The Photon Wave Function in Principle and in Practice

La fonction d'onde du photon en principe et en pratique

Vincent Debierre (1, 2, 3)

1 FRESNEL - Institut FRESNEL
2 CLARTE - CLARTE
3 ATHENA - ATHENA

During these three years we focused on several topics in quantum otpics and quantum electrodynamics. A central theme in our investigations is that of the photon wave function. Can quantum optics and quantum electrodynamics experiments be described simply, in position space, with the help of a wave function describing the photon(s) featured in the experiment ? The answer to that question is not quite obvious: the usual description of photons takes place in the reciprocal space of wave vectors. But these experiments call for a wave mechanical description in the position representation, as is done in quantum mechanics textbooks in situations featuring massive particles. Moreover, in a recent experiment [1], single photon trajectories through a Young two-slit setup have been observed. In order to try and describe these trajectories formally, it is natural to build a wave mechanical formalism for photons. We therefore studied in detail the formal construction of the photon wave function, an object which was little studied until the 1990s. We also studied the properties of the photon wave function in the presence of sources.To do that, we considered several open (interacting) quantum systems. We saw that there exists in principle an infinite number of possibilities when defining the photon wave function. We emphasised several criteria on the basis of which it appears that only three choices for the wave function are interesting. One of them coincides with an object introduced and used by Glauber [2] to study light detection andthe correlations of the electromagnetic field in the quantum regime. We also saw that, in the absence of sources, the propagation equation for a single photon is formally equivalent to Maxwell’s equations. At low photon numbers, the wave function formalism can be very useful. We adapted it to interacting systems,first, to cavity quantum electrodynamics (QED) [3], in particular to the experiments carried out by Serge Haroche’s group [4]. We proposed a simple model to describe photons in QED cavities. With this model, and with the helpof the photon wave function, we studied the propagation of photons escaping a cavity. We also constructed the Lindblad master equation without introducing nonunitary quantum jumps (also see [5]). We finally investigated the spacetime evolution of a photon which is emitted during the decay of an atomic electron. After having carefully studied the dynamics of the electronic decay, especially at very short times [6, 7], we set out to describe the emitted electromagnetic field as rigorously as possible. This emitted field, surprisingly, does not evolve causally. Though this is not entirely unexpected in view of Hegerfeldt’s theorem, which states [8] that causality is impossible for quantum systems which are described by a Hamiltonian with a spectrum which is bounded by below, we identified [9] two other sources of non causality. One of them was predicted qualitatively by Shirokov [10], while the other one, which is completely new as far as we can tell, is still to be better understood

Pendant ces trois ans, nous nous sommes intéressés à quelques sujets choisis en optique et en électrodynamique quantiques. Le fil rouge de nos interrogations est la fonction d’onde du photon. Les expériences d’optique et d’électrodynamique quantique peuvent-elles être décrites de manière simple, dans l’espace des positions, à l’aide d’une fonction d’onde décrivant le ou les photon(s) impliqués dans l’expérience ? Ce n’est pas entièrement évident :la description usuelle des photons se fait dans l’espace réciproque des vecteurs d’onde. Mais ces expériences gagnent à être décrites par la mécanique ondulatoire en représentation position, comme cela est fait dans les manuels de mécanique quantique pour des situations impliquant des particules massives. De surcroît, une expérience récente[1] a conduit à l’observation de trajectoires de photons uniques à travers un interféromètre à deux fentes d’Young.Pour essayer de décrire formellement ces trajectoires, il est naturel de formuler une mécanique ondulatoire pour les photons. Nous avons donc examiné en détail la construction formelle de la fonction d’onde du photon, un objet qui est resté peu étudié jusqu’aux années 1990. Nous avons également étudié les propriétés de la fonction d’onde du photon en présence de sources, et considéré pour ce faire divers systèmes quantiques ouverts (en interaction). Nous avons vu qu’il existe, en principe, une infinité de possibilités pour le choix de la fonction d’onde du photon.Nous avons mis en évidence un certain nombre de critères sur la base desquels il apparaît que seuls trois choix parmi tous ceux possibles sont intéressants, l’un d’entre eux ramenant à un objet introduit par Glauber [2] pour étudier la détection de la lumière et les corrélations du champ électromagnétique. Nous avons également vu qu’en l’absence de sources l’équation quantique de propagation des photons est formellement identique aux équations de Maxwell.À bas nombre de photons, le formalisme de la fonction d’onde peut se révéler très pratique. Nous avons adapté l’approche aux systèmes en interaction, en nous intéressant dans un premier temps à l’électrodynamique quantique1en cavité [3], en particulier aux expériences réalisées par le groupe de Serge Haroche [4]. Nous avons proposé un modèle simple pour la description des photons dans les cavités d’électrodynamique. À l’aide de ce modèle, et de la fonction d’onde du photon, nous avons étudié la propagation des photons s’échappant de la cavité. Nous avons également construit l’équation maîtresse de Lindblad sans introduire de sauts quantiques non unitaires (voir également [5]). Nous nous sommes enfin intéressés à la question de l’évolution spatiotemporelle d’un photon émis lors d’une désexcitation d’un électron atomique. Après avoir étudié soigneusement la dynamique de la désexcitation de l’électron, notamment aux temps très courts [6, 7], nous nous sommes attachés à décrire, aussi rigoureusement que possible, le champ électromagnétique émis. Celui-ci, de manière surprenante, n’évolue pas causalement. Si cela n’est pas entièrement inattendu au vu du théorème de Hegerfeldt, qui stipule [8] que la causalité est exclue pour les systèmes décrits par un Hamiltonien dont le spectre est borné inférieurement, nous avons identifié [9] deux autres sources de non-causalité, l’une, prédite qualitativement par Shirokov [10], et l’autre, entièrement nouvelle à notre connaissance, et dont la compréhension reste à affiner.

Mots clés: Lindblad master equation; Light-matter interaction

Mots clés: Equation maitresse de Lindblad; Intéraction lumière-matière

Domaines: Optique [physics.optics]

Vincent Debierre. The Photon Wave Function in Principle and in Practice. Optics [physics.optics]. Ecole Centrale Marseille; École centrale de Marseille, 2015. English. ⟨NNT : 2015ECDM0004⟩. ⟨tel-01406401⟩