошо знакомая интерференционная картинка. Именно отличие результирующей интенсивности волнового процесса от суммы интенсивностей его составляющих и есть признак интерференции.
Теперь к квантовой механике. Одним из основных положений квантовой механики является то, что микроскопические частицы в своем поведении проявляют волновые свойства. Но если в классической физике мы говорили, например, о волнах напряженности электромагнитного поля, то для микроскопических частиц речь идет волнах вероятности, описывающимися комплексными «амплитудами вероятности», известными также под названием «волновая функция». Именно эта идея заложена в уравнение Шрёдингера.
Для волн вероятности, как и любых других волн, также характерны все те же эффекты, связанные с возможностью наложения волн друг на друга. В квантовой механике такое наложение называют (когерентной) суперпозицией. Именно суперпозиция приводит к «квантовым» эффектам дифракции и интерференции.
Квантовые системы могут находиться в когерентной суперпозиции состояний, даже если это суперпозиция (с классической точки зрения) взаимоисключающих состояний. Прямое применение квантовых законов к классическому миру ведет к парадоксальным ситуациям, одна из наиболее известных — кошка Шрёдингера. Да, в ящик Шрёдингер хотел посадить именно кошку (die Katze), а не кота.
Почему когерентность необходима для квантовых вычислений?
Квантовая когерентность позволяет реализовать квантовый параллелизм. Архитектура квантовых компьютеров отличается от архитектуры классический вычислений в нескольких важных аспектах (про это в квантовой азбуке уже говорилось, но напомнить основы будет не лишним).
Система битов заменяется на систему кубитов, которая находится в некотором начальном состоянии. Логические операции выполняются не классическими логическими элементами, а их квантовыми аналогами. Таким образом, в квантовом компьютере через квантовый логический элемент («гейт») может проходить сразу целый набор (когерентная суперпозиция) входных сигналов, дающих суперпозицию соответствующих выходных сигналов. Это и обеспечивает преимущество квантовых вычислений над классическими в некоторых классах задач, например, в задаче факторизации.
Правда тут есть тонкость: после того как квантовый компьютер закончит вычисления, ответы к задачам, которые он решал, будут также находиться в состоянии суперпозиции. Как только мы попытаемся выяснить, каковы эти ответы, мы получим только один, случайно выбранный ответ. Но проделав вычисления много раз, мы можем говорить об ответе с достаточной степенью вероятности.
Квантовый компьютер имеет преимущество над классическим в определенных классах задач. С одной стороны, это ограничивает его применения и свидетельствует о том, что он, возможно, не заменит нам классический персональный компьютер. Хотя, высказывая подобные предположения стоит помнить о том, что на заре компьютерной эры миру приписывали необходимость всего в пяти компьютерах.
Кроме того, класс задач, с которым квантовый компьютер справляется лучше классического, лежит в основе современных представлений о криптографии и информационной безопасности. Так что возможное появление квантового компьютера уже меняет правила в информационных технологиях.
Что такое декогеренция, какие процессы могут к ней приводить?
В классической физике явление декогеренции также существует. Декогеренция — нарушение когерентности — это исчезновение когерентных свойств, связанное с потерей постоянства относительной фазы между источниками, что, например, приводит к разрушению интерференционной картины, о которой мы говорили выше.
В квантовой механике все сложнее и намного интереснее. Декогеренция представляет собой взаимодействие квантовой системы с окружающей средой, при котором квантовое состояние системы неконтролируемо изменяется. С точки зрения теории квантовой информации декогеренции соответствует возникновение запутанности между степенями свободы квантового состояния и степеняими свободы окружения.
При этом в окружение попадает часть информации о квантовом объекте, в то время, как в квантовую систему попадает часть информации об окружении. Декогеренция происходит из-за того, что хаос неопределенности состояния окружения врывается в состояние квантовой системы, изменяя его неконтролируемым образом.
Если рассматривать поведение всех, в том числе и макроскопических, объектов с точки зрения квантовой механики, то декогеренции соответствует возникновение запутанности между конкретным квантовым объектом и окружением. По причине декогеренции мы не видим кошек, одновременно бегущих в противоположных направлениях.
Как определить, что произошла декогеренция?
Декогеренцию можно обнаружить, например, по исчезновению интерференционной картины. Есть такой простой эксперимент «Welcher Weg» («который путь»). В нем, фактически, мы просто посылаем фотоны на светоделитель, через который фотон либо проходит (назовем это «путь 1»), либо отражается (назовем это «путь 2»). Затем с использованием зеркал мы сводим два пути в другой светоделитель, на каждом из выходов которого стоит детектор одиночных фотонов.
К примеру, если в этом эксперименте интерферометр (т.е. соотношение между длинами путей) изначально был настроен на то, что все фотоны выходят строго в одном из двух направлений выходного светоделителя. При декогеренции, т.е. разрушения состояния когеретной суперпозиции между путями, они будут выходить с вероятностью 1/2 в каждом из двух направлений.
Предположим, квантовый компьютер выполнял некую операцию и произошла декогеренция (например, на середине исполнения алгоритма Шора, или каких-либо более простых операций). Каков будет результат вычисления, чем он будет отличаться от вычисления на полностью когерентных кубитах?
Декогеренция будет приводит к искаженному результату вычислений (который, возможно, еще и будет меняться от запуска к запуску) в выходном квантовом регистре. Например, в результате выполнения алгоритма Шора для числа 15 мы будем получать не стабильно 3 и 5, а с какой-то вероятностью 3 и 5, и с какой-то вероятностью всевозможные иные результаты (2 и 4, 3 и 6 и т.д.)
Как бороться с декогеренцией? Можете ли Вы привести какие-то примеры? Сложнее ли сохранять когерентность в многокубитных системах?
Для борьбы с декогеренцией нужен контроль окружения, поскольку даже малейшее воздействие окружения может привести к декогеренции. Таким образом, нужно чтобы изучать квантовые суперпозиции, необходимо тщательно изолировать их от окружающей среды.
Интересно, что последнее обстоятельство породило концепцию квантового сенсора: раз квантовые состояния так чувствительны к внешним воздействиям, значит с их помощью можно проводить сверхчувствительные измерения. Недавно с помощью квантового сенсора на NV-центрах было проведено измерение сигнала от отдельного нейрона.
На практике для борьбы с декогеренцией используются низкие температуры и различные компенсационные схемы для медленно меняющихся флуктуаций в параметрах окружающей среды. Например, ученые научились обращать декогеренцию вспять в экспериментах с «спиновым эхо» (о нем чуть ниже).
В многокубитных системах сложнее балансировать между необходимостью заставить кубиты «слышать» друга друга и «разговаривать» между собой, и при этом «не слышать» окружение. Принципиальных физических ограничений для этого нет, но на пути к решению такой задачи есть ряд технологический затруднений.
Как долго сохраняется когерентность в современных кубитах?
Недавно ученые Мэрилендского университета построили устройство из пяти кубитов на основе ионов иттербия в электромагнитных ловушках (о ней N+1 писал). В частности, в этой работе, являющейся одной из самых свежих, это времена порядка секунд.
Насколько эта величина соответствует требованиям, предъявляемым концепцией квантовых компьютеров?
Нужно чтобы время когерентности превосходило время, за которое происходит вычисление и коррекция ошибок. Таким образом, достижимое время когерентности является достаточным чтобы проводить вычисления. Однако этого пока недостаточно, чтобы сделать полноценный и универсальный квантовый компьютер, поскольку для этого требуется долговременная память и другие элементы, в которых время когерентности должно быть больше. Другой интересный подход состоит в развитии топологических квантовых вычислений, которые являются устойчивыми к ошибкам.
Как связана декогеренция и коллапс волновой функции? Это про одно и то же?
Это «добрый полицейский» и «злой полицейский».
Суть обоих этих процессов состоит в утечке информации о состоянии квантовой системы в окружающую среду. Когда говорят о декогеренции, данный процесс представляется относительно плавным и растянутым во времени — как допрос доброго полицейского. В случае коллапса он подразумевается практически мгновенным и интенсивным — злому полицейскому нужны ответы сразу. И неважно что там с дальше будет с нашей квантовой системой.
Часто говорят о коллапсе волновой функции в момент измерения, хотя фактически измерение есть срежессированная версия декогеренции, при которой роль окружения берет на себя измерительный прибор, транслирующий информацию о квантовой системе на макроскопический уровень (условно говоря, на отклонение стрелки). Можно сказать, также, что коллапс волновой функции представляет собой предельный случай декогеренции.
А можно декогеренцию чуть-чуть сломать, а потом вернуть на место?
Исходя из природы процесса декогеренции понятно, что для обращения декогеренции требуется вернуть информацию, известную окружению о квантовой системе, обратно в квантовую систему, т.е. макроскопическому окружению требуется её «забыть». В общем, это очень сложно, поскольку процесс утечки информации является необратимым из-за того, что степеней свободы, в которых эта информация может храниться чрезвычайно много, и все они быстро обмениваются ей между собой. Поэтому чтобы вернуть все на свои места нужно достаточно хорошо контролировать окружение. Все как у людей, в общем.
Однако принципиально трюк по обращению декогеренции возможен, например, в эксперименте под названием «спиновое эхо». Его суть состоит в том, что время эволюции квантовой системы (например, ядерного спина) было гораздо меньше, чем время характерного изменения внешних условий (магнитного поля). Применяя специальную последовательность операций, можно обращать процесс утечке информации о квантовой системы вспять.
Подготовили материал Владимир Королев и Андрей Коняев
Когерентность (физика)
Классический пример двух когерентных колебаний — это два синусоидальных колебания одинаковой частоты.
Когерентность волны означает, что в различных пространственных точках волны осцилляции происходят синхронно, то есть разность фаз между двумя точками не зависит от времени. Отсутствие когерентности, следовательно — ситуация, когда разность фаз между двумя точками не постоянна, а меняется со временем. Такая ситуация может иметь место, если волна была сгенерирована не единым излучателем, а совокупностью одинаковых, но независимых (то есть нескоррелированных) излучателей.
Изучение когерентности световых волн приводит к понятиям временно́й и пространственной когерентности. При распространении электромагнитных волн в волноводах могут иметь место фазовые сингулярности. В случае волн на воде когерентность волны определяет так называемая вторая периодичность.
Без когерентности невозможно наблюдать такое явление, как интерференция.
Радиус когерентности — расстояние, при смещении на которое вдоль псевдоволновой поверхности, случайное изменение фазы достигает значения порядка π.
Процесс декогеренции — нарушение когерентности, вызываемое взаимодействием частиц с окружающей средой.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Эта статья — об энергетическом спектре квантовой системы. О распределении частиц по энергиям в излучении см. Спектр, Спектр излучения. Об энергетическом спектре сигнала см. Спектральная плотность.Энергетический спектр — набор возможных энергетических уровней квантовой системы.
Значение слова когерентность
Словарь лингвистических терминов
1. (лат. cohaerens находящийся в связи)
Согласованное протекание во времени нескольких процессов.
2. Глобальная связность в тексте (Н.А. Николина).
Термины и понятия лингвистики: Лексика. Лексикология. Фразеология
(лат. cohaerens находящийся в связи)
Согласованное протекание во времени нескольких процессов.
Философский словарь (Конт-Спонвиль)
Связность (co-haerens), но не столько физическая, сколько логическая. Когерентным называют то, что непротиворечиво. Нетрудно заметить, что когерентность не может служить доказательством, вернее, служит доказательством только самой себя. Связная и непротиворечивая ошибка еще не становится истиной.
Толковый переводоведческий словарь
согласованное протекание во времени нескольких процессов.
Термины и понятия: Методы исследования и анализа текста. Словарь-справочник
Глобальная связность в тексте (Н.А. Николина).
Энциклопедический словарь
Большая Советская Энциклопедия
(от латинского cohaerens ≈ находящийся в связи), согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, проявляющееся при их сложении. Колебания называются когерентными, если разность их фаз остаётся постоянной во времени и при сложении колебаний определяет амплитуду суммарного колебания. Два гармонических (синусоидальных) колебания одной частоты всегда когерентны. Гармоническое колебание описывается выражением: х = A cos (2pvt + j), (
где х ≈ колеблющаяся величина (например, смещение маятника от положения равновесия, напряжённость электрического и магнитного полей и т.д.). Частота гармонического колебания, его амплитуда А и фаза j постоянны во времени. При сложении двух гармонических колебаний с одинаковой частотой v, но разными амплитудами A1 и А2 и фазами j1 и j2, образуется гармоническое колебание той же частоты. Амплитуда результирующего колебания:
может изменяться в пределах от A1 + А2 до А1 ≈ А2 в зависимости от разности фаз j1 ≈ j2 (). Интенсивность результирующего колебания, пропорциональная Ар2 также зависит от разности фаз.
Если же фазы колебаний j1 и j2 изменяются, но их разность j1 ≈ j2 остается постоянной, то интенсивность суммарного колебания, как в случае идеально гармонических колебаний, определяется разностью фаз складываемых колебаний, то есть имеет место К. Если разность фаз двух колебаний изменяется очень медленно, то говорят, что колебания остаются когерентными в течение некоторого времени, пока их разность фаз не успела измениться на величину, сравнимую с p.
Можно сравнить фазы одного и того же колебания в разные моменты времени t1 и t2, разделённые интервалом t. Если негармоничность колебания проявляется в беспорядочном, случайном изменении во времени его фазы, то при достаточно большом t изменение фазы колебания может превысить p. Это означает, что через время t гармоническое колебание «забывает» свою первоначальную фазу и становится некогерентным «само себе». Время t называется временем К. негармонического колебания, или продолжительностью гармонического цуга. По истечении одного гармонического цуга он как бы заменяется другим с той же частотой, но др. фазой.
При распространении плоской монохроматической электромагнитной волны в однородной среде напряжённость электрического поля Е вдоль направления распространения этой волны ох в момент времени t равна:
где l = сТ≈ длина волны, с ≈ скорость её распространения, Т ≈ период колебаний. Фаза колебаний в какой-нибудь определённой точке пространства сохраняется только в течение времени К. т. За это время волна распространится на расстояние сt и колебания Е в точках, удалённых друг от друга на расстояние сt, вдоль направления распространения волны, оказываются некогерентными. Расстояние, равное сt вдоль направления распространения плоской волны на котором случайные изменения фазы колебаний достигают величины, сравнимой с p, называют длиной К., или длиной цуга.
Видимый солнечный свет, занимающий на шкале частот электромагнитных волн диапазон от 4Ч1014 до 8Ч1014гц, можно рассматривать как гармоническую волну с быстро меняющимися амплитудой, частотой и фазой. При этом длина цуга
Всё сказанное справедливо для плоской волны. Однако идеально плоская волна так же неосуществима, как и идеально гармоническое колебание (см. Волны ). В реальных волновых процессах амплитуды и фаза колебаний изменяются не только вдоль направления распространения волны, но и в плоскости, перпендикулярной этому направлению. Случайные изменения разности фаз в двух точках, расположенных в этой плоскости, увеличиваются с увеличением расстояния между ними. К. колебаний в этих точках ослабевает и на некотором расстоянии l, когда случайные изменения разности фаз становятся сравнимыми с p, исчезают. Для описания когерентных свойств волны, в плоскости, перпендикулярной направлению ее распространения, применяют термин пространственная К., в отличие от временной К., связанной со степенью монохроматичности волны. Все пространство, занимаемое волной, можно разбить на области, в каждой из которых волна сохраняет К. Объём такой области (объём К.) приблизительно равен произведению длины цуга сt на площадь круга диаметром / (размер пространственной К.).
Нарушение пространственной К. связано с особенностями процессов излучения и формирования волн. Например, пространственная К. световой волны, излучаемой протяжённым нагретым телом, исчезает на расстоянии от его поверхности всего в несколько длин волн, т.к. разные части нагретого тела излучают независимо друг от друга (см. Спонтанное излучение ). В результате вместо одной плоской волны источник излучает совокупность плоских волн, распространяющихся по всем возможным направлениям. По мере удаления от теплового источника (конечных размеров), волна все больше и больше приближается к плоской. Размер пространственной К. l растет пропорционально l ═≈ где R ≈ расстояние до источника, r ≈ размеры источника. Это позволяет наблюдать интерференцию света звёзд, несмотря на то, что они являются тепловыми источниками огромных размеров. Измеряя / для света от ближайших звёзд, удаётся определить их размеры r. Величину l/r называют углом К. С удалением от источника интенсивность света убывает как 1/R2. Поэтому с помощью нагретого тела нельзя получить интенсивное излучение, обладающее большой пространственной К.
В оптике наиболее распространённым способом получения двух когерентных волн является расщепление волны, излучаемой одним немонохроматическим источником, на две волны, распространяющиеся по разным путям, но, в конце концов, встречающихся в одной точке, где и происходит их сложение (рис. 2). Если запаздывание одной волны по отношению к другой, связанное с разностью пройденных ими путей, меньше продолжительности цуга, то колебания в точке сложения будут когерентными и будет наблюдаться интерференция света. Когда разность путей двух волн приближается к длине цуга, К. лучей ослабевает. Колебания освещённости экрана уменьшаются, освещённость I стремится к постоянной величине, равной сумме интенсивностей двух волн, падающих на экран. В случае неточечного (протяжённого) теплового источника два луча, пришедшие в точки А и В, могут оказаться некогерентными из-за пространственной некогерентности излучаемой волны. В этом случае интерференция не наблюдается, так как интерференционные полосы от разных точек источника смещены относительно друг друга на расстояние, большее ширины полосы.
Понятие К., возникшее первоначально в классической теории колебаний и волн, применяется также по отношению к объектам и процессам, описываемым квантовой механикой (атомные частицы, твёрдые тела и т.д.).
Лит.: Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957; Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Фабрикант В. А., Новое о когерентности, «Физика в школе», 1968, ╧ 1; Франсон М., Сланский С., Когерентность в оптике, пер. с франц., М., 1968; Мартинсен В., Шпиллер Е., Что такое когерентность, «Природа», 1968, ╧ 10.
КОГЕРЕНТНОСТЬ
КОГЕРЕНТНОСТЬ (от лат. cohaerentio – связь, сцепление) – согласованное протекание в пространстве и во времени нескольких колебательных или волновых процессов, при котором разность их фаз остается постоянной. Это означает, что волны (звук, свет, волны на поверхности воды и пр.) распространяются синхронно, отставая одна от другой на вполне определенную величину. При сложении когерентных колебаний возникает интерференция; амплитуду суммарных колебаний определяет разность фаз.
Гармонические колебания описывает выражение
где A0 – начальная амплитуда колебания, A(t) – амплитуда в момент времени t, w – частота колебания, j – его фаза.
За время t 0 волна, двигаясь со скоростью с, проходит расстояние l = t 0c, которое называется длиной когерентности, или длиной цуга, то есть отрезка волны, имеющего неизменную фазу. В реальной плоской волне фаза колебаний меняется не только вдоль направления распространения волны, но и в плоскости, перпендикулярной ему. В этом случае говорят о пространственной когерентности волны.
Первое определение когерентности дал Томас Юнг в 1801 при описании законов интерференции света, проходящего через две щели: «интерферируют две части одного и того же света». Суть этого определения состоит в следующем.
Обычные источники оптического излучения состоят из множества атомов, ионов или молекул, самопроизвольно испускающих фотоны. Каждый акт испускания длится 10 –5 – 10 –8 секунды; следуют они беспорядочно и со случайно распределенными фазами как в пространстве, так и во времени. Такое излучение некогерентно, на освещенном им экране наблюдается усредненная сумма всех колебаний, а картина интерференции отсутствует. Поэтому для получения интерференции от обычного источника света его луч раздваивают при помощи пары щелей, бипризмы или зеркал, поставленных под небольшим углом одно к другому, а затем сводят вместе обе части. Фактически здесь речь идет о согласованности, когерентности двух лучей одного акта излучения, происходящего случайным образом.
Когерентность лазерного излучения имеет другую природу. Атомы (ионы, молекулы) активного вещества лазера испускают вынужденное излучение, вызванное пролетом постороннего фотона, «в такт», с одинаковыми фазами, равными фазе первичного, вынуждающего излучения (см. ЛАЗЕР).
В наиболее широкой трактовке под когерентностью сегодня понимают совместное протекание двух или нескольких случайных процессов в квантовой механике, акустике, радиофизике и пр.
Пространственная когерентность описывает корреляцию (или предсказуемую взаимосвязь) между волнами в разных точках пространства, как поперечных, так и продольных. [1] Временная когерентность описывает корреляцию между волнами, наблюдаемыми в разные моменты времени. Оба наблюдаются в Эксперимент Майкельсона-Морли и Интерференционный эксперимент Юнга. Как только бахрома получена в Интерферометр Майкельсона, когда одно из зеркал постепенно отодвигается, время прохождения луча увеличивается, полосы становятся тусклыми и, наконец, исчезают, показывая временную когерентность. Аналогично, если в двухщелевой эксперимент, пространство между двумя щелями увеличивается, когерентность постепенно исчезает, и, наконец, полосы исчезают, показывая пространственную когерентность. В обоих случаях амплитуда полос медленно исчезает, поскольку разность хода увеличивается, превышая длину когерентности.
Содержание
Вступление
Первоначально когерентность была задумана в связи с Томас Янгс двухщелевой эксперимент в оптика но теперь используется в любой области, связанной с волнами, например акустика, электротехника, нейробиология, и квантовая механика. Когерентность описывает статистическое подобие поля (электромагнитного поля, квантового волнового пакета и т. Д.) В двух точках пространства или времени. [2] Свойство согласованности лежит в основе коммерческих приложений, таких как голография, то Саньяк гироскоп, радио антенные решетки, оптической когерентной томографии и телескопические интерферометры (астрономические оптические интерферометры и радиотелескопы).
Математическое определение
Согласованность и корреляция
Когерентность двух волн выражает, насколько хорошо коррелированы волны, что определяется количественно взаимная корреляция функция. [4] [5] [6] [7] [8] Взаимная корреляция количественно определяет способность предсказывать фазу второй волны, зная фазу первой. В качестве примера рассмотрим две волны, идеально коррелированные на все времена. В любой момент разность фаз будет постоянной. [ требуется разъяснение ] Если при объединении они демонстрируют идеальную конструктивную интерференцию, совершенную деструктивную интерференцию или что-то среднее, но с постоянной разностью фаз, то из этого следует, что они совершенно когерентны. Как будет показано ниже, вторая волна не обязательно должна быть отдельной сущностью. Это может быть первая волна в другое время или в другом месте. В этом случае мерой корреляции является автокорреляция функция (иногда называемая самосогласованность). Степень корреляции включает корреляционные функции. [9] : 545-550
Примеры волновых состояний
Эти состояния объединяет то, что их поведение описывается волновое уравнение или какое-то его обобщение.
В большинстве этих систем можно напрямую измерить волну. Следовательно, его корреляцию с другой волной можно просто рассчитать. Однако в оптике нельзя измерить электрическое поле напрямую, поскольку он колеблется намного быстрее, чем разрешение любого детектора. [10] Вместо этого измеряется интенсивность света. Большинство концепций, связанных с когерентностью, которые будут представлены ниже, были разработаны в области оптики, а затем использовались в других областях. Следовательно, многие стандартные измерения когерентности являются косвенными измерениями даже в тех областях, где волна может быть измерена напрямую.
Временная согласованность
Следует соблюдать осторожность, чтобы не путать время когерентности с длительностью сигнала, а также длину когерентности с площадью когерентности (см. Ниже).
Связь между временем когерентности и пропускной способностью
Можно показать, что чем больше диапазон частот Δf содержит волна, тем быстрее волна декоррелирует (и, следовательно, тем меньше τc является). Таким образом, существует компромисс: [9] : 358-359, 560
Формально это следует из теорема свертки в математике, которая связывает преобразование Фурье спектра мощности (интенсивности каждой частоты) к ее автокорреляция. [9] : 572
Примеры временной согласованности
Мы рассматриваем четыре примера временной когерентности.
Голография требует света с большим временем когерентности. В отличие, оптической когерентной томографиив классическом варианте использует свет с коротким временем когерентности.
Измерение временной когерентности
В оптике временная когерентность измеряется с помощью интерферометра, такого как Интерферометр Майкельсона или же Интерферометр Маха – Цендера. В этих устройствах волна совмещается с собственной копией, задержанной на время τ. Детектор измеряет усредненное по времени интенсивность света, выходящего из интерферометра. Результирующая видимость помех (например, см. Рисунок 4) дает временную когерентность при задержке τ. Поскольку для большинства естественных источников света время когерентности намного короче временного разрешения любого детектора, детектор сам производит усреднение по времени. Рассмотрим пример, показанный на рисунке 3. При фиксированной задержке здесь 2τc, бесконечно быстрый детектор будет измерять интенсивность, которая значительно колеблется во времени т равно τc. В этом случае для нахождения временной когерентности при 2τc, можно было бы вручную усреднить интенсивность по времени.
Пространственная согласованность
Примеры
Рисунок 5: Плоская волна с бесконечной длина когерентности.
Рисунок 6: Волна с переменным профилем (волновым фронтом) и бесконечной длиной когерентности.
Рисунок 7: Волна с переменным профилем (волновым фронтом) и конечной длиной когерентности.
Рис. 8: Волна с конечной площадью когерентности падает на точечное отверстие (маленькое отверстие). Волна будет преломлять из отверстия. Вдали от отверстия возникающие сферические волновые фронты примерно плоские. Область когерентности теперь бесконечна, а длина когерентности не изменилась.
Рисунок 9: Волна с бесконечной областью когерентности сочетается с пространственно смещенной копией самой себя. Некоторые участки в волне создают интерференцию конструктивно, а некоторые деструктивную. Усредняя по этим участкам, детектор длиной D будет измерять уменьшенные видимость помех. Например, смещенный Интерферометр Маха – Цендера сделаю это.
Рассмотрим нить накаливания вольфрамовой лампочки. Различные точки нити накала излучают свет независимо и не имеют фиксированного фазового соотношения. В частности, в любой момент времени профиль излучаемого света будет искажен. Профиль будет случайным образом меняться в течение времени согласования. τ c < displaystyle tau _ 
. Поскольку для источника белого света, такого как лампочка τ c < displaystyle tau _ мала, нить считается пространственно некогерентным источником. Напротив, радио антенная решетка, имеет большую пространственную когерентность, потому что антенны на противоположных концах решетки излучают с фиксированным фазовым соотношением. Световые волны, создаваемые лазером, часто имеют высокую временную и пространственную когерентность (хотя степень когерентности сильно зависит от точных свойств лазера). Пространственная когерентность лазерных лучей также проявляется в виде спекл-структур и дифракционных полос по краям тени.
Голография требует когерентного во времени и пространстве света. Его изобретатель, Деннис Габор, произвела успешные голограммы более чем за десять лет до изобретения лазеров. Чтобы произвести когерентный свет, он пропустил монохроматический свет от линии излучения ртутная лампа через пространственный фильтр с отверстиями.
В феврале 2011 года сообщалось, что гелий атомы, охлажденные почти до абсолютный ноль / Конденсат Бозе – Эйнштейна состояние, можно заставить течь и вести себя как когерентный луч, как в лазере. [14] [15]
Спектральная когерентность
что следует из свойств преобразования Фурье и приводит к Принцип неопределенности Купфмюллера (для квантовых частиц это также приводит к Принцип неопределенности Гейзенберга).
Измерение спектральной когерентности
Поляризация и когерентность
Свет также имеет поляризация, которое является направлением колебаний электрического поля. Неполяризованный свет состоит из некогерентных световых волн со случайными углами поляризации. Электрическое поле неполяризованного света блуждает во всех направлениях и изменяется по фазе за время когерентности двух световых волн. Увлекательный поляризатор повернутый на любой угол всегда будет передавать половину падающей интенсивности при усреднении по времени.
Если электрическое поле отклоняется на меньшую величину, свет будет частично поляризован, так что под некоторым углом поляризатор будет пропускать более половины интенсивности. Если волна комбинируется с ортогонально поляризованной копией самой себя, задержанной меньше, чем время когерентности, создается частично поляризованный свет.
Поляризация светового луча представлена вектором в Сфера Пуанкаре. Для поляризованного света конец вектора лежит на поверхности сферы, в то время как вектор имеет нулевую длину для неполяризованного света. Вектор частично поляризованного света лежит внутри сферы
Приложения
Голография
Когерентные суперпозиции поля оптических волн включают голография. Голографические объекты часто используются в повседневной жизни на телевидении и в защите кредитных карт.
Неоптические волновые поля
Дальнейшие приложения касаются когерентной суперпозиции неоптические волновые поля. В квантовой механике, например, рассматривается поле вероятностей, которое связано с волновой функцией ψ ( р ) < displaystyle psi ( mathbf (интерпретация: плотность амплитуды вероятности). Здесь приложения касаются, в частности, будущих технологий квантовые вычисления и уже доступная технология квантовая криптография. Дополнительно рассматриваются проблемы следующего подраздела.
Модальный анализ
Когерентность используется для проверки качества измеряемых передаточных функций (FRF). Низкая когерентность может быть вызвана плохим соотношением сигнал / шум и / или неадекватным разрешением по частоте.
Квантовая когерентность
В квантовая механика, все объекты имеют волнообразные свойства (см. волны де Бройля). Например, в книге Янга двухщелевой эксперимент электроны можно использовать вместо световых волн. Волновая функция каждого электрона проходит через обе щели и, следовательно, имеет два отдельных разделенных луча, которые вносят вклад в картину интенсивности на экране. Согласно стандартной волновой теории [16] эти два вклада создают картину интенсивности ярких полос из-за конструктивной интерференции, чередующихся с темными полосами из-за деструктивной интерференции, на экране ниже по потоку. Эта способность к интерференции и дифракции связана с когерентностью (классической или квантовой) волн, создаваемых на обеих щелях. Связь электрона с волной уникальна для квантовой теории.
Когда падающий луч представлен квантовой чистое состояние, разделенные балки после двух щелей представлены в виде суперпозиция чистых состояний, представляющих каждый расщепленный пучок. [17] Квантовое описание несовершенно когерентных путей называется смешанное состояние. Совершенно когерентное состояние имеет матрица плотности (также называемый «статистическим оператором»), который является проекцией на чистое когерентное состояние и эквивалентен волновой функции, в то время как смешанное состояние описывается классическим распределением вероятностей для чистых состояний, составляющих смесь.
Макроскопический масштаб квантовая когерентность приводит к новым явлениям, так называемым макроскопические квантовые явления. Например, лазер, сверхпроводимость и сверхтекучесть являются примерами высокогерентных квантовых систем, эффекты которых очевидны на макроскопическом уровне. Макроскопическая квантовая когерентность (недиагональный дальний порядок, ODLRO) [18] [19] для сверхтекучести и лазерного света связана с когерентностью первого порядка (1-тела) / ODLRO, а сверхпроводимость связана с когерентностью второго порядка / ODLRO. (Для фермионов, таких как электроны, возможны только четные порядки когерентности / ODLRO.) Для бозонов a Конденсат Бозе – Эйнштейна является примером системы, демонстрирующей макроскопическую квантовую когерентность через многократно занятое одночастичное состояние.
Недавно М. Б. Пленио и его сотрудники построили операциональную формулировку квантовой когерентности как теории ресурсов. Они ввели монотоны когерентности, аналогичные монотонам сцепленности. [20] Было показано, что квантовая когерентность эквивалентна квантовая запутанность [21] в том смысле, что когерентность можно точно описать как запутанность, и наоборот, что каждая мера запутанности соответствует мере когерентности.
