Kvantová optika - Quantum optics

Kvantová optika je odvětví atomové, molekulární a optické fyziky zabývající se tím, jak jednotlivé kvantové skupiny světla, známé jako fotony , interagují s atomy a molekulami. Zahrnuje studium částicových vlastností fotonů. Fotony byly použity k testování mnoha protiintuitivních předpovědí kvantové mechaniky , jako je zapletení a teleportace , a jsou užitečným zdrojem pro kvantové zpracování informací .

Dějiny

Světlo šířící se v omezeném objemu prostoru má svou energii a hybnost kvantifikovanou podle celého čísla částic známých jako fotony . Kvantová optika studuje povahu a účinky světla jako kvantovaných fotonů. Prvním významným vývojem vedoucím k tomuto porozumění bylo správné modelování spektra záření černého tělesa Maxem Planckem v roce 1899 na základě hypotézy vyzařovaného světla v diskrétních jednotkách energie. Fotoelektrický jev byl dalším důkazem tohoto kvantování jako vysvětlil Albert Einstein v 1905 papíru, objev, za kterou měl být udělena Nobelova cena v roce 1921. Niels Bohr ukázal, že hypotéza optického záření kvantování odpovídal jeho teorie se kvantované energetické hladiny atomů , a spektrum z emise vypouštěcí z vodíku , zejména. Pochopení interakce mezi světlem a hmotou po tomto vývoji bylo zásadní pro vývoj kvantové mechaniky jako celku. Subpole kvantové mechaniky zabývající se interakcí hmoty a světla však byly v zásadě považovány spíše za výzkum hmoty než za světlo; proto se v roce 1960 hovořilo spíše o fyzice atomů a kvantové elektronice . Laserová věda - tj. výzkum principů, konstrukce a aplikace těchto zařízení - se stala důležitým oborem a kvantová mechanika, která je základem principů laseru, byla nyní studována s větším důrazem vlastnosti světla a název kvantová optika se stal obvyklým.

Protože laserová věda potřebovala dobré teoretické základy, a také proto, že jejich výzkum se brzy ukázal jako velmi plodný, vzrostl zájem o kvantovou optiku. Následovat práci Dirac v kvantové teorii pole , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber , a Leonard Mandel aplikovat kvantovou teorii k elektromagnetickému poli v roce 1950 a 1960, aby získali podrobnější znalosti o fotodetekčních a statistiku o světlo (viz stupeň koherence ). To vedlo k zavedení koherentního stavu jako konceptu, který se zabýval variacemi mezi laserovým světlem, tepelným světlem, exotickými vymačkanými stavy atd., Protože se pochopilo, že světlo nelze plně popsat pouhým odkazem na elektromagnetická pole popisující vlny v klasickém obrázek. V roce 1977 Kimble et al. demonstroval jeden atom vyzařující jeden foton najednou, další přesvědčivý důkaz, že světlo se skládá z fotonů. Následně byly objeveny dříve neznámé kvantové stavy světla s charakteristikami na rozdíl od klasických stavů, jako je stlačené světlo .

Vývoj krátkých a ultrakrátkých laserových pulzů - vytvořený technikami Q přepínání a modelockování - otevřel cestu ke studiu takzvaných ultrarychlých procesů. Byly nalezeny aplikace pro výzkum v pevné fázi (např. Ramanova spektroskopie ) a byly studovány mechanické síly světla na hmotu. To vedlo k levitaci a umístění mraků atomů nebo dokonce malých biologických vzorků do optické pasti nebo optické pinzety laserovým paprskem. Toto, spolu s Dopplerovým chlazením a chlazením Sisyfosem , bylo klíčovou technologií potřebnou k dosažení oslavované kondenzace Bose – Einstein .

Dalšími pozoruhodnými výsledky jsou demonstrace kvantového zapletení , kvantové teleportace a kvantových logických bran . Ty druhé mají velký zájem o kvantovou teorii informací , předmět, který částečně vychází z kvantové optiky, částečně z teoretické počítačové vědy .

Dnešní oblasti zájmu výzkumníků kvantové optiky zahrnují parametrickou down-konverzi , parametrickou oscilaci , ještě kratší (attosekundové) světelné pulsy, použití kvantové optiky pro kvantovou informaci , manipulaci s jednotlivými atomy, Bose-Einsteinovy ​​kondenzáty , jejich aplikaci a způsob manipulace (subpole často nazývané atomová optika ), koherentní dokonalé absorbéry a mnoho dalšího. Témata klasifikovaná pod pojmem kvantová optika, zejména pokud jde o inženýrské a technologické inovace, často spadají pod moderní pojem fotonika .

Za práci v kvantové optice bylo uděleno několik Nobelových cen . Byly uděleny:

Koncepty

Podle kvantové teorie lze světlo považovat nejen za elektromagnetickou vlnu, ale také za „proud“ částic zvaných fotony, které cestují s c , rychlostí vakua světla . Tyto částice by neměly být považovány za klasické kulečníkové koule , ale za kvantově mechanické částice popsané vlnovou funkcí šířící se po konečné oblasti.

Každá částice nese jedno kvantum energie, které se rovná hf , kde h je Planckova konstanta a f je frekvence světla. Tato energie vlastněná jediným fotonem přesně odpovídá přechodu mezi jednotlivými úrovněmi energie v atomu (nebo jiném systému), který foton emitoval; absorpce materiálu fotonu je opačný proces. Einsteinovo vysvětlení spontánní emise také předpovídalo existenci stimulované emise , principu, na kterém spočívá laser . Skutečný vynález maseru (a laseru) o mnoho let později však závisel na způsobu výroby inverze populace .

Použití statistické mechaniky je pro koncepty kvantové optiky zásadní: světlo je popsáno v podmínkách polních operátorů pro tvorbu a zničení fotonů - tj. V jazyce kvantové elektrodynamiky .

Často se vyskytujícím stavem světelného pole je koherentní stav , který zavedl EC George Sudarshan v roce 1960. Tento stav, kterým lze přibližně popsat výstup jednofrekvenčního laseru vysoko nad prahovou hodnotu laseru, vykazuje číslo poissonského fotonu statistika. Prostřednictvím určitých nelineárních interakcí lze koherentní stav transformovat do stlačeného koherentního stavu použitím operátoru mačkání, který může vykazovat statistiku super - nebo subpoissonských fotonů. Takové světlo se nazývá stlačené světlo . Další důležité kvantové aspekty souvisejí s korelacemi fotonové statistiky mezi různými paprsky. Například spontánní parametrická down-konverze může generovat takzvané „dvojité paprsky“, kde (v ideálním případě) je každý foton jednoho paprsku spojen s fotonem v druhém paprsku.

Atomy jsou považovány za kvantově mechanické oscilátory s diskrétním energetickým spektrem , přičemž přechody mezi energetickými vlastními stavy jsou poháněny absorpcí nebo emisí světla podle Einsteinovy ​​teorie.

Pro hmotu v pevné fázi se používá modely energetických pásem fyziky pevných látek . To je důležité pro pochopení toho, jak je světlo detekováno polovodičovými zařízeními, běžně používanými v experimentech.

Kvantová elektronika

Kvantová elektronika je termín, který se používá hlavně mezi padesátými a sedmdesátými léty k označení oblasti fyziky zabývající se účinky kvantové mechaniky na chování elektronů v hmotě, spolu s jejich interakcemi s fotony . Dnes je to zřídka považováno za podoblast sama o sobě a byla pohlcena jinými poli. Fyzika pevných látek pravidelně bere v úvahu kvantovou mechaniku a obvykle se zabývá elektrony. Specifické aplikace kvantové mechaniky v elektronice jsou zkoumány v rámci fyziky polovodičů . Termín také zahrnoval základní procesy laserového provozu, který je dnes studován jako téma v kvantové optice. Použití termínu překrývalo rané práce na kvantovém Hallově efektu a kvantových celulárních automatech .

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení

externí odkazy

Poslechněte si tento článek ( 10 minut )
Mluvená ikona Wikipedie
Tento zvukový soubor byl vytvořen na základě revize tohoto článku ze dne 11. srpna 2009 a neodráží následné úpravy. ( 08.08.2009 )