Линейная оптика - Linear optics

Линейная оптика является подполе оптика, состоящий из линейные системы, и является противоположностью нелинейная оптика. Линейная оптика включает в себя большинство применений линз, зеркал, волновых пластин, дифракционных решеток и многих других распространенных оптических компонентов и систем.

Если оптическая система является линейной, она имеет (среди прочего) следующие свойства:

• Если монохроматический свет входит в неизменную линейно-оптическую систему, выходной сигнал будет на той же частоте. Например, если красный свет попадает в линзу, он все равно будет красным при выходе из линзы.
• В принцип суперпозиции действительно для линейно-оптических систем. Например, если зеркало преобразует световой вход A в выход B, а вход C в выход D, то вход, состоящий из A и C, одновременно дает выход B и D одновременно.
• Соответственно, если входной свет сделать более интенсивным, то выходной свет станет более интенсивным, но в остальном не изменится.

Эти свойства нарушаются в нелинейной оптике, в которой часто используются мощные импульсные лазеры. Кроме того, многие взаимодействия материалов, включая поглощение и флуоресценция не являются частью линейной оптики.

Линейные и нелинейные преобразования (примеры)

В качестве примера, используя Кронштейн Дирака обозначения (см. обозначения бюстгальтера ) преобразование ${\displaystyle |k\rangle \rightarrow e^{ik\theta }|k\rangle }$линейно, а преобразование${\displaystyle \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle +\alpha _{2}|2\rangle \rightarrow \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle -\alpha _{2}|2\rangle }$ нелинейна. В приведенных выше примерах ${\displaystyle k=0,1,\ldots }$ целое число, представляющее количество фотонов. Преобразование в первом примере линейно по количеству фотонов, а во втором - нет.

Это специфическое нелинейное преобразование играет важную роль в оптических квантовых вычислениях.

Сравнение линейных и нелинейных оптических устройств (примеры)

Фазовращатели и светоделители являются примерами устройств, обычно используемых в линейной оптике.

Напротив, процессы частотного смешения, оптический эффект Керра, перекрестная фазовая модуляция и рамановское усиление - это несколько примеров нелинейных эффектов в оптике.

Связь с квантовыми вычислениями

Одной из активных областей исследований в настоящее время является использование линейной оптики по сравнению с использованием нелинейной оптики в квантовой вычисление. Например, одна модель линейные оптические квантовые вычисления, то Модель KLM, универсален для квантовые вычисления, и еще одна модель, выборка бозонов -базовая модель, считается неуниверсальной (для квантовых вычислений), но все же способна решать некоторые задачи экспоненциально быстрее, чем классический компьютер.

Специфическое нелинейное преобразование ${\displaystyle \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle +\alpha _{2}|2\rangle \rightarrow \alpha _{0}|0\rangle +\alpha _{1}|1\rangle -\alpha _{2}|2\rangle }$, (называемый "воротами" в терминологии информатики), представленный выше, играет важную роль в оптических квантовых вычислениях: с одной стороны, он полезен для получения универсального набора ворот, а с другой стороны, с (только ) линейно-оптические устройства и последующий выбор конкретных результатов плюс процесс прямой связи, он может применяться с высокой вероятностью успеха и использоваться для получения универсальных линейно-оптических квантовых вычислений, как это сделано в Модель KLM.

Смотрите также

• Физический портал

• Оптика
• Квантовая оптика
• Нелинейная оптика
• Линейные оптические квантовые вычисления (LOQC)
• Модель KLM для LOQC
• Оптическое фазовое пространство
• Оптическая физика
• Неклассический свет