反聚束与Hong–Ou–Mandel效应的自然量子论重释——光的连续性与相干性的真实图像

一、引言：光真的是“一个个光子”吗？

现代量子光学中，有两个被视为“证明光子存在”的实验：

1. 单光子反聚束（antibunching）；

2. Hong–Ou–Mandel 干涉（HOM dip）。

它们的共同特征是：相关探测信号出现非经典行为。例如：

g(2)(0)<1g^{(2)}(0) < 1g(2)(0)<1

被称为“非经典光”的标志；而 HOM 实验中两光子同时入射分束器，输出端“计数同时为零”，被解释为“两个光子总是成对反射或透射”。

但在自然量子论（Natural Quantum Theory, NQT）的视角下，这些现象并不说明“光是离散粒子”，恰恰相反，它们揭示了：

光是具有内在相干与自调制特性的连续场系统。

二、工具量子论的解释与困境（1）光子模型的解释

在量子电动力学（QED）中：

• 光场被量子化为 Fock 态；

• 单光子态 ∣1⟩|1\rangle∣1⟩ 被认为是能量 ℏω\hbar \omegaℏω 的基本粒子；

• 若源发出“真正的单光子”，其强度相关应满足：

  g(2)(0)=⟨a†a†aa⟩⟨a†a⟩2=0g^{(2)}(0) = \frac{\langle a^\dagger a^\dagger a a \rangle}{\langle a^\dagger a \rangle^2} = 0g(2)(0)=⟨a†a⟩2⟨a†a†aa⟩=0

实验上，单光子源（如量子点、离子阱）确实测得 g(2)(0)<0.01g^{(2)}(0) < 0.01g(2)(0)<0.01，被视为光子的直接证据。

（2）困境：

但这带来几个逻辑问题：

1. 探测器响应本身是统计性的，信号“间隔”并不能直接反映场的本性；

2. Fock 态无法在自由空间传播，因为它不具备明确的相位与时域结构；

3. HOM 干涉的“反相干”，用光子路径叠加解释，反而引入非局域与“虚同一性”的悖论；

4. 经典波模型在弱光极限下应收敛于 QED 结果，但 QED 却宣称“g(2)<1 是经典不可能的”。

换言之，“非经典”只是针对理想线性高斯随机场的数学定义，而非物理实在的性质。

三、自然量子论的视角：光是连续场，不是离散粒子

在自然量子论框架下：

1. 光是连续的电磁场波包，其能量分布和相干特征由源的物理结构决定；

2. 所谓“单光子源”并不发射离散粒子，而是在时间上极短、空间上局域的波包脉冲；

3. “反聚束”与“HOM效应”都是连续波包的非线性时间相关特性的体现。

四、反聚束效应的自然量子论解释

（1）物理过程

一个原子或量子点的辐射是受激系统的能量松弛过程。当它发出一个波包时，体系进入基态，在重新被激发之前不会再发光。因此探测到的辐射序列是时间上反相关的。

这意味着：

g(2)(0)<1g^{(2)}(0) < 1g(2)(0)<1

并非光场本身的“非经典性”，而是发射源的动力学自排斥效应。

换句话说：

“反聚束”是发射体的非平稳行为，而不是光的量子性。

（2）连续场计算

对于一个随机脉冲序列 I(t)=∑if(t−ti)I(t) = \sum_i f(t-t_i)I(t)=∑if(t−ti)，若 tit_iti 之间存在排斥（即短时间内不能重复发射），则其二阶相关函数自然满足：

g(2)(0)<1g^{(2)}(0) < 1g(2)(0)<1

这可以完全用经典随机过程和场叠加计算得到，无需引入“单光子态”概念。

五、Hong–Ou–Mandel效应的自然量子论解释

HOM 实验是量子光学的“圣杯”，被认为展示了“双光子干涉”。

（1）实验要点

两路完全相同的单光子波包入射 50:50 分束器。若它们同时到达，则输出端的“符合计数”消失。QED 解释为：“两个光子无区分性导致路径干涉，结果它们总成对出射”。

（2）自然量子论的重释

在 NQT 中，

• 每个“光子”只是一个有限时长的电磁波包；

• 当两波包在分束器处时间与相位完全匹配时，叠加后的场在一侧构成完全相干增强，另一侧完全相消。

这正是经典波的干涉消光，只是现在波包极短、调制结构复杂，使得相关信号呈现“瞬时零符合”。

（3）连续波计算模型

设两输入场为：

E1(t)=E0f(t)eiωt,E2(t)=E0f(t−τ)ei(ωt+ϕ)E_1(t) = E_0 f(t)e^{i\omega t}, \quad E_2(t) = E_0 f(t-\tau)e^{i(\omega t+\phi)}E1(t)=E0f(t)eiωt,E2(t)=E0f(t−τ)ei(ωt+ϕ)

分束器输出为：

EA=E1+E22,EB=E1−E22E_A = \frac{E_1 + E_2}{\sqrt{2}}, \quad E_B = \frac{E_1 - E_2}{\sqrt{2}}EA=2

当 τ=0,ϕ=0\tau=0, \phi=0τ=0,ϕ=0 时，输出B口相消：

IB=∣EB∣2=0I_B = |E_B|^2 = 0IB=∣EB∣2=0

这正对应 HOM dip——完全可以由波的相干叠加解释，无需光子。

（4）“两光子干涉”是语言误导

在 NQT 语境中，没有“两个光子”，只有两相干场脉冲。所谓“双光子干涉”其实是两个波包的全相干耦合。若时间或相位错开，相关性恢复。这与任意相干波叠加的物理规律完全一致。

六、为什么 QED 必须宣称“非经典”

QED 的“非经典判据”来源于数学：对任意经典随机场（正定强度分布）有

g(2)(0)≥1.g^{(2)}(0) \ge 1.g(2)(0)≥1.

若实验出现 g(2)(0)<1g^{(2)}(0)<1g(2)(0)<1，则意味着场强度的统计分布不能表示为正定概率函数。

然而，NQT指出：这种“非经典判据”只是对统计模型的限制，而非对物理场的判定。因为电磁场在微观层面是确定的振荡系统，其发射与探测的时间相关由源与探测器的动力学耦合决定，并不受“正定分布”的数学要求约束。

七、反聚束与HOM的共同本质

二者共同揭示：

光的相干与干涉并非粒子叠加，而是场的波动动力学。

八、结语：重释“量子光学”的真正含义

“反聚束”和“HOM效应”曾被视为光子论的铁证，但自然量子论表明：它们实际上是连续波的相干现象，而“光子”只是这些波包在探测过程中的能量离散化记录。

光不是离散粒子，而是连续场。所谓“单光子行为”，只是极限情况下的场脉冲动力学。当我们重新理解这一点，量子光学的神秘面纱就被揭开——剩下的，是清晰的物理图像与完整的因果链条。

自然不神秘，只是我们误读了她的频谱。反聚束与HOM效应，不是光子的胜利，而是连续场的胜利。

英文版本：

https://faculty.pku.edu.cn/leiyian/en/article/7733/content/2720.htm#article