Послушайте эту статью
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
«Квантовая электроника» перенаправляется сюда. Для журнала см. Квантовая электроника (журнал) .

Квантовая оптика (QO) - это область исследований, которая использует полуклассическую и квантово-механическую физику для исследования явлений, связанных со светом и его взаимодействием с веществом на субмикроскопических уровнях. Другими словами, это квантовая механика, применяемая к фотонам или свету. [1]

История [ править ]

Свет, распространяющийся в вакууме, 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 важным 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 Борпоказал , что гипотеза оптического излучения квантовано соответствовала его теории квантованных энергетических уровней атомов , а также спектр от 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; следовательно , один скорее говорил о физике атома и квантовой электроники в 1960. лазерной науки- т.е. исследования принципов, конструкции и применения этих устройств - стали важной областью, и квантовая механика, лежащая в основе принципов лазера, теперь изучалась с большим упором на свойства света [ сомнительно - обсудить ] , и название квантовой оптики стало привычный.

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, учитывающей различия между лазерным светом, тепловым светом, экзотическимисжатые состояния и т. д., поскольку стало понятно, что свет нельзя полностью описать, имея в виду только электромагнитные поля, описывающие волны в классической картине. 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 состояний, такие как сжатый свет .

Разработка коротких и ультракоротких лазерных импульсов, создаваемых методами модуляции добротности и синхронизации мод , открыла путь к изучению того, что стало известно как сверхбыстрые процессы. 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 . [2]

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 , манипуляции с 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». [3]
  • в 2005 году Теодор В. Хэнш , Рой Дж. Глаубер и Джон Л. Холл [4]
  • в 2001 году Вольфганг Кеттерле , Эрик Аллин Корнелл и Карл Виман [5]
  • в 1997 году Стивен Чу , Клод Коэн-Таннуджи и Уильям Дэниел Филлипс [6]

Концепции [ править ]

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 полевых операторов для создания и уничтожения фотонов, то есть на языке квантовой электродинамики .

Часто встречающимся состоянием светового поля является 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 рассматриваются как квантово-механические осцилляторы 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 [ править ]

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 . Термин также охватывал основные процессы лазернойоперация, которая сегодня изучается как тема квантовой оптики. Использование этого термина частично совпало с ранними работами по квантовому эффекту Холла и квантовым клеточным автоматам .

См. Также [ править ]

  • Неклассический свет
  • Оптомеханики
  • Квантовый контроль
  • Оптическое фазовое пространство
  • Оптическая физика
  • Оптика
  • Квантование электромагнитного поля
  • Спинплазмоника
  • Valleytronics

Примечания [ править ]

  1. ↑ Джерри и Найт 2004 , стр. 1.
  2. ^ Нильсен, Майкл А .; Чуанг, Исаак Л. (2010). Квантовые вычисления и квантовая информация (10-летие изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1107002173.
  3. ^ "Нобелевская премия по физике 2012" . Нобелевский фонд. Проверено 9 октября 2012 года.
  4. ^ "Нобелевская премия по физике 2005" . Nobelprize.org . Проверено 14 октября 2015 .
  5. ^ "Нобелевская премия по физике 2001" . Nobelprize.org . Проверено 14 октября 2015 .
  6. ^ "Нобелевская премия по физике 1997" . Nobelprize.org . Проверено 14 октября 2015 .

Ссылки [ править ]

  • Джерри, Кристофер; Рыцарь, Питер (2004). Введение в квантовую оптику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 052152735X.
  • Нобелевская премия по физике 2005 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • 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, F. Soto-Eguibar, Introduction to Quantum Optics (Rinton Press 2011).
  • М.О. Скалли и М.С. Зубейри 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 [ править ]

Послушайте эту статью ( 10 минут )
Разговорный значок Википедии
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 11 августа 2009 г. и не отражает последующих правок. ( 2009-08-11 )
( Аудио справка  · Больше устных статей )
  • Введение в квантовую оптику светового поля
  • Энциклопедия лазерной физики и технологии с содержанием по квантовой оптике (особенно квантовому шуму в лазерах) Рюдигера Пашотта.
  • Qwiki - вики по квантовой физике, посвященная техническим ресурсам для практикующих квантовых физиков.
  • Quantiki - бесплатный Интернет-ресурс по квантовой информатике, который может редактировать каждый.
  • Различные отчеты о квантовой оптике