Optyka kwantowa - Quantum optics

Optyka kwantowa to gałąź fizyki atomowej, molekularnej i optycznej zajmująca się oddziaływaniem poszczególnych kwantów światła, znanych jako fotony , z atomami i cząsteczkami. Obejmuje badanie cząsteczkowych właściwości fotonów. Fotony były używane do testowania wielu sprzecznych z intuicją przewidywań mechaniki kwantowej , takich jak splątanie i teleportacja , i są użytecznym źródłem do przetwarzania informacji kwantowych .

Historia

Światło rozchodzące się w ograniczonej przestrzeni ma swoją energię i pęd skwantowane zgodnie z całkowitą liczbą cząstek znanych jako fotony . Optyka kwantowa bada naturę i efekty światła jako skwantowanych fotonów. Pierwszym ważnym osiągnięciem prowadzącym do tego zrozumienia było prawidłowe modelowanie widma promieniowania ciała doskonale czarnego przez Maxa Plancka w 1899 r. przy założeniu, że światło jest emitowane w dyskretnych jednostkach energii. Efekt fotoelektryczny był kolejnym dowodem tej kwantyzacji, jak wyjaśnił Albert Einstein w artykule z 1905 r., za odkrycie, za które miał otrzymać Nagrodę Nobla w 1921 r. Niels Bohr wykazał, że hipoteza kwantowania promieniowania optycznego odpowiada jego teorii że skwantowane poziomy energetyczne atomów , a widmo w emisji wylotowego z wodorem w szczególności. Zrozumienie interakcji między światłem a materią w następstwie tych odkryć miało kluczowe znaczenie dla rozwoju mechaniki kwantowej jako całości. Jednak poddziedziny mechaniki kwantowej zajmujące się oddziaływaniem materii ze światłem były głównie uważane za badania nad materią, a nie światłem; stąd w 1960 r. mówiono raczej o fizyce atomu i elektronice kwantowej . Nauka o laserach — tj. badania nad zasadami, projektowaniem i zastosowaniem tych urządzeń — stała się ważną dziedziną, a mechanika kwantowa leżąca u podstaw zasad lasera była obecnie badana z większym naciskiem na właściwości światła, a nazwa optyka kwantowa stała się zwyczajem.

Ponieważ nauka o laserach potrzebowała dobrych podstaw teoretycznych, a także dlatego, że badania nad nimi wkrótce okazały się bardzo owocne, wzrosło zainteresowanie optyką kwantową. Po pracach Diraca w teorii pola kwantowego , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy Glauber , i Leonard Mandel zastosowano teorię kwantów pola elektromagnetycznego w latach 1950 i 1960, aby uzyskać bardziej szczegółowe zrozumienie detekcji fotograficznej oraz statystyki dotyczące światło (patrz stopień spójności ). Doprowadziło to do wprowadzenia stanu koherentnego jako koncepcji, która dotyczyła wariacji między światłem laserowym, światłem termicznym, egzotycznymi stanami ściśniętymi itp., ponieważ stało się zrozumiałe, że światła nie można w pełni opisać tylko w odniesieniu do pól elektromagnetycznych opisujących fale w klasycznym obrazek. W 1977 Kimble i in. zademonstrowali pojedynczy atom emitujący jeden foton na raz, co jest kolejnym przekonującym dowodem na to, że światło składa się z fotonów. Następnie odkryto nieznane wcześniej stany kwantowe światła o właściwościach niepodobnych do stanów klasycznych, takich jak ściśnięte światło .

Opracowanie krótkich i ultrakrótkich impulsów laserowych — wytworzonych za pomocą technik przełączania Q i blokowania modelu — otworzyło drogę do badań nad tak zwanymi ultraszybkimi procesami. Znaleziono zastosowania do badań ciała stałego (np. spektroskopia ramanowska ) oraz zbadano mechaniczne siły światła na materię. To ostatnie doprowadziło do lewitacji i pozycjonowania chmur atomów, a nawet małych próbek biologicznych w pułapce optycznej lub optycznych szczypcach za pomocą wiązki laserowej. To, wraz z chłodzeniem Dopplera i chłodzeniem Syzyfa , było kluczową technologią potrzebną do osiągnięcia słynnej kondensacji Bosego-Einsteina .

Inne godne uwagi wyniki są demonstracją splątania kwantowego , kwantowej teleportacji i kwantowych bramek logicznych . Te ostatnie są przedmiotem zainteresowania teorii informacji kwantowej , która częściowo wyłoniła się z optyki kwantowej, a częściowo z informatyki teoretycznej .

Dzisiejsze pola zainteresowań badaczy optyki kwantowej obejmują parametryczną konwersję w dół , oscylacje parametryczne , jeszcze krótsze (attosekundowe) impulsy świetlne, wykorzystanie optyki kwantowej do informacji kwantowej , manipulację pojedynczymi atomami, kondensaty Bosego-Einsteina , ich zastosowanie i sposób manipulowania je (podpole często nazywane optyką atomową ), spójne doskonałe absorbery i wiele więcej. Tematy klasyfikowane pod pojęciem optyki kwantowej, zwłaszcza stosowane do innowacji inżynieryjnych i technologicznych, często noszą nazwę fotonika .

Za prace w dziedzinie optyki kwantowej przyznano kilka nagród Nobla . Zostały one nagrodzone:

Koncepcje

Zgodnie z teorią kwantową światło można uważać nie tylko za falę elektromagnetyczną, ale także za „strumień” cząstek zwanych fotonami, które poruszają się z c , próżniową prędkością światła . Cząstek tych nie należy uważać za klasyczne kule bilardowe , ale za cząstki mechaniki kwantowej opisane przez funkcję falową rozłożoną na skończonym obszarze.

Każda cząstka niesie jeden kwant energii równy hf , gdzie h jest stałą Plancka, a f jest częstotliwością światła. Ta energia posiadana przez pojedynczy foton odpowiada dokładnie przejściu między dyskretnymi poziomami energii w atomie (lub innym układzie), który wyemitował foton; absorpcja materiału fotonu jest procesem odwrotnym. Wyjaśnienie Einsteina dotyczące emisji spontanicznej przewidywało również istnienie emisji wymuszonej , zasady, na której opiera się laser . Jednak faktyczne wynalezienie masera (i lasera) wiele lat później było uzależnione od metody wytworzenia inwersji populacyjnej .

Zastosowanie mechaniki statystycznej ma fundamentalne znaczenie dla koncepcji optyki kwantowej: światło opisuje się za pomocą operatorów pola tworzenia i anihilacji fotonów — czyli w języku elektrodynamiki kwantowej .

Często spotykanym stanem pola świetlnego jest stan koherentny , wprowadzony przez EC George'a Sudarshana w 1960 roku. Ten stan, który można wykorzystać do przybliżonego opisu wyjścia lasera jednoczęstotliwościowego znacznie powyżej progu lasera, wykazuje liczbę fotonów Poissona Statystyka. Poprzez pewne interakcje nieliniowe , stan koherentny może zostać przekształcony w stan ściśnięty koherentny , poprzez zastosowanie operatora ściskania, który może wykazywać statystyki fotonów super- lub sub-Poissonowskich . Takie światło nazywamy ściśniętym światłem . Inne ważne aspekty kwantowe dotyczą korelacji statystyki fotonów między różnymi wiązkami. Na przykład spontaniczna parametryczna konwersja w dół może generować tak zwane „bliźniacze wiązki”, w których (idealnie) każdy foton jednej wiązki jest powiązany z fotonem drugiej wiązki.

Atomy są uważane za kwantowe oscylatory mechaniczne o dyskretnym widmie energii , przy czym przejścia między stanami własnymi energii są napędzane przez absorpcję lub emisję światła zgodnie z teorią Einsteina.

W przypadku materii ciała stałego używa się modeli pasm energetycznych fizyki ciała stałego . Jest to ważne dla zrozumienia, jak światło jest wykrywane przez urządzenia półprzewodnikowe, powszechnie używane w eksperymentach.

Elektronika kwantowa

Elektronika kwantowa to termin, który był używany głównie w latach 50. i 70. XX wieku na określenie obszaru fizyki zajmującego się wpływem mechaniki kwantowej na zachowanie elektronów w materii, wraz z ich interakcjami z fotonami . Dziś rzadko jest uważana za samodzielną poddziedzinę i została wchłonięta przez inne dziedziny. Fizyka ciała stałego regularnie bierze pod uwagę mechanikę kwantową i zwykle zajmuje się elektronami. Konkretne zastosowania mechaniki kwantowej w elektronice są badane w fizyce półprzewodników . Pojęcie to obejmowało również podstawowe procesy działania lasera , które są dziś badane jako temat optyki kwantowej. Użycie tego terminu nałożyło się na wczesne prace nad kwantowym efektem Halla i kwantowymi automatami komórkowymi .

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Posłuchaj tego artykułu ( 10 minut )
Mówiona ikona Wikipedii
Ten plik audio został utworzony na podstawie rewizji tego artykułu z dnia 11 sierpnia 2009 r. i nie odzwierciedla kolejnych edycji. ( 2009-08-11 )