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, что один атом испускает 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 вентилей . Последние представляют большой интерес для квантовой теории информации , предмета, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретической информатики . [1]