¿Ocurre la polarización con un solo fotón?

Los fotones individuales están polarizados.

El estado de un fotón polarizado circularmente se puede describir como una superposición mecánica cuántica de dos estados polarizados linealmente. Tenga en cuenta que esto varía de su descripción de dos maneras. El fotón no se forma a partir de otros dos fotones, lo hace su estado . Y la combinación es una superposición mecánica cuántica que no es lo mismo que combinar dos fotones.

Las polarizaciones circulares se pueden representar como superposiciones de polarizaciones lineales y las polarizaciones lineales se pueden representar como superposiciones de polarizaciones circulares. Esto se debe a que las polarizaciones lineales y circulares describen la misma colección de estados de polarización de fotones , y puede descomponer esa colección de estados en términos de polarizaciones lineales o circulares (formalmente, decimos que las polarizaciones lineales y circulares forman cada una una basedel espacio vectorial de estados de polarización). Esto es muy similar a describir el plano de coordenadas en términos de dos conjuntos de coordenadas diferentes: por ejemplo, puede describir el plano de coordenadas completo en términos de coordenadas cartesianas ordinarias o coordenadas cartesianas giradas 45 grados. Cualquier punto en el plano tiene coordenadas bien definidas en ambos sistemas, y cuál se elige es en gran medida una cuestión de conveniencia.

Por ejemplo, si tiene la intención de medir el momento angular de los fotones, entonces la base de la polarización circular definitivamente sería mejor para trabajar, ya que los estados de polarización circular zurdos y diestros tienen un momento angular definido. Si, por otro lado, tiene la intención de medir la probabilidad de que un fotón pase a través de un polarizador lineal, sería mejor que usara una base de polarización lineal alineada con el polarizador, ya que los estados básicos tienen un 100 por ciento y un 0 por ciento. probabilidad de pasar por el polarizador, respectivamente.

Además, la superposición no requiere dos fotones. La definición clásica de superposición (dos ondas que se suman mientras ocupan el mismo espacio) no describe la superposición como la entendemos en la mecánica cuántica (donde un solo objeto puede existir en un estado que no es expresable en términos de un valor definido de un observable).

Cuando aprendí por primera vez la mecánica cuántica, leí esta hermosa explicación en el libro de Dirac: consulte la página 14 de este pdf, http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/wasbleibt/57355817/57355817.pdf o la página cuatro en el libro.

En física clásica, la polarización define la evolución del vector de campo eléctrico en una onda a lo largo del tiempo https://en.wikipedia.org/wiki/Polarization_(waves) . En la mecánica cuántica, puede atribuir una polarización a un solo fotón, ¡pero exactamente lo que eso "significa" o "aparenta" es complicado! No intentaré explicarlo mejor que Dirac arriba (¡es muy lúcido!) pero quizás un resumen es que un fotón es un objeto en la mecánica cuántica, que puede ser descrito por un estado cuántico. Se puede pensar en un estado cuántico como una serie de propiedades del fotón, junto con un conjunto de probabilidades asociadas a las mediciones físicas que podría hacer del fotón. La polarización del fotón es una de esas etiquetas asociadas al estado.

Como ya se mencionó en otra respuesta, un solo objeto puede estar en una superposición de dos estados, por lo que no necesita más de un fotón para tener una polarización circular. El gato de Schrödinger es un solo objeto superpuesto entre estar vivo y muerto; no necesitas dos gatos para tener la superposición.

"He leído que la luz polarizada circularmente se forma a partir de la superposición de dos luces polarizadas linealmente".

Puedes pensarlo de esa manera. De manera similar, cuando haya elegido una base vectorial para su espacio, puede pensar en cada vector como una suma de los vectores base.

Pero su vector no es inherentemente la suma de sus vectores base. Esa es solo una forma de pensar en ello, una forma que podría serle útil después de elegir su base.

De manera similar, la polarización lineal te da vectores que son perpendiculares a la dirección de viaje. La polarización circular es solo un vector de polarización que está en línea con la dirección de viaje, y los elípticos son todo lo demás en la esfera.

Cuando multiplicas dos polarizaciones lineales, obtienes un producto intermedio entre ellas, o algo que tiene una polarización más circular, según las fases y amplitudes relativas.

La polarización de cada entidad es sólo su polarización. La forma en que elige dividirlo en otras polarizaciones es solo algo que hace para su conveniencia.