Квантна оптика

Квантна оптика (КО) е поле на истражување кое користи полукласична и квантно-механичка физика за да ги истражи појавите на светлина и и нејзините интеракции со материјата на субмикроскопски нивоа. Со други зборови, квантната механика се применува кај фотони или светлина.

Историја

Светлината која се шири во вакуум има своја енергија и импулс квантизирани според цел број на честички познати како фотони. Квантната оптика ја проучува природата и ефектите на светлината како квантифизирани фотони. Првиот голем развој кој доведе до тоа разбирање беше точното моделирање на спектарот на црнотелесно зрачење од Макс Планк во 1899 под хипотезата на светлината која се емитира во дискретни единици на енергија. Фотоелектричниот ефект беше дополнителен доказ за оваа квантифизација, како што објасни Алберт Ајнштајн во еден документ во 1905, откритие за кое требало да му биде доделена Нобеловата награда во 1921. Нилс Бор покажал дека хипотезата за квантизацијата на оптичкото зрачење кореспондира со неговата теорија за квантизирани енергетски нивоа на атомите, и особено спектарот на емисија на испуштање од водород. Разбирањето на интеракцијата помеѓу светлината и материјата по овие случувања беше клучно за развојот на квантната механика како целина. Сепак, потполињата на квантната механика кои се занимаваат со интеракција на материјата со светлината главно се сметаат за истражување на материја, а не на светлина; па оттука, во 1960 година се зборуваше за атомска физика и квантна електроника. Ласерската наука - т.е., истражувањата за принципите, дизајнот и примената на овие уреди - станаа важно поле, а квантната механика која се темели на принципите на ласерот беше проучувана сега со поголем акцент на својствата на светлината, а името квантна оптика стана вообичаено.

Бидејќи ласерската наука барала добри теоретски основи, а исто така и поради тоа што истражувањата на овие набрзо се покажале многу плодни, се зголемил интересот за квантната оптика. Следејќи ја работата на Пол Дирак во квантната теорија на полето, Џорџ Сударшан, Рој Глаубер и Леонард Мандел примениле квантна теорија на електромагнетното поле во 1950-тите и 1960-тите за да добијат подетално разбирање на фотодетекцијата и статистиката на светлината. Ова доведе до воведување на кохерентна состојба како концепт кој се однесува на варијации меѓу ласерската светлина, топлинската светлина, егзотичните исцедени состојби итн., бидејќи се сфати дека светлината не може целосно да се опише во однос на електромагнетните полиња кои ги опишуваат брановите во класичната слика. Во 1977 година, Кимбл демонстрираше единствен атом што емитирал еден фотон одеднаш, уште посилен доказ дека светлината се состои од фотони. Претходно непознати квантни состојби на светлина со одлики поразлични од оние на класичните состојби, како што се исцедената светлина, потоа беа откриени.

Развојот на кратки и ултракратки ласерски импулси - создадени со Q преклопување и техники на моделирање - го отвори патот до проучувањето на она што стана познато како ултрабрзи процеси. Беа пронајдени апликации за истражување цврста состојба (на пример, раманска спектроскопија) и се испитуваа механички сили на светлина врз материја. Второтo доведе до левитација и позиционирање на облаци од атоми или дури и мали биолошки примероци во оптичка стапица или оптички пинцети со ласерски зрак. Ова, заедно со доплерското ладење, беше клучна технологија потребна за постигнување на прославената кондензација на Бозе-Ајнштајн.

Други извонредни резултати се демонстрацијата на квантната заплетканост, квантната телепортација и квантната логичка врата. Вторите се од голем интерес во теоријата за квантната информација, предмет кој делумно се појавил од квантната оптика, делумно од теоретската компјутерска наука.

Денешните полиња на интерес кај истражувачите на квантната оптика вклучуваат параметарско намалување на претворањето, параметарски осцилации, дури и пократки (атосекунди) светлински импулси, употреба на квантната оптика за квантни информации, манипулација со единечни атоми, Бозе-Ајнштајнски кондензати, нивна примена и како да се манипулира нив (под-поле често нарекувано атомска оптика), кохерентни совршени впивачи и многу повеќе. Темите класифицирани под терминот квантна оптика, особено што се применуваат на инженерските и технолошките иновации, честопати одат под современиот термин фотоника.

Неколку Нобелови награди се доделени за работа во квантната оптика. Тие беа наградени:

• во 2012, Серж Арош и Дејвид Вајнленд "за иновативни експериментални методи кои овозможуваат мерење и манипулација на поединечни квантни системи".
• во 2005, Теодор Хенш, Рој Глаубер и Џон Хол
• во 2001, Волфганг Кетерле, Ерик Корнел и Карл Виман
• во 1997, Стивен Чу, Клод Коен-Тануџи и Вилијам Даниел Филипс

Концепти

Според квантната теорија, светлината може да се смета не само како електромагнетен бран, туку и како "поток" на честички наречени фотони кои патуваат со с, вакуумната брзина на светлината. Овие честички не треба да се сметаат за класични билијардни топки, туку како квантно механички честички опишани со бранова функција што се шират над конечниот регион.

Секоја честичка носи еден квантум на енергија, еднаков на hf, каде што h е Планкова константа, а f е честотата на светлината. Дека енергијата што ја поседува еден фотон соодветно одговара на транзицијата помеѓу дискретни енергетски нивоа во атом (или друг систем) кој го емитирал фотонот; материјалната апсорпција на фотон е обратен процес. Објаснувањето на Ајнштајн за спонтана емисија, исто така, го предвидува постоењето на стимулираната емисија, принципот врз кој лежи ласерот. Сепак, вистинскиот изум на масер (и ласер) многу години подоцна зависеше од методот за да се добие инверзија на населението.

Употребата на статистичката механика е од фундаментално значење за концептите на квантната оптика: Светлината е опишана во смисла на теренски оператори за создавање и уништување на фотони-т.е. во јазикот на квантната електродинамика.

Состојба на светлото поле која често ја се среќаваме е кохерентната состојба, како што беше воведена од страна на Џорџ Сударшан во 1960 година. Оваа состојба, која може да се користи за приближно да го опише излезот на еден честотен ласер кој е многу над ласерскиот праг, го прикажува Поасоновата статистика за бројот на фотони. Преку одредени нелинеарни интеракции, кохерентна состојба може да се трансформира во исцедена кохерентна состојба, со примена на оператор за цедење кој може да покаже супер- или под-поасонова статистика на фотоните. Таквата светлина се нарекува исцедена светлина. Други важни квантни аспекти се поврзани со корелациите на статистиката на фотоните помеѓу различните греди. На пример, спонтаната параметарска пониско претворање може да генерира таканаречени 'двојни греди', каде што (идеално) секој фотон од еден зрак е поврзан со фотон во другиот зрак.

Атомите се сметаат за квантни механички осцилатори со дискретен енергетски спектар, при што транзициите помеѓу енергетските сопствени состојби се водени од апсорпцијата или емисијата на светлина според теоријата на Ајнштајн.

За материја во цврста состојба, се користат модели на енергетскиот опсег физиката за цврста состојба. Ова е важно за разбирање на тоа како светлината е откриена од уреди со цврста состојба, најчесто се користи во експериментите.

Квантна електроника

Квантна електроника е термин кој се користи главно помеѓу 1950-тите и 70-тите години за да се означи областа на физиката која се занимава со ефектите на квантната механика врз однесувањето на електроните во материјата, заедно со нивните интеракции со фотоните. Денес, ретко се смета за под-поле со сопствено право, а се апсорбира од други области. Физиката на цврстата состојба редовно ја зема предвид квантната механика, и обично се занимава со електрони. Специфични примени на квантната механика во електрониката се истражуваат во полупроводничката физика. Терминот исто така ги опфаќа и основните процеси на ласерско работење, кои денес се изучуваат како тема во квантната оптика. Употребата на терминот ја преклопува раната работа на квантниот ефект на Хал и квантните клеточни автоматски.

Поврзано

• Некласично светло
• Оптички фазен простор
• Оптичка физика
• Оптика
• Квантизацијата на електромагнетното поле

Наводи

• Gerry, Christopher; Knight, Peter (2004). Introduction to Quantum Optics. Cambridge University Press. ISBN 052152735X.
• The Nobel Prize in Physics 2005

Дополнителна литература

• Leonard Mandel, Emil Wolf Optical Coherence and Quantum Optics (Cambridge 1995)
• Daniel Frank Walls and G. J. Milburn Quantum Optics (Springer 1994)
• Crispin Gardiner and Peter Zoller, Quantum Noise, (Springer 2004).
• Héctor Manuel Moya Cessa and F. Soto-Eguibar, Introduction to Quantum Optics (Rinton Press 2011).
• Marlan O. Scully and Muhammad Suhail Zubairy Quantum Optics (Cambridge 1997)
• Wolfgang P. Schleich Quantum Optics in Phase Space (Wiley 2001)
• Kira, M.; Koch, S. W. (2011). Semiconductor Quantum Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-0521875097.
• F. J. Duarte (2014). Quantum Optics for Engineers. New York: CRC. ISBN 978-1439888537.

Надворешни врски

• An introduction to quantum optics of the light field
• Encyclopedia of laser physics and technology, with content on quantum optics (particularly quantum noise in lasers), by Rüdiger Paschotta.
• Qwiki - A quantum physics wiki devoted to providing technical resources for practicing quantum physicists.
• Quantiki Архивирано на 3 април 2010 г. - a free-content WWW resource in quantum information science that anyone can edit.
• Various Quantum Optics Reports Архивирано на 24 јануари 2019 г.