Hva er kvanteoptikk?

NickS/Getty Images

Kvanteoptikk er et felt av kvantefysikk som omhandler spesifikt samspillet mellom fotoner med materie. Studiet av individuelle fotoner er avgjørende for å forstå oppførselen til elektromagnetiske bølger som helhet.

For å klargjøre nøyaktig hva dette betyr, refererer ordet 'kvante' til den minste mengden av en fysisk enhet som kan samhandle med en annen enhet. Kvantefysikk omhandler derfor de minste partiklene; disse er utrolig små subatomære partikler som oppfører seg på unike måter.

Ordet 'optikk' i fysikk refererer til studiet av lys. Fotoner er de minste lyspartiklene (selv om det er viktig å vite at fotoner kan oppføre seg som både partikler og bølger).

Utvikling av kvanteoptikk og fotonteorien om lys

Teorien om at lys beveget seg i diskrete bunter (dvs. fotoner) ble presentert i Max Plancks artikkel fra 1900 om den ultrafiolette katastrofen i svart kroppsstråling . I 1905 utvidet Einstein disse prinsippene i sin forklaring av fotoelektrisk effekt å definere fotonteorien om lys.

Kvantefysikk utviklet seg gjennom første halvdel av det tjuende århundre, hovedsakelig gjennom arbeid med vår forståelse av hvordan fotoner og materie interagerer og henger sammen. Dette ble imidlertid sett på som en studie av saken involvert mer enn lyset involvert.

I 1953 ble maseren utviklet (som sendte ut koherente mikrobølger) og i 1960 laser (som sendte ut sammenhengende lys). Etter hvert som egenskapen til lyset involvert i disse enhetene ble viktigere, begynte kvanteoptikk å bli brukt som betegnelsen for dette spesialiserte studiet.

Funn

Kvanteoptikk (og kvantefysikk som helhet) ser på elektromagnetisk stråling som reiser i form av både en bølge og en partikkel på samme tid. Dette fenomenet kalles bølge-partikkel dualitet .

Den vanligste forklaringen på hvordan dette fungerer er at fotonene beveger seg i en strøm av partikler, men den generelle oppførselen til disse partiklene bestemmes av en kvantebølgefunksjon som bestemmer sannsynligheten for at partiklene er på et gitt sted på et gitt tidspunkt.

Ved å ta funn fra kvanteelektrodynamikk (QED), er det også mulig å tolke kvanteoptikk i form av skapelse og utslettelse av fotoner, beskrevet av feltoperatører. Denne tilnærmingen tillater bruk av visse statistiske tilnærminger som er nyttige for å analysere oppførselen til lys, selv om hvorvidt det representerer det som fysisk finner sted er et spørsmål om noen debatt (selv om de fleste ser på det som bare en nyttig matematisk modell).

applikasjoner

Lasere (og masere) er den mest åpenbare anvendelsen av kvanteoptikk. Lys som sendes ut fra disse enhetene er i en koherent tilstand, noe som betyr at lyset ligner en klassisk sinusformet bølge. I denne koherente tilstanden er den kvantemekaniske bølgefunksjonen (og dermed den kvantemekaniske usikkerheten) fordelt likt. Lyset som sendes ut fra en laser er derfor høyordnet og generelt begrenset til i det vesentlige samme energitilstand (og dermed samme frekvens og bølgelengde).