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単一光子と量子もつれ光子―量子光学と量子光技術の基礎― 

書籍情報
シリーズ名基本法則から読み解く物理学最前線 【19】巻
ISBN978-4-320-03539-3
判型A5 
ページ数168ページ
発行年月2018年06月
本体価格2,000円
単一光子と量子もつれ光子 書影
単一光子と量子もつれ光子

 光は,粒子性と波動性の両面をもった存在,すなわち量子性をもつ存在であると認識されている。
 近年,古典的な波動の概念では捉えることのできない,さまざまな種類の光(非古典光)を作り出すことが可能となっている。その例のひとつが,光子が1個ずつ放出される「単一光子状態」や,光子が対となって放出される「光子対状態」,複数の光子が量子的相関をもつ「量子もつれ」などである。これらの非古典的な光の状態を用いると,古典的には理解することのできない回折,干渉効果を引き起こすことができ,量子力学の基本的原理に関する恰好の研究舞台となっている。
 さらに,光子の偏光は量子力学における2準位系として振る舞い,量子情報通信における情報の単位である「量子ビット」として頻繁に用いられている。
 本書で主に取り扱うのは,光が示すこのような物理状態である。
 本書では,光の量子的性質を利用した新しい科学技術を志す際の礎となることを目指し,光の量子状態や光子が示す性質とその最新の応用技術について自然に学べるよう配慮している。そのために,類書にはないであろう特徴として,初等量子力学で必ず学ぶ,調和振動子の量子状態について少々深い理解まで到達したうえで,光を量子的に扱う「量子光学」への橋渡しとすることを試みている。
 また,量子情報の最小単位(量子ビット)としてよく用いられる光子の偏光状態については,古典的な光の偏光状態と関連づけて理解できるよう詳しい説明を加えている。
 本書を読み進むうちに,量子光技術において重要な「単一光子」および「量子もつれ光子」の物理と,それらの応用技術までを自然に理解できるような構成になっている。

目次

第1章 光子の舞台 ―光と量子の不思議な世界―

第2章 電磁波としての光
2.1 マクスウェルの方程式
2.2 一様な媒質中の電磁波
2.3 偏光とその表現

第3章 調和振動子の量子力学
3.1 調和振動子のハミルトニアン
3.2 調和振動子の量子化
3.3 物理量の期待値とゆらぎ
3.4 波動関数と確率密度
3.5 古典的運動とコヒーレント状態
3.6 2次元調和振動子

第4章 光の量子化
4.1 電磁場の量子化
4.2 真空状態と光子数状態
4.3 コヒーレント状態
4.4 純粋状態と混合状態,密度演算子
4.5 熱放射
4.6 光の伝搬モードと量子化
4.7 多モードの量子状態
4.8 偏光の量子状態

第5章 光の干渉と相関
5.1 干渉光学系
5.2 1次の干渉―電場の干渉―
5.3 2次の干渉―強度の干渉―

第6章 単一光子の発生
6.1 単一光子と強度相関
6.2 単一の量子系を用いた単一光子発生
6.3 単一光子の干渉―粒子性と波動性―

第7章 光子対の発生
7.1 カスケード光放出
7.2 パラメトリック下方変換
7.3 Hong-Ou-Mandelの2光子強度干渉
7.4 光子対による量子干渉―光子のド・ブロイ波長の測定―
7.5 光子対と単一光子(伝令付き光子)

第8章 量子もつれ光子
8.1 量子もつれの基礎
8.2 量子もつれ光子対の発生
8.3 量子もつれの観測
8.4 量子もつれの評価
8.5 ベル状態測定と量子テレポーテーション

参考文献

索引