Квантовая оптика: взаимодействие света и материи.

Введение

Квантовая оптика — это раздел атомной, молекулярной и оптической физики, изучающий взаимодействие отдельных квантов света, известных как фотоны, с атомами и молекулами. Она включает в себя исследование корпускулярных свойств фотонов. Фотоны использовались для проверки многих контринтуитивных предсказаний квантовой механики, таких как запутанность и телепортация, и являются ценным ресурсом для квантовой обработки информации.

Понятия

Согласно квантовой теории, свет можно рассматривать не только как электромагнитную волну, но и как «поток» частиц, называемых фотонами, которые движутся со скоростью света в вакууме *c*. Эти частицы не следует рассматривать как классические бильярдные шары, а как квантово-механические частицы, описываемые волновой функцией, распределенной в конечном объеме. Каждая частица несет один квант энергии, равный *hf*, где *h* – постоянная Планка, а *f* – частота света. Эта энергия, которой обладает отдельный фотон, точно соответствует переходу между дискретными энергетическими уровнями в атоме (или другой системе), излучившем этот фотон; поглощение фотона веществом является обратным процессом. Объяснение Эйнштейном спонтанного излучения также предсказало существование стимулированного излучения, на котором основан принцип работы лазера. Однако фактическое изобретение мазера (и лазера) спустя много лет зависело от метода создания инверсии населенностей. Использование статистической механики имеет основополагающее значение для концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах операторов поля для создания и уничтожения фотонов, то есть на языке квантовой электродинамики. Часто встречающимся состоянием светового поля является когерентное состояние, введенное Э. С. Джорджем Сударшаном в 1960 году. Это состояние, которое можно использовать для приближенного описания выходного излучения одночастотного лазера, работающего значительно выше порога генерации, демонстрирует пуассоновскую статистику числа фотонов. В результате определенных нелинейных взаимодействий когерентное состояние может быть преобразовано в сжатое когерентное состояние путем применения оператора сжатия, который может проявлять сверх- или субпуассоновскую статистику фотонов. Такой свет называется сжатым светом. Другие важные квантовые аспекты связаны с корреляциями в статистике фотонов между различными пучками. Например, спонтанное параметрическое рассеяние может генерировать так называемые «сдвоенные пучки», где (в идеале) каждый фотон одного пучка ассоциирован с фотоном в другом пучке. Атомы рассматриваются как квантово-механические осцилляторы с дискретным энергетическим спектром, при этом переходы между энергетическими состояниями обусловлены поглощением или излучением света в соответствии с теорией Эйнштейна. Для твердотельных материалов используются зонные модели физики твердого тела. Это важно для понимания того, как свет детектируется твердотельными приборами, обычно используемыми в экспериментах.

According to quantum theory, light may be considered not only to be as an electro magnetic wave but also as a "stream" of particles called photons which travel with c, the vacuum speed of light. These particles should not be considered to be classical billiard balls, but as quantum mechanical particles described by a wavefunction spread over a finite region. Each particle carries one quantum of energy, equal to hf, where h is Planck's constant and f is the frequency of the light. That energy possessed by a single photon corresponds exactly to the transition between discrete energy levels in an atom (or other system) that emitted the photon; material absorption of a photon is the reverse process. Einstein's explanation of spontaneous emission also predicted the existence of stimulated emission, the principle upon which the laser rests. However, the actual invention of the maser (and laser) many years later was dependent on a method to produce a population inversion. The use of statistical mechanics is fundamental to the concepts of quantum optics: light is described in terms of field operators for creation and annihilation of photons—i. e. in the language of quantum electrodynamics. A frequently encountered state of the light field is the coherent state, as introduced by E. C. George Sudarshan in 1960. This state, which can be used to approximately describe the output of a single frequency laser well above the laser threshold, exhibits Poissonian photon number statistics. Via certain nonlinear interactions, a coherent state can be transformed into a squeezed coherent state, by applying a squeezing operator which can exhibit super or sub Poissonian photon statistics. Such light is called squeezed light. Other important quantum aspects are related to correlations of photon statistics between different beams. For example, spontaneous parametric down conversion can generate so called 'twin beams', where (ideally) each photon of one beam is associated with a photon in the other beam. Atoms are considered as quantum mechanical oscillators with a discrete energy spectrum, with the transitions between the energy eigenstates being driven by the absorption or emission of light according to Einstein's theory. For solid state matter, one uses the energy band models of solid state physics. This is important for understanding how light is detected by solid state devices, commonly used in experiments.

Квантовая электроника

Квантовая электроника — термин, который использовался преимущественно в 1950-х — 1970-х годах для обозначения области физики, изучающей влияние квантовой механики на поведение электронов в веществе и их взаимодействие с фотонами. В настоящее время она редко рассматривается как самостоятельное направление и была включена в состав других областей. Физика твердого тела регулярно учитывает квантовую механику и обычно посвящена изучению электронов. Конкретные применения квантовой механики в электронике исследуются в физике полупроводников. Этот термин также охватывал фундаментальные процессы, лежащие в основе работы лазеров, которые сегодня изучаются в рамках квантовой оптики. Использование термина пересекалось с ранними исследованиями квантового эффекта Холла и квантовых клеточных автоматов.