Квантовая оптика — это раздел атомной, молекулярной и оптической физики, изучающий, как отдельные кванты света, известные как фотоны , взаимодействуют с атомами и молекулами. Оно включает изучение корпускулярных свойств фотонов. Фотоны использовались для проверки многих нелогичных предсказаний квантовой механики , таких как запутанность и телепортация , и являются полезным ресурсом для квантовой обработки информации .
Энергия и импульс света, распространяющегося в ограниченном объеме пространства, квантованы в соответствии с целым числом частиц, известных как фотоны . Квантовая оптика изучает природу и эффекты света как квантованных фотонов. Первым крупным достижением, приведшим к этому пониманию, было правильное моделирование спектра излучения черного тела Максом Планком в 1899 году на основе гипотезы о том, что свет излучается в дискретных единицах энергии. Фотоэлектрический эффект был еще одним свидетельством этого квантования, как это объяснил Альберт Эйнштейн в статье 1905 года, открытие, за которое он должен был быть удостоен Нобелевской премии в 1921 году . Нильс Бор показал, что гипотеза квантования оптического излучения соответствует его теории квантованные уровни энергии атомов и, в частности, спектр излучения разряда водорода . Понимание взаимодействия света и материи после этих разработок имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Однако разделы квантовой механики, посвященные взаимодействию материи и света, в основном рассматривались как исследования материи, а не света; поэтому в 1960 году скорее говорили об атомной физике и квантовой электронике. Лазерная наука , то есть исследование принципов, конструкции и применения этих устройств, стала важной областью, и квантовая механика, лежащая в основе принципов лазера, теперь изучалась с большим упором на свойства света [ сомнительно ] , и название квантовая оптика стало привычным.
Поскольку наука о лазерах нуждалась в хороших теоретических основах, а также потому, что их исследования вскоре оказались очень плодотворными, интерес к квантовой оптике возрос. Следуя работам Дирака по квантовой теории поля , Джон Р. Клаудер , Джордж Сударшан , Рой Дж. Глаубер и Леонард Мандель применили квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более детальное понимание фотодетектирования и статистики свет (см. степень когерентности ). Это привело к введению когерентного состояния как концепции, которая учитывала различия между лазерным светом, тепловым светом, экзотическими сжатыми состояниями и т. д., поскольку стало понятно, что свет не может быть полностью описан, просто ссылаясь на электромагнитные поля , описывающие волны в классической теории. картина. В 1977 году Кимбл и др. продемонстрировали одиночный атом, испускающий по одному фотону за раз, что является еще одним убедительным доказательством того, что свет состоит из фотонов. Впоследствии были открыты неизвестные ранее квантовые состояния света с характеристиками, отличными от классических состояний, например сжатый свет .
Разработка коротких и ультракоротких лазерных импульсов, создаваемых методами модуляции добротности и синхронизации моделей , открыла путь к изучению того, что стало известно как сверхбыстрые процессы. Были найдены приложения для исследований твердого тела (например, рамановская спектроскопия ) и изучены механические силы света на вещество. Последнее приводило к левитации и позиционированию облаков атомов или даже небольших биологических образцов в оптической ловушке или оптическом пинцете с помощью лазерного луча. Это, наряду с доплеровским охлаждением и сизифовым охлаждением , было решающей технологией, необходимой для достижения знаменитой конденсации Бозе-Эйнштейна .
Другими замечательными результатами являются демонстрации квантовой запутанности , квантовой телепортации и квантовых логических элементов . Последние представляют большой интерес для квантовой теории информации , предмета, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической информатики . [1]
Сегодняшние области интересов исследователей квантовой оптики включают параметрическое преобразование с понижением частоты , параметрические колебания , еще более короткие (аттосекундные) световые импульсы, использование квантовой оптики для получения квантовой информации , манипулирование отдельными атомами, конденсаты Бозе-Эйнштейна , их применение и способы манипулирования. они (подобласть, часто называемая атомной оптикой ), когерентные идеальные поглотители и многое другое. Темы, отнесенные к термину «квантовая оптика», особенно применительно к инженерным и технологическим инновациям, часто подпадают под современный термин «фотоника» .
За работы в области квантовой оптики было присуждено несколько Нобелевских премий . Были награждены:
Согласно квантовой теории , свет можно рассматривать не только как электромагнитную волну , но и как «поток» частиц, называемых фотонами , которые движутся со скоростью c , вакуумной скоростью света . Эти частицы следует рассматривать не как классические бильярдные шары , а как квантово-механические частицы, описываемые волновой функцией , распространяющейся в конечной области.
Каждая частица несет один квант энергии, равный hf , где h — постоянная Планка , а f — частота света. Эта энергия, которой обладает одиночный фотон, в точности соответствует переходу между дискретными уровнями энергии в атоме (или другой системе), испустившей фотон; материальное поглощение фотона — обратный процесс. Объяснение Эйнштейном спонтанного излучения также предсказало существование вынужденного излучения — принципа, на котором основан лазер . Однако фактическое изобретение мазера ( и лазера) много лет спустя зависело от метода создания инверсной населенности .
Использование статистической механики является фундаментальным для концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах операторов поля для рождения и уничтожения фотонов, то есть на языке квантовой электродинамики .
Часто встречающимся состоянием светового поля является когерентное состояние , введенное ЕС Джорджем Сударшаном в 1960 году. Это состояние, которое можно использовать для приблизительного описания выходной мощности одночастотного лазера , значительно превышающей лазерный порог, демонстрирует пуассоновское число фотонов. статистика. Посредством определенных нелинейных взаимодействий когерентное состояние может быть преобразовано в сжатое когерентное состояние путем применения оператора сжатия, который может демонстрировать супер- или субпуассоновскую статистику фотонов. Такой свет называется сжатым светом . Другие важные квантовые аспекты связаны с корреляцией статистики фотонов между различными пучками. Например, спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты может генерировать так называемые «двойные лучи», где (в идеале) каждый фотон одного луча связан с фотоном другого луча.
Атомы рассматриваются как квантово-механические осцилляторы с дискретным энергетическим спектром , при этом переходы между собственными энергетическими состояниями обусловлены поглощением или излучением света согласно теории Эйнштейна.
Для твердого тела используются модели энергетических зон физики твердого тела . Это важно для понимания того, как свет обнаруживается твердотельными устройствами, обычно используемыми в экспериментах.
Квантовая электроника — термин, который использовался в основном в период с 1950-х по 1970-е годы [7] для обозначения области физики , занимающейся влиянием квантовой механики на поведение электронов в веществе, а также их взаимодействие с фотонами . Сегодня ее редко рассматривают как самостоятельную подобласть, и она была поглощена другими областями. Физика твердого тела регулярно учитывает квантовую механику и обычно занимается электронами. Конкретные применения квантовой механики в электронике исследуются в рамках физики полупроводников . Этот термин также охватывал основные процессы работы лазера , которые сегодня изучаются как тема квантовой оптики. Использование этого термина перекрывало ранние работы по квантовому эффекту Холла и квантовым клеточным автоматам .
