Квантовая оптика — это раздел атомной, молекулярной и оптической физики, изучающий взаимодействие отдельных квантов света, известных как фотоны , с атомами и молекулами. Она включает в себя изучение свойств фотонов, свойственных частицам. Фотоны использовались для проверки многих контринтуитивных предсказаний квантовой механики , таких как запутанность и телепортация , и являются полезным ресурсом для квантовой обработки информации .
Свет, распространяющийся в ограниченном объеме пространства, имеет свою энергию и импульс, квантованные в соответствии с целым числом частиц, известных как фотоны . Квантовая оптика изучает природу и эффекты света как квантованных фотонов. Первым крупным достижением, приведшим к такому пониманию, было правильное моделирование спектра излучения черного тела Максом Планком в 1899 году в рамках гипотезы об излучении света в дискретных единицах энергии. Фотоэлектрический эффект был еще одним доказательством этого квантования, как объяснил Альберт Эйнштейн в статье 1905 года, открытие, за которое он был удостоен Нобелевской премии в 1921 году. Нильс Бор показал, что гипотеза о квантовании оптического излучения соответствует его теории квантованных уровней энергии атомов и, в частности, спектру разрядного излучения водорода . Понимание взаимодействия между светом и материей после этих разработок имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Однако подразделы квантовой механики, занимающиеся взаимодействием 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 , т. е. исследование принципов, конструкции и применения этих устройств, стала важной областью, а квантовая механика, лежащая в основе принципов работы лазера, теперь изучалась с большим упором на свойства света [ сомнительно – обсудить ] , и название квантовая оптика стало общепринятым.
Поскольку лазерная наука нуждалась в хороших теоретических основах, а также потому, что исследования в этой области вскоре оказались весьма плодотворными, интерес к квантовой оптике возрос. После работы 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 света (см. степень когерентности ). Это привело к введению когерентного состояния как концепции, которая рассматривала изменения между лазерным светом, тепловым светом, экзотическими сжатыми состояниями и т. д., поскольку стало понятно, что свет нельзя полностью описать, просто ссылаясь на электромагнитные поля, описывающие волны в классической картине. В 1977 году Кимбл и др. продемонстрировали один атом, испускающий один фотон за раз, что стало еще одним убедительным доказательством того, что свет состоит из фотонов. Впоследствии были обнаружены ранее неизвестные квантовые состояния света с характеристиками, отличными от классических состояний, такие как сжатый свет .
Разработка коротких и сверхкоротких лазерных импульсов, созданных с помощью методов переключения добротности и синхронизации моделей , открыла путь к изучению того, что стало известно как сверхбыстрые процессы. Были найдены приложения для исследования твердого тела (например, спектроскопия Рамана ), и были изучены механические силы света на материи. Последнее привело 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 важнейшей технологией, необходимой для достижения знаменитой конденсации Бозе-Эйнштейна .
Другие замечательные результаты — это демонстрация квантовой запутанности , квантовой телепортации и квантовых логических вентилей . Последние представляют большой интерес для квантовой теории информации , предмета, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической компьютерной науки . [1]
Сегодняшние области интересов исследователей квантовой оптики включают параметрическое понижение частоты , параметрические колебания , еще более короткие (аттосекундные) световые импульсы, использование квантовой оптики для квантовой информации , манипулирование отдельными атомами, конденсаты Бозе-Эйнштейна , их применение и способы манипулирования ими (подотрасль, часто называемая атомной оптикой ), когерентные идеальные поглотители и многое другое. Темы, классифицируемые под термином квантовая оптика, особенно применительно к инженерным и технологическим инновациям, часто попадают под современный термин фотоника .
За работы в области квантовой оптики было присуждено несколько Нобелевских премий . Они были присуждены:
Согласно квантовой теории , свет можно рассматривать не только как электромагнитную волну , но и как «поток» частиц, называемых фотонами , которые движутся со скоростью света в вакууме c . Эти частицы не следует считать классическими бильярдными шарами , а квантово-механическими частицами, описываемыми волновой функцией, распределенной по конечной области.
Каждая частица переносит один квант энергии, равный hf , где h — постоянная Планка , а f — частота света. Эта энергия, которой обладает один фотон, в точности соответствует переходу между дискретными уровнями энергии в атоме (или другой системе), который испустил 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 инверсии населенности .
Использование статистической механики является основополагающим для концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах полевых операторов рождения и уничтожения фотонов, т. е. на языке квантовой электродинамики .
Часто встречающееся состояние светового поля - это когерентное состояние , введенное EC George Sudarshan в 1960 году. Это состояние, которое может быть использовано для приблизительного описания выходного сигнала одночастотного лазера значительно выше порога лазера, демонстрирует пуассоновскую статистику числа фотонов. С помощью 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 корреляциями статистики фотонов между различными пучками. Например, спонтанное параметрическое понижение частоты может генерировать так называемые «двойные пучки», где (в идеале) каждый фотон одного пучка связан с фотоном в другом пучке.
Атомы рассматриваются как квантово-механические осцилляторы с дискретным энергетическим спектром , причем переходы между собственными энергетическими состояниями осуществляются за счет поглощения или излучения света согласно теории Эйнштейна.
Для твердотельной материи используются модели энергетических зон физики твердого тела . Это важно для понимания того, как свет обнаруживается твердотельными устройствами, обычно используемыми в экспериментах.
Квантовая электроника — это термин, который использовался в основном между 1950-ми и 1970-ми годами [7] для обозначения области физики, изучающей эффекты 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 принимает во внимание квантовую механику и обычно занимается электронами. Конкретные приложения квантовой механики в электронике исследуются в физике полупроводников . Термин также охватывал основные процессы работы лазера , которые сегодня изучаются как тема в квантовой оптике. Использование термина перекрывало ранние работы по квантовому эффекту Холла и квантовым клеточным автоматам .
