Preparación del estado de vacío del campo EM

Tengo una idea heurística de cómo pensar sobre la preparación de estados en la mecánica cuántica. Puede estar girando en torno a la idea de usar filtros, refrigeración/calefacción, configuración tipo Stern-Gerlach, etc. Sin embargo, ¿cómo se prepara un estado fundamental de un campo cuántico (al menos aproximadamente, no necesariamente vacío global)? Para la teoría que no interactúa, ¿es tan simple como "hacer una cámara de vacío"? Encontré que es extraño si ese es el caso, porque no podré saber si estoy en el vacío EM, en el vacío interactivo o, de hecho, en el vacío clásico.

Parece que no puedo encontrar esta respuesta en ninguna parte, aunque pensé que el estado de vacío es uno de los estados más importantes en QFT. Una posible conjetura que tuve fue que el estado de vacío era una mera cosa conceptual que debería existir pero no ser necesario empíricamente, ya que los procesos de medición de uno pueden no involucrar el vacío (por ejemplo, la física de partículas se preocupa principalmente por la dispersión). Pero honestamente no lo sé.

No estoy seguro de la respuesta, pero ¿podría probablemente reformular (o explicar con más detalle) qué estado tiene en mente aquí? Lo que quiero decir es que si el estado fundamental es el estado fundamental real , entonces no tienes un campo (es decir, una partícula); esto es diferente a tener una partícula y prepararla en un estado cuántico específico como lo describiste.
Aquí hay un ejemplo de diferenciación entre el vacío EM y un campo excitado (fotón único) en una cavidad de fotones de microondas: nature.com/articles/nature05589
@Helen El estado fundamental de un campo EM debe ser uno, en lenguaje de partículas, en el que no hay "fotón", es decir, estado de vacío. Estoy asumiendo campos que no interactúan. Este es el estado fundamental de la teoría. En QM es ligeramente diferente; El estado fundamental del átomo de hidrógeno no significa que no tenga un átomo de hidrógeno.
@wcc Tendré que leerlo. ¡Gracias por la referencia!

Respuestas (1)

Solo puedo proporcionar una respuesta desde un ángulo de óptica cuántica experimental (es decir, límite de energía bajo de QED):

Una vez que haya definido un modo particular del campo electromagnético (por ejemplo, en una cavidad, o cualquier tipo de modo espacio-temporal) y haya aplicado el procedimiento habitual de "cuantificación canónica", estará observando un espacio de Hilbert más o menos grande (formalmente equivalente a una colección más o menos grande de osciladores armónicos). El "estado de vacío" es entonces solo el estado que no tiene excitación, es decir, en la base numérica, simplemente escribiría | 0 ⟩ , en caso de un solo modo.

Experimentalmente, una vez que estás en una habitación oscura, el estado de vacío es una muy buena aproximación al "verdadero estado cuántico" de casi todos los modos que se pueden definir en el régimen óptico, ya que la gran mayoría de los modos no contienen fotones (como tú). puede incluso adivinar a partir de su impresión visual). Esto es cierto incluso en una habitación iluminada: D, hay una enorme cantidad de formas en que el campo electromagnético puede oscilar.

Si vas a energías más bajas como el régimen de microondas (o ambientes más calientes), la aproximación ya no es tan buena. En el equilibrio térmico, el campo se describiría mejor mediante un estado térmico, donde usted, como experimentador, tiene información mínima sobre el estado cuántico, solo conoce un parámetro del campo de radiación, y esa es su temperatura (que determina el número medio de cuantos en un modo particular).

Entonces, si quisiera "preparar" experimentalmente el campo de radiación (o un solo modo) en el estado de vacío | 0 ⟩ , no tiene que tomar medidas locas en frecuencias ópticas, obtiene el estado de vacío de forma gratuita (¡que es un estado cuántico puro! Esto es realmente muy beneficioso para toda la óptica cuántica). Pero en el siguiente orden, su principal enemigo es básicamente la radiación de cuerpo negro del medio ambiente. Entonces, una opción para mejorar las cosas sería enfriar literalmente las paredes de la cavidad con un refrigerador.

Así que no tiene casi nada que ver con alguien evacuando una cámara de aire.

Esa es una respuesta del tipo que estoy buscando, pero creo que me perdí algunos saltos. (1) ¿Por qué el régimen óptico es una buena aproximación para el vacío? Obtengo la gran parte del espacio de Hilbert, pero si primero leo QFT, pensaría que la habitación oscura es muy diferente de la habitación luminosa. ¿Hay alguna manera de hacer esto concreto? (2) ¿Está utilizando una aproximación de modo único (es decir, vacío = vacío en ese modo)?
(1) A frecuencias ópticas (algunas 5 ⋅ 10 14 Hz), la probabilidad de que un modo se excite térmicamente es muy baja. Esto se puede obtener a partir de la distribución de Bose-Einstein, pero puede hacerse una idea de lo improbable que es comparando la energía de un cuanto de luz ( ℏ ω ~ 2 eV) a la energía térmica por grado de libertad ( k B T ~ 1/40 eV). (2) Esencialmente con la misma calidad de aproximación, estamos en un estado de vacío global, es decir | 0 ⟩ ⊗ | 0 ⟩ ⊗ . . . . Hay tan pocos fotones (incluso si tu ojo ve bastantes) en comparación con la gran cantidad de modos...
Como ejercicio, podría tratar de calcular la tasa de fotones que inciden en 1 m² de la superficie de la tierra desde la luz solar brillante (suponiendo que el sol es un radiador de cuerpo negro perfecto a 5800 K) en una ventana de 10 MHz alrededor de la longitud de onda del láser HeNe de 633nm, y compárelo con la cantidad de fotones que emite un láser HeNe con unos pocos mW de potencia.
Gracias por las guías, podría intentarlo en algún momento. Una última cosa: cuando dices "tomar medidas locas a la frecuencia óptica", ¿quieres decir que experimento usando la cavidad óptica? Y luego, si quiero hacerlo en régimen de microondas, ¿necesito usar la cavidad del microondas? (No soy óptico cuántico, pero supongo que se usa algo de resonancia para filtrar todas las demás frecuencias irrelevantes) Lo siento, siendo un teórico, realmente quiero una mejor intuición experimental.
@Everiana, sí, usa cavidad óptica (par de espejos) para fotones ópticos y cavidad de microondas para fotones de microondas. Debido a la gran diferencia en la longitud de onda, obviamente, la cavidad de microondas suele ser más grande que la cavidad óptica. En los experimentos de óptica cuántica, las cavidades de microondas están hechas de superconductores (para un factor Q muy alto), y supongo que la baja temperatura de trabajo tiene el beneficio adicional de reducir la fuga de radiación de cuerpo negro en el volumen modal.
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