Kvantová optika - Quantum optics

"Kvantová elektronika" přeadresuje tady. Pro deník viz Quantum Electronics (deník).

Kvantová optika (QO) je oblast výzkumu, která využívá poloklasické a kvantově mechanické fyzika vyšetřovat jevy zahrnující světlo a jeho interakce s hmota na submikroskopické úrovni. Jinými slovy, jde o kvantovou mechaniku aplikovanou na fotony nebo světlo.[1]

Dějiny

Světlo šířící se ve vakuu má své energie a hybnost kvantifikován podle celočíselného počtu částic známých jako fotony. Kvantová optika studuje povahu a účinky světla jako kvantovaných fotonů. Prvním významným vývojem vedoucím k tomuto porozumění bylo správné modelování záření černého těla spektrum od Max Planck v roce 1899 pod hypotézou světla emitovaného v diskrétních jednotkách energie. The fotoelektrický efekt byl další důkaz této kvantizace, jak vysvětlil Albert Einstein v dokumentu z roku 1905, objev, za který měl být oceněn Nobelova cena v roce 1921. Niels Bohr ukázal, že hypotéza kvantovaného optického záření odpovídala jeho teorii kvantované energetické hladiny atomů a spektrum z emise výboje z vodík zejména. Pochopení interakce mezi světlem a hmota sledování tohoto vývoje bylo pro rozvoj EU klíčové kvantová mechanika jako celek. Subpole kvantové mechaniky zabývající se interakcí hmoty a světla však byly v zásadě považovány spíše za výzkum hmoty než za světlo; proto jeden spíše mluvil atomová fyzika a kvantová elektronika v roce 1960. Laserová věda - tj. Výzkum principů, designu a aplikace těchto zařízení - se stal důležitým polem a kvantová mechanika, která je základem principů laseru, byla nyní studována s větším důrazem na vlastnosti světla[pochybný – diskutovat]a jméno kvantová optika se stalo zvykem.

Protože laserová věda potřebovala dobré teoretické základy, a také proto, že jejich výzkum se brzy ukázal jako velmi plodný, vzrostl zájem o kvantovou optiku. V návaznosti na práci Dirac v kvantová teorie pole, John R. Klauder, George Sudarshan, Roy J. Glauber, a Leonard Mandel aplikoval kvantovou teorii na elektromagnetické pole v 50. a 60. letech, aby získal podrobnější porozumění fotodetekci a statistika světla (viz stupeň soudržnosti ). To vedlo k zavedení soudržný stav jako koncept, který řešil variace mezi laserovým světlem, tepelným světlem, exotikou vymačkané státy atd., protože se pochopilo, že světlo nelze plně popsat pouhým odkazem na elektromagnetické pole popisující vlny na klasickém obrázku. V roce 1977 Kimble et al. demonstroval jeden atom vyzařující jeden foton najednou, další přesvědčivý důkaz, že světlo se skládá z fotonů. Dříve neznámé kvantové stavy světla s charakteristikami na rozdíl od klasických stavů, jako např vymačkané světlo byly následně objeveny.

Vývoj krátkých a ultrakrátký laserové pulsy - vytvořené Q přepínání a modelování techniky — otevřely cestu ke studiu takzvaných ultrarychlých procesů. Aplikace pro výzkum v pevné fázi (např. Ramanova spektroskopie ) a byly studovány mechanické síly světla na hmotu. To vedlo k levitaci a umístění mraků atomů nebo dokonce malých biologických vzorků v optická past nebo optická pinzeta laserovým paprskem. Toto, spolu s Dopplerovo chlazení a Sisyfosové chlazení, byla klíčová technologie potřebná k dosažení oslavovaných Bose – Einsteinova kondenzace.

Dalšími pozoruhodnými výsledky jsou demonstrace kvantového zapletení, kvantová teleportace, a kvantové logické brány. O ty druhé je velký zájem teorie kvantové informace, předmět, který částečně vychází z kvantové optiky, částečně z teoretické počítačová věda.[2]

Dnešní pole zájmu výzkumníků kvantové optiky zahrnují parametrická down-konverze, parametrická oscilace, dokonce i kratší (attosekundové) světelné impulsy, použití kvantové optiky pro kvantová informace manipulace s jednotlivými atomy, Bose – Einsteinovy ​​kondenzáty, jejich aplikace a jak s nimi manipulovat (často se nazývá podpole atomová optika ), koherentní perfektní absorbéry, a mnohem víc. Témata klasifikovaná pod pojmem kvantová optika, zejména pokud jde o inženýrské a technologické inovace, často spadají pod moderní pojm fotonika.

Několik Nobelovy ceny byli oceněni za práci v kvantové optice. Byly uděleny:

Koncepty

Podle kvantová teorie, světlo lze považovat nejen za elektromagnetická vlna ale také jako „proud“ zvaných částic fotony které cestují s C, vakuum rychlost světla. Tyto částice by neměly být považovány za klasické kulečníkové koule, ale jako kvantově mechanické částice popsané a vlnová funkce rozloženo do konečné oblasti.

Každá částice nese jedno kvantum energie, které se rovná hf, kde h je Planckova konstanta a F je frekvence světla. Tato energie vlastněná jediným fotonem přesně odpovídá přechodu mezi jednotlivými úrovněmi energie v atomu (nebo jiném systému), který foton emitoval; absorpce materiálu fotonu je opačný proces. Einsteinovo vysvětlení spontánní emise také předpověděl existenci stimulované emise, princip, na kterém laser spočívá. Skutečný vynález maser (a laser) o mnoho let později byla závislá na způsobu výroby a populační inverze.

Použití statistická mechanika je zásadní pro koncepty kvantové optiky: Světlo je popsáno v podmínkách polních operátorů pro tvorbu a zničení fotonů - tj. v jazyce kvantová elektrodynamika.

Často se vyskytujícím stavem světelného pole je soudržný stav, jak je zavedeno E. George Sudarshan v roce 1960. Tento stav, kterým lze přibližně popsat výstup jednofrekvenčního signálu laser výrazně nad prahem laseru, exponáty Poissonian statistika počtu fotonů. Přes jisté nelineární interakcí lze koherentní stav přeměnit na a vymačkaný koherentní stav, použitím operátoru mačkání, který může vystavovat super - nebo subpoissonský statistika fotonů. Takové světlo se nazývá vymačkané světlo. Další důležité kvantové aspekty se týkají korelací fotonové statistiky mezi různými paprsky. Například, spontánní parametrická down-konverze může generovat takzvané „dvojité paprsky“, kde (v ideálním případě) je každý foton jednoho paprsku spojen s fotonem v druhém paprsku.

Atomy jsou považovány za kvantově mechanické oscilátory s oddělený energetické spektrum, s přechody mezi energií vlastní státy poháněn absorpcí nebo emisí světla podle Einsteinovy ​​teorie.

Pro pevné látky se používá energetické pásmo modely fyzika pevných látek. To je důležité pro pochopení toho, jak je světlo detekováno polovodičovými zařízeními, běžně používanými v experimentech.

Kvantová elektronika

Kvantová elektronika je termín, který se používá hlavně mezi padesátými a sedmdesátými léty k označení oblasti fyzika řešení účinků kvantová mechanika o chování elektrony v hmotě, spolu s jejich interakcemi s fotony. Dnes je zřídka považováno za subpole samo o sobě a bylo absorbováno jinými poli. Fyzika pevných látek pravidelně bere v úvahu kvantovou mechaniku a obvykle se zabývá elektrony. Specifické aplikace kvantové mechaniky v elektronika je zkoumán uvnitř polovodičová fyzika. Termín rovněž zahrnoval základní procesy laser operace, která je dnes studována jako téma v kvantové optice. Použití termínu překrývalo rané práce na internetu kvantový Hallův jev a kvantové celulární automaty.

Viz také

Poznámky

  1. ^ Gerry & Knight 2004, str. 1.
  2. ^ Nielsen, Michael A .; Chuang, Isaac L. (2010). Kvantové výpočty a kvantové informace (10. výročí vydání). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN  978-1107002173.
  3. ^ „Nobelova cena za fyziku 2012“. Nobelova nadace. Vyvolány 9 October 2012.
  4. ^ „Nobelova cena za fyziku 2005“. Nobelprize.org. Citováno 2015-10-14.
  5. ^ „Nobelova cena za fyziku 2001“. Nobelprize.org. Citováno 2015-10-14.
  6. ^ „Nobelova cena za fyziku 1997“. Nobelprize.org. Citováno 2015-10-14.

Reference

Další čtení

externí odkazy