Co to jest optyka kwantowa?

NickS/Getty Images

Optyka kwantowa to dziedzina Fizyka kwantowa który zajmuje się konkretnie interakcją fotony z materią. Badanie pojedynczych fotonów ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zachowania fal elektromagnetycznych jako całości.

Aby dokładnie wyjaśnić, co to oznacza, słowo „kwant” odnosi się do najmniejszej ilości jakiejkolwiek fizycznej jednostki, która może wchodzić w interakcje z inną jednostką. Fizyka kwantowa zajmuje się zatem najmniejszymi cząstkami; są to niewiarygodnie małe cząsteczki subatomowe, które zachowują się w wyjątkowy sposób.

Słowo „optyka” w fizyce odnosi się do badania światła. Fotony to najmniejsze cząstki światła (choć ważne jest, aby wiedzieć, że fotony mogą zachowywać się zarówno jak cząstki, jak i fale).

Rozwój optyki kwantowej i fotonowej teorii światła

Teoria, że ​​światło porusza się w dyskretnych wiązkach (tj. fotonach) została przedstawiona w pracy Maxa Plancka z 1900 roku na temat katastrofy ultrafioletowej w promieniowanie ciała doskonale czarnego . W 1905 Einstein rozwinął te zasady w swoim wyjaśnieniu efekt fotoelektryczny zdefiniować fotonową teorię światła.

Fizyka kwantowa rozwijała się w pierwszej połowie XX wieku, głównie dzięki pracom nad zrozumieniem interakcji fotonów i materii. Było to jednak postrzegane jako studium materii, która dotyczyła czegoś więcej niż światła.

W 1953 r. opracowano maser, który emitował spójne mikrofale, a w 1960 r laser (który emitował spójne światło). Ponieważ właściwość światła zaangażowanego w te urządzenia stała się ważniejsza, optyka kwantowa zaczęła być używana jako termin dla tej specjalistycznej dziedziny badań.

Wyniki

Optyka kwantowa (i fizyka kwantowa jako całość) postrzega promieniowanie elektromagnetyczne jako podróżujące jednocześnie w postaci fali i cząstki. Zjawisko to nazywa się dualizm falowo-cząsteczkowy .

Najczęstszym wyjaśnieniem, jak to działa, jest to, że fotony poruszają się w strumieniu cząstek, ale ogólne zachowanie tych cząstek jest określone przez funkcja fal kwantowych to określa prawdopodobieństwo, że cząstki znajdują się w danym miejscu w określonym czasie.

Czerpiąc z ustaleń elektrodynamiki kwantowej (QED), możliwa jest również interpretacja optyki kwantowej w postaci tworzenia i anihilacji fotonów, opisywanej przez operatorów pola. Takie podejście pozwala na zastosowanie pewnych podejść statystycznych, które są przydatne w analizie zachowania światła, chociaż to, czy reprezentuje ono to, co fizycznie ma miejsce, jest kwestią pewnej debaty (chociaż większość ludzi postrzega to jako użyteczny model matematyczny).

Aplikacje

Lasery (i masery) to najbardziej oczywiste zastosowanie optyki kwantowej. Światło emitowane z tych urządzeń jest w stanie koherentnym, co oznacza, że ​​światło bardzo przypomina klasyczną falę sinusoidalną. W tym spójnym stanie funkcja falowa mechaniki kwantowej (a tym samym niepewność mechaniki kwantowej) rozkłada się równomiernie. Światło emitowane przez laser jest zatem wysoce uporządkowane i generalnie ograniczone do zasadniczo tego samego stanu energetycznego (a tym samym tej samej częstotliwości i długości fali).