Квантовая оптика - Quantum optics
Квантовая оптика - это раздел атомной, молекулярной и оптической физики, изучающий, как отдельные кванты света, известные как фотоны , взаимодействуют с атомами и молекулами. Он включает в себя изучение свойств фотонов, подобных частицам. Фотоны использовались для проверки многих противоречивых предсказаний квантовой механики , таких как запутанность и телепортация , и являются полезным ресурсом для обработки квантовой информации .
История
Энергия и импульс света, распространяющегося в ограниченном объеме пространства, квантуются в соответствии с целым числом частиц, известных как фотоны . Квантовая оптика изучает природу и эффекты света как квантованные фотоны. Первым крупным достижением, приведшим к такому пониманию, было правильное моделирование спектра излучения черного тела Максом Планком в 1899 году в рамках гипотезы о том, что свет излучается в дискретных единицах энергии. Фотоэлектрический эффект был еще одним доказательством этого квантования как пояснил Альберт Эйнштейн в работе 1905 г., открытие , для которого он должен был быть удостоен Нобелевской премии в 1921 году Нильс Бор показал , что гипотеза оптического излучения квантованы соответствует его теории в квантованных уровнях энергии атомов , а спектр из излучения разряда из водорода , в частности. Понимание взаимодействия между светом и материей после этих событий имело решающее значение для развития квантовой механики в целом. Однако разделы квантовой механики, касающиеся взаимодействия 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, и квантовая механика, лежащая в основе принципов лазера, теперь изучалась с большим упором на свойства света, и название квантовой оптики стало общепринятым.
Поскольку лазерная наука нуждалась в хороших теоретических основах, а также потому, что их исследования вскоре оказались очень плодотворными, интерес к квантовой оптике вырос. После работы Дирака в квантовой теории поля , Джон Р. Клаудера , Джордж Сударшан , Глаубер , и Леонард Мандель прикладного квантовую теории к электромагнитному полю в 1950 - х и 1960 - х годах , чтобы получить более детальное представление о фотодетектирорвании и статистику о свет (см. степень согласованности ). 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 классическом картина. В 1977 году Kimble et al. продемонстрировали, что один атом излучает по одному фотону за раз, что является дополнительным убедительным доказательством того, что свет состоит из фотонов. Впоследствии были обнаружены ранее неизвестные квантовые состояния света с характеристиками, отличными от классических, таких как сжатый свет .
Разработка коротких и ультракоротких лазерных импульсов, создаваемых методами модуляции добротности и синхронизации мод , открыла путь к изучению так называемых сверхбыстрых процессов. Были найдены приложения для исследования твердого тела (например, рамановская спектроскопия ), и были изучены механические силы света на материю. Последнее привело к левитации и размещению 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 ключевой 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 в квантовой теории информации , предмете, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической информатики .
Сегодняшние области интересов исследователей квантовой оптики включают параметрическое преобразование с понижением частоты , параметрические колебания , даже более короткие (аттосекундные) световые импульсы, использование квантовой оптики для получения квантовой информации , манипулирование отдельными атомами, конденсаты Бозе-Эйнштейна , их применение и способы манипулирования их (подполе, часто называемое атомной оптикой ), когерентные совершенные 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 награждены:
- в 2012 г. - Серж Харош и Дэвид Дж. Вайнланд «за новаторские экспериментальные методы, позволяющие измерять и управлять отдельными квантовыми системами».
- в 2005 году Теодор В. Хэнш , Рой Дж. Глаубер и Джон Л. Холл
- в 2001 году Вольфганг Кеттерле , Эрик Аллин Корнелл и Карл Виман
- в 1997 году Стивен Чу , Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Дэниел Филлипс
Концепции
Согласно квантовой теории , свет можно рассматривать не только как электромагнитную волну, но и как «поток» частиц, называемых фотонами, которые движутся со скоростью c , скоростью света в вакууме . Эти частицы следует рассматривать не как классические бильярдные шары , а как квантово-механические частицы, описываемые волновой функцией, распределенной по конечной области.
Каждая частица несет один квант энергии, равный hf , где h - постоянная Планка, а f - частота света. Эта энергия, которой обладает одиночный фотон, точно 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 инверсной населенности .
Использование статистической механики является фундаментальным для концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах операторов поля для создания и уничтожения фотонов, то есть на языке квантовой электродинамики .
Часто встречающееся состояние светового поля - это когерентное состояние , введенное Джорджем Сударшаном в 1960 году. Это состояние, которое можно использовать для приближенного описания выходной мощности одночастотного лазера значительно выше лазерного порога, 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 корреляциями статистики фотонов между разными 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 считаются квантово-механическими осцилляторами с дискретным энергетическим спектром , причем переходы между собственными состояниями энергии 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
Квантовая электроника - это термин, который использовался в основном между 1950-ми и 1970-ми годами для обозначения области физики, изучающей влияние квантовой механики на поведение электронов в веществе, а также их взаимодействия с фотонами . Сегодня это редко рассматривается как отдельная область, 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 рамках физики полупроводников . Этот термин также охватывает основные процессы работы лазера , который сегодня изучается как тема в квантовой оптике. Использование этого термина частично совпало с ранними работами по квантовому эффекту Холла и квантовым клеточным автоматам .
Смотрите также
Заметки
Рекомендации
- Джерри, Кристофер; Рыцарь, Питер (2004). Введение в квантовую оптику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 052152735X.
- Нобелевская премия по физике 2005 г.
дальнейшее чтение
- Л. Мандель , Э. Вольф Оптическая когерентность и квантовая оптика (Кембридж, 1995).
- Д. Ф. Уоллс и Г. Дж. Милберн Квантовая оптика (Спрингер, 1994).
- Криспин Гардинер и Питер Золлер , Квантовый шум (Springer 2004).
- HM Moya-Cessa и F. Soto-Eguibar, Introduction to Quantum Optics (Rinton Press 2011).
- М.О. Скалли и М.С. Зубайри Квантовая оптика (Кембридж, 1997).
- WP Schleich Квантовая оптика в фазовом пространстве (Wiley, 2001).
- Кира, М .; Кох, SW (2011). Полупроводниковая квантовая оптика . Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0521875097.
- Ф. Дж. Дуарте (2014). Квантовая оптика для инженеров . Нью-Йорк: CRC. ISBN 978-1439888537.
Внешние ссылки
- Введение в квантовую оптику светового поля
- Энциклопедия лазерной физики и технологии , посвященная квантовой оптике (в частности, квантовому шуму в лазерах), Рюдигера Пашотта.
- Qwiki - вики-сайт по квантовой физике, посвященный техническим ресурсам для практикующих квантовых физиков.
- Quantiki - бесплатный Интернет-ресурс по квантовой информатике, который может редактировать каждый.
- Различные отчеты о квантовой оптике