¿Por qué fluctúa el número de fotones?

Al contar fotones (con, por ejemplo, un CCD), existe el llamado "ruido de fotones" (importante en números de fotones bajos). ¿Cuál es la explicación en el marco de QED, QFT? ¿Es el principio de incertidumbre de Heisenberg? ¿Por qué la energía de un solo fotón no fluctúa en su lugar?

Gracias.

Es posible que tenga tiempo para escribir una respuesta adecuada más adelante, pero realmente espero que recuerdes esto: el ruido cuántico no es realmente lo mismo que lo que normalmente consideras como ruido. El estado cuántico subyacente es determinista. El ruido aparece cuando mides ese estado y observas los resultados aleatorios.
Por "ruido de fotones", ¿te refieres a ruido de disparo ?
@Alfred Centauri, sí, me refiero al ruido de disparo

Respuestas (2)

En la teoría cuántica de campos, la noción de partículas no es realmente fundamental, como su nombre lo indica. Los estados de partículas (estados con valores propios de energía) están sujetos a fluctuaciones al igual que cualquier otra variable, en el caso del campo EM, el potencial A ^ m y el campo electrico mi ^ m . De ellos, obtienes los operadores de escalera invirtiendo:

A ^ m = ∫ d 3 k ℏ 2 ω k ε 0 ( a ^ k tu k m + a ^ k † tu k m ∗ ) mi ^ m = i ∫ d 3 k ℏ ω k 2 ε 0 ( a ^ k tu k m + a ^ k † tu k m ∗ )

Lo que te lleva al operador numérico, norte ^ = a ^ † a ^ , con vectores propios norte ^ pag | norte k ⟩ = d norte pag norte k | norte k ⟩ .

Sin embargo, en realidad nunca tienes estados numéricos. Para empezar, fuera de una caja, los estados numéricos no son normalizables. La noción más realista de un paquete de ondas de luz es un estado coherente | α k ⟩ , donde, para un número complejo α (y un modo k ),

| α k ⟩ = mi ( α a ^ k † − α ∗ a ^ k ) | 0 ⟩

Está bien localizado tanto en el momento como en el espacio de coordenadas, normalizable y de energía finita. Por otro lado, su probabilidad con respecto al operador numérico es

PAG norte = | ⟨ norte k | α k ⟩ | 2 = | α | 2 norte norte ! mi − | α | 2

Por supuesto, eso es solo para estados coherentes, pero de manera más general, siempre que su estado no sea un valor propio del operador numérico (lo que no es realmente posible), siempre será una superposición de varios estados numéricos.

¡Fantástico! Debido a que solo podemos medir los estados que son vectores propios del operador numérico, tenemos las estadísticas de Poisson. Increíble. Gracias @Slereah.

Creo que esa es la base de la mecánica cuántica. Que los fotones se emiten en ciertos fragmentos de energía llamados cuantos. No importa cuán pequeña sea la energía, si es suficiente para excitar incluso un solo electrón, entonces se puede emitir un fotón.

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