Čo je kvantová optika?

NickS/Getty Images

Kvantová optika je oblasť kvantová fyzika ktorá sa zaoberá konkrétne interakciou fotóny s hmotou. Štúdium jednotlivých fotónov je kľúčové pre pochopenie správania elektromagnetických vĺn ako celku.

Aby sme presne objasnili, čo to znamená, slovo „kvantové“ sa vzťahuje na najmenšie množstvo akejkoľvek fyzickej entity, ktorá môže interagovať s inou entitou. Kvantová fyzika sa teda zaoberá najmenšími časticami; sú to neuveriteľne malé subatomárne častice, ktoré sa správajú jedinečným spôsobom.

Slovo „optika“ sa vo fyzike vzťahuje na štúdium svetla. Fotóny sú najmenšie častice svetla (aj keď je dôležité vedieť, že fotóny sa môžu správať ako častice aj ako vlny).

Vývoj kvantovej optiky a fotónovej teórie svetla

Teória, že svetlo sa pohybuje v diskrétnych zväzkoch (t.j. fotónoch), bola prezentovaná v práci Maxa Plancka z roku 1900 o ultrafialovej katastrofe v r. žiarenie čierneho telesa . V roku 1905 Einstein tieto princípy rozšíril vo svojom vysvetlení fotoelektrický efekt definovať fotónovú teóriu svetla.

Kvantová fyzika sa vyvinula v prvej polovici dvadsiateho storočia prevažne vďaka práci na našom chápaní toho, ako fotóny a hmota interagujú a vzájomne súvisia. Toto sa však považovalo za štúdiu veci, ktorá zahŕňa viac ako svetlo.

V roku 1953 bol vyvinutý maser (ktorý vyžaroval koherentné mikrovlny) a v roku 1960 bol laser (ktorý vyžaroval koherentné svetlo). Keď sa vlastnosti svetla zahrnutého v týchto zariadeniach stali dôležitejšími, kvantová optika sa začala používať ako termín pre tento špecializovaný študijný odbor.

Zistenia

Kvantová optika (a kvantová fyzika ako celok) vníma elektromagnetické žiarenie ako pohybujúce sa vo forme vlny aj častice súčasne. Tento jav sa nazýva vlnovo-časticová dualita .

Najbežnejším vysvetlením, ako to funguje, je, že fotóny sa pohybujú v prúde častíc, ale celkové správanie týchto častíc je určené kvantová vlnová funkcia ktorý určuje pravdepodobnosť, že častice budú v danom čase na danom mieste.

Na základe poznatkov z kvantovej elektrodynamiky (QED) je tiež možné interpretovať kvantovú optiku vo forme vytvárania a ničenia fotónov, ktoré popisujú operátori poľa. Tento prístup umožňuje použitie určitých štatistických prístupov, ktoré sú užitočné pri analýze správania svetla, aj keď to, či predstavuje to, čo sa fyzicky deje, je predmetom diskusie (hoci väčšina ľudí to považuje len za užitočný matematický model).

Aplikácie

Lasery (a masery) sú najzrejmejšou aplikáciou kvantovej optiky. Svetlo vyžarované z týchto zariadení je v koherentnom stave, čo znamená, že svetlo veľmi pripomína klasickú sínusovú vlnu. V tomto koherentnom stave je kvantová mechanická vlnová funkcia (a teda kvantová mechanická neistota) rozdelená rovnomerne. Svetlo vyžarované laserom je preto vysoko usporiadané a vo všeobecnosti obmedzené na v podstate rovnaký energetický stav (a teda rovnakú frekvenciu a vlnovú dĺžku).