Kuantum optiği - Quantum optics

Kuantum optiği , fotonlar olarak bilinen bireysel ışık kuantalarının atomlar ve moleküller ile nasıl etkileşime girdiği ile ilgilenen atomik, moleküler ve optik fiziğin bir dalıdır . Fotonların parçacık benzeri özelliklerinin incelenmesini içerir. Fotonlar, dolaşma ve ışınlanma gibi kuantum mekaniğinin sezgisel olmayan tahminlerinin çoğunu test etmek için kullanılmıştır ve kuantum bilgi işleme için yararlı bir kaynaktır .

Tarih

Sınırlı bir uzay hacminde yayılan ışığın enerjisi ve momentumu , fotonlar olarak bilinen tam sayıda parçacıklara göre nicelenir . Kuantum optiği, ışığın nicelenmiş fotonlar olarak doğasını ve etkilerini inceler. Bu anlayışa yol açan ilk büyük gelişme , ışığın ayrık enerji birimlerinde yayıldığı hipotezi altında 1899'da Max Planck tarafından kara cisim radyasyon spektrumunun doğru modellenmesiydi . Fotoelektrik etki ile açıklanabilir bu Kuantizasyonun fazla kanıt oldu Albert Einstein , 1905 yılında kağıt, o verilecek olan bir keşif Nobel 1921 yılında Niels Bohr optik radyasyon varlığın hipotez teorisine karşılık nicemlenmiş gösterdi atomlu nicelik enerji düzeyleri ve spektrum bölgesinin boşaltma emisyonu ile ilgili olarak hidrojen , özellikle. Bu gelişmeleri takiben ışık ve madde arasındaki etkileşimin anlaşılması, bir bütün olarak kuantum mekaniğinin gelişimi için çok önemliydi . Bununla birlikte, madde-ışık etkileşimi ile ilgilenen kuantum mekaniğinin alt alanları, esasen ışıktan çok madde üzerine araştırma olarak kabul edildi; bu nedenle 1960'da atom fiziği ve kuantum elektroniğinden daha çok söz edildi. Lazer bilimi -yani, bu cihazların ilkeleri, tasarımı ve uygulaması üzerine araştırma- önemli bir alan haline geldi ve lazerin ilkelerinin altında yatan kuantum mekaniği, şimdi, ışığın özellikleri ve kuantum optiği adı geleneksel hale geldi.

Lazer bilimi iyi teorik temellere ihtiyaç duyduğundan ve ayrıca bunlarla ilgili araştırmaların kısa sürede çok verimli olduğu kanıtlandığından, kuantum optiğine ilgi arttı. Çalışmalarının ardından Dirac içinde kuantum alan teorisi , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy Glauber ve Leonard Mandel foto-daha detaylı bir anlayış ve kazanmak için 1950 ve 1960 yılında elektromanyetik alana kuantum teorisini uygulamalı istatistik arasında ışık (bkz . tutarlılık derecesi ). Bu , lazer ışığı, termal ışık, egzotik sıkışık durumlar vb. arasındaki varyasyonları ele alan bir kavram olarak tutarlı durumun ortaya çıkmasına neden oldu, çünkü ışığın sadece klasik dalgaları tanımlayan elektromanyetik alanlara atıfta bulunarak tam olarak tanımlanamayacağı anlaşıldı. resim. 1977'de Kimble ve ark. Her seferinde bir foton yayan tek bir atomu gösterdi, ışığın fotonlardan oluştuğuna dair daha fazla ikna edici kanıt. Daha sonra , sıkıştırılmış ışık gibi klasik durumlardan farklı özelliklere sahip, daha önce bilinmeyen kuantum ışık durumları keşfedildi.

Q değiştirme ve modelleme teknikleri ile oluşturulan kısa ve ultra kısa lazer darbelerinin geliştirilmesi, ultra hızlı süreçler olarak bilinen şeyin araştırılmasının yolunu açtı. Katı hal araştırmaları (örneğin Raman spektroskopisi ) için uygulamalar bulundu ve ışığın madde üzerindeki mekanik kuvvetleri incelendi. İkincisi , lazer ışını ile optik bir tuzak veya optik cımbız içinde atom bulutlarının ve hatta küçük biyolojik örneklerin havaya kaldırılmasına ve konumlandırılmasına yol açtı . Doppler soğutma ve Sisyphus soğutma ile birlikte bu, ünlü Bose-Einstein yoğuşmasını elde etmek için gereken çok önemli teknolojiydi .

Diğer dikkat çekici sonuçlar, kuantum dolaşıklık , kuantum ışınlanma ve kuantum mantık kapılarının gösterilmesidir . İkincisi , kısmen kuantum optiğinden, kısmen de teorik bilgisayar biliminden ortaya çıkan bir konu olan kuantum bilgi teorisine çok ilgi duyuyor .

Kuantum optik araştırmacıları arasında günümüzün ilgi alanları arasında parametrik aşağı dönüşüm , parametrik salınım , hatta daha kısa (attosaniye) ışık darbeleri, kuantum bilgisi için kuantum optiğinin kullanımı, tek atomların manipülasyonu, Bose-Einstein yoğunlaşmaları , bunların uygulamaları ve nasıl manipüle edileceği yer alır. bunlar (genellikle atom optiği olarak adlandırılan bir alt alan ), uyumlu mükemmel emiciler ve çok daha fazlası. Kuantum optiği terimi altında sınıflandırılan konular, özellikle mühendislik ve teknolojik yeniliklere uygulandığında, genellikle modern fotonik terimi altına girer .

Kuantum optiği alanındaki çalışmaları için birçok Nobel ödülü verildi. Bunlar ödüllendirildi:

• 2012'de Serge Haroche ve David J. Wineland "bireysel kuantum sistemlerinin ölçülmesini ve manipülasyonunu sağlayan çığır açan deneysel yöntemler için".
• 2005 yılında Theodor W. Hänsch , Roy J. Glauber ve John L. Hall
• 2001 yılında Wolfgang Ketterle , Eric Allin Cornell ve Carl Wieman
• 1997 yılında Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji ve William Daniel Phillips

kavramlar

Kuantum teorisine göre , ışık sadece bir elektromanyetik dalga olarak değil, aynı zamanda foton adı verilen ve ışığın vakum hızı olan c ile hareket eden parçacıkların bir "akımı" olarak da düşünülebilir . Bu parçacıklar klasik bilardo topları olarak değil, sonlu bir bölgeye yayılmış bir dalga fonksiyonu ile tanımlanan kuantum mekanik parçacıklar olarak düşünülmelidir .

Her parçacık hf'ye eşit bir kuantum enerji taşır ; burada h , Planck sabitidir ve f , ışığın frekansıdır. Tek bir fotonun sahip olduğu bu enerji, fotonu yayan bir atomdaki (veya başka bir sistemdeki) ayrık enerji seviyeleri arasındaki geçişe tam olarak karşılık gelir; bir fotonun malzeme absorpsiyonu bunun tersidir. Einstein'ın kendiliğinden emisyon açıklaması , lazerin dayandığı ilke olan uyarılmış emisyonun varlığını da öngördü . Bununla birlikte, maserin (ve lazerin) yıllar sonra gerçek icadı, bir popülasyon inversiyonu üretme yöntemine bağlıydı .

İstatistiksel mekaniğin kullanımı, kuantum optiği kavramları için temeldir: ışık, fotonların yaratılması ve yok edilmesi için alan operatörleri açısından tanımlanır - yani kuantum elektrodinamiği dilinde .

Işık alanının sıkça karşılaşılan bir durumu, 1960 yılında EC George Sudarshan tarafından tanıtıldığı gibi , tutarlı durumdur . Lazer eşiğinin çok üzerinde tek frekanslı bir lazerin çıkışını yaklaşık olarak tanımlamak için kullanılabilen bu durum, Poissonian foton sayısını gösterir. İstatistik. Belirli doğrusal olmayan etkileşimler yoluyla, süper veya alt-Poissonian foton istatistikleri gösterebilen bir sıkıştırma operatörü uygulanarak tutarlı bir durum sıkıştırılmış tutarlı bir duruma dönüştürülebilir . Bu tür ışığa sıkıştırılmış ışık denir . Diğer önemli kuantum yönleri, farklı ışınlar arasındaki foton istatistiklerinin korelasyonları ile ilgilidir. Örneğin, kendiliğinden parametrik aşağı-dönüştürme , (ideal olarak) bir ışının her bir fotonunun diğer ışındaki bir foton ile ilişkilendirildiği 'ikiz ışınlar' olarak adlandırılanları üretebilir.

Atomlar, Einstein'ın teorisine göre , enerji özdurumları arasındaki geçişlerin ışığın emilmesi veya yayılması tarafından yönlendirildiği , ayrı bir enerji spektrumuna sahip kuantum mekanik osilatörler olarak kabul edilir .

Katı hal maddesi için, katı hal fiziğinin enerji bandı modelleri kullanılır . Bu, deneylerde yaygın olarak kullanılan katı hal aygıtları tarafından ışığın nasıl algılandığını anlamak için önemlidir.

kuantum elektroniği

Kuantum elektroniği , esas olarak 1950'ler ve 1970'ler arasında, kuantum mekaniğinin , elektronların fotonlarla etkileşimleriyle birlikte maddedeki davranışları üzerindeki etkileriyle ilgilenen fizik alanını belirtmek için kullanılan bir terimdir . Bugün, nadiren kendi başına bir alt alan olarak kabul edilir ve diğer alanlar tarafından emilir. Katı hal fiziği düzenli olarak kuantum mekaniğini hesaba katar ve genellikle elektronlarla ilgilenir. Kuantum mekaniğinin elektronikteki özel uygulamaları yarı iletken fiziği içinde araştırılır . Terim aynı zamanda günümüzde kuantum optiğinde bir konu olarak incelenen lazer operasyonunun temel süreçlerini de kapsıyordu . Terimin kullanımı, kuantum Hall etkisi ve kuantum hücresel otomatlar üzerine yapılan erken çalışmalarla örtüşüyordu .

Ayrıca bakınız

Notlar

Referanslar

• Gerry, Christopher; Şövalye, Peter (2004). Kuantum Optiğine Giriş . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 052152735X.
• 2005 Nobel Fizik Ödülü

daha fazla okuma

• L. Mandel , E. Wolf Optik Tutarlılık ve Kuantum Optiği (Cambridge 1995).
• DF Walls ve GJ Milburn Quantum Optics (Springer 1994).
• Crispin Gardiner ve Peter Zoller , Kuantum Gürültüsü (Springer 2004).
• HM Moya-Cessa ve F. Soto-Eguibar, Kuantum Optiğine Giriş (Rinton Press 2011).
• MO Scully ve MS Zubairy Quantum Optics (Cambridge 1997).
• Faz Uzayında WP Schleich Kuantum Optiği (Wiley 2001).
• Kira, M.; Koch, GB (2011). Yarı İletken Kuantum Optiği . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 978-0521875097.
• FJ Duarte (2014). Mühendisler için Kuantum Optiği . New York: CRC. ISBN'si 978-1439888537.

Dış bağlantılar

Bu makaleyi dinleyin ( 10 dakika )

Bu ses dosyası , bu makalenin 11 Ağustos 2009 tarihli bir revizyonundan oluşturulmuştur ve sonraki düzenlemeleri yansıtmamaktadır. ( 2009-08-11 )

( Sesli yardım  · Daha çok konuşulan makaleler )

• Işık alanının kuantum optiğine giriş
• Lazer fiziği ve teknolojisi ansiklopedisi, kuantum optiği (özellikle lazerlerdeki kuantum gürültüsü), Rüdiger Paschotta'ya ait.
• Qwiki - Kuantum fizikçilerini uygulamak için teknik kaynaklar sağlamaya adanmış bir kuantum fiziği wiki.
• Quantiki - kuantum bilgi biliminde herkesin düzenleyebileceği ücretsiz içerikli bir WWW kaynağı.
• Çeşitli Kuantum Optik Raporları