Квантовая оптика - Quantum optics

«Квантовая электроника» перенаправляется сюда. Для журнала см. Квантовая электроника (журнал).

Квантовая оптика (QO) - это область исследований, в которой используются полуклассический и квантово-механический физика исследовать явления, связанные с свет и его взаимодействие с дело на субмикроскопических уровнях. Другими словами, это квантовая механика, применяемая к фотонам или свету.[1]

История

Свет, распространяющийся в вакууме, имеет энергия и импульс квантованы 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 излучение черного тела спектр Макс Планк в 1899 г., согласно гипотезе о том, что свет излучается в дискретных единицах энергии. В фотоэлектрический эффект было еще одним свидетельством этого квантования, как объяснено Альберт Эйнштейн в статье 1905 года, открытие, за которое он должен был быть награжден Нобелевская премия в 1921 г. Нильс Бор показал, что гипотеза квантования оптического излучения соответствует его теории квантованные энергетические уровни атомов, а спектр из выброс разряда от водород особенно. Понимание взаимодействия света и дело после этих событий было решающим для развития квантовая механика в целом. Однако разделы квантовой механики, касающиеся взаимодействия материи и света, в основном рассматривались как исследования материи, а не света; поэтому один скорее говорил о атомная физика и квантовая электроника в 1960 г. Лазерная наука - т.е. исследование принципов, конструкции и применения этих устройств - стало важной областью, и квантовая механика, лежащая в основе принципов работы лазера, теперь изучалась с большим упором на свойства света.[сомнительный – обсудить], и имя квантовая оптика стало обычным явлением.

Поскольку лазерная наука нуждалась в хороших теоретических основах, а также потому, что их исследования вскоре оказались очень плодотворными, интерес к квантовой оптике вырос. Следуя за работой Дирак в квантовая теория поля, Джон Р. Клаудер, Георгий Сударшан, Рой Дж. Глаубер, и Леонард Мандель применил квантовую теорию к электромагнитному полю в 1950-х и 1960-х годах, чтобы получить более подробное понимание фотодетектирования и статистика света (см. степень согласованности ). Это привело к появлению когерентное состояние как концепция, учитывающая различия между лазерным, тепловым и экзотическим сжатые состояния и т. д., поскольку стало понятно, что свет нельзя полностью описать, просто имея в виду электромагнитные поля описывая волны в классической картине. В 1977 г. Kimble и другие. продемонстрировали, что один атом излучает по одному фотону за раз, что является дополнительным убедительным свидетельством того, что свет состоит из фотонов. Ранее неизвестные квантовые состояния света с характеристиками, отличными от классических состояний, таких как сжатый свет были впоследствии обнаружены.

Разработка коротких и ультракороткий лазерные импульсы - созданные Q-переключение и режим методы - открыли путь к изучению так называемых сверхбыстрых процессов. Приложения для исследования твердого тела (например, Рамановская спектроскопия ), и изучены механические силы света на материю. Последнее привело к левитации и размещению облаков атомов или даже небольших биологических образцов в оптическая ловушка или оптический пинцет лазерным лучом. Это вместе с Доплеровское охлаждение и Сизифовое охлаждение, была ключевой технологией, необходимой для достижения знаменитого Конденсация Бозе – Эйнштейна.

Другими замечательными результатами являются демонстрация квантовой запутанности, квантовая телепортация, и квантовые логические ворота. Последние представляют большой интерес в квантовая теория информации, предмет, который частично возник из квантовой оптики, частично из теоретических Информатика.[2]

Сегодняшние области интересов исследователей квантовой оптики включают: параметрическое преобразование с понижением частоты, параметрическое колебание, даже более короткие (аттосекундные) световые импульсы, использование квантовой оптики для квантовая информация, манипулирование отдельными атомами, Конденсаты Бозе – Эйнштейна, их применение и способы управления ими (подполе, часто называемое атомная оптика ), когерентные идеальные поглотители, и многое другое. Темы, классифицируемые под термином квантовая оптика, особенно применительно к инженерии и технологическим инновациям, часто попадают под современный термин фотоника.

Несколько Нобелевские премии были награждены за работы в области квантовой оптики. Они были награждены:

Концепции

Согласно с квантовая теория свет можно рассматривать не только как электромагнитная волна но также как «поток» частиц, называемый фотоны которые путешествуют с c, вакуум скорость света. Эти частицы не следует рассматривать как классические бильярдные шары, но как квантово-механические частицы, описываемые волновая функция распространяться по конечной области.

Каждая частица несет один квант энергии, равный hf, где час является Постоянная Планка и ж это 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 спонтанное излучение также предсказал существование стимулированное излучение, принцип, на котором лазер отдыхает. Однако настоящее изобретение мазер (и лазер) много лет спустя зависел от метода производства инверсия населения.

Использование статистическая механика лежит в основе концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах операторов поля для создания и уничтожения фотонов, т. е. на языке квантовая электродинамика.

Часто встречающееся состояние светового поля - это когерентное состояние, как введено E.C. Джордж Сударшан в 1960 году. Это состояние, которое может быть использовано для приближенного описания выхода одночастотного лазер значительно выше лазерного порога, показывает Пуассоновский статистика числа фотонов. Через определенные нелинейный взаимодействия, когерентное состояние может быть преобразовано в сжатое когерентное состояние, применяя оператор сжатия, который может показать супер - или субпуассоновский статистика фотонов. Такой свет называется сжатый свет. Другие важные квантовые аспекты связаны с корреляциями статистики фотонов между различными 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. генераторы с дискретный энергетический спектр, с переходами между энергиями собственные состояния управляются поглощением или излучением света согласно теории Эйнштейна.

Для твердого тела используется диапазон энергии модели физика 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 физика имея дело с последствиями квантовая механика о поведении электроны в материи, вместе с их взаимодействием с фотоны. 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 электроника исследуется в физика полупроводников. Термин также охватывал основные процессы лазер операция, которая сегодня изучается как тема квантовой оптики. Использование этого термина совпало с ранней работой над квантовый эффект холла и квантовые клеточные автоматы.

Смотрите также

Заметки

  1. ^ Джерри и Найт 2004, п. 1.
  2. ^ Nielsen, Michael A .; 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 г.». Нобелевский фонд. Проверено 9 октября 2012 года.
  4. ^ «Нобелевская премия по физике 2005 г.». Nobelprize.org. Получено 2015-10-14.
  5. ^ «Нобелевская премия по физике 2001 г.». Nobelprize.org. Получено 2015-10-14.
  6. ^ "Нобелевская премия по физике 1997 г.". Nobelprize.org. Получено 2015-10-14.

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки