Optyka kwantowa to dziedzina Fizyka kwantowa która dotyczy w szczególności interakcji fotony z materią. Badanie pojedynczych fotonów ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia zachowania się fal elektromagnetycznych jako całości.
Aby wyjaśnić dokładnie, co to oznacza, słowo „kwant” odnosi się do najmniejszej ilości dowolnego fizycznego bytu, który może oddziaływać z innym bytem. Dlatego fizyka kwantowa zajmuje się najmniejszymi cząsteczkami; są to niezwykle 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 jako cząstki, jak i fale).
Rozwój optyki kwantowej i fotonowej teorii światła
Teorię, że światło porusza się w dyskretnych wiązkach (tj. Fotonach), przedstawiono w artykule Maxa Plancka z 1900 r. Na temat katastrofy ultrafioletowej w promieniowanie ciała czarnego. W 1905 r. Einstein rozwinął te zasady w swoim wyjaśnieniu efekt fotoelektryczny zdefiniować fotonową teorię światła.
Fizyka kwantowa rozwinęła się w pierwszej połowie XX wieku głównie dzięki pracy nad naszym zrozumieniem interakcji fotonów i materii i wzajemnych powiązań. Było to jednak postrzegane jako badanie materii, w którą zaangażowane było więcej niż światło.
W 1953 r. Opracowano maser (który emitował spójne mikrofale), aw 1960 r laser (który emitował spójne światło). Gdy właściwość światła zaangażowanego w te urządzenia stała się ważniejsza, optyka kwantowa zaczęła być stosowana jako termin dla tego specjalistycznego kierunku badań.
Wyniki
Optyka kwantowa (i fizyka kwantowa jako całość) postrzega promieniowanie elektromagnetyczne jako podróżujące zarówno w postaci fali, jak i cząsteczki jednocześnie. Zjawisko to nazywa się dualność falowo-cząsteczkowa.
Najczęstszym wyjaśnieniem tego, jak to działa, jest to, że fotony poruszają się w strumieniu cząstek, ale ogólne zachowanie tych cząstek jest określone przez funkcja fali kwantowej określa prawdopodobieństwo, że cząstki znajdą się w danym miejscu w danym czasie.
Biorąc wnioski z elektrodynamiki kwantowej (QED), możliwa jest również interpretacja optyki kwantowej w postaci tworzenia i anihilacji fotonów, opisywanych przez operatorów terenowych. Podejście to pozwala na zastosowanie pewnych podejść statystycznych, które są przydatne w analizie zachowania światła, chociaż czy to reprezentuje to, co dzieje się fizycznie, jest kwestią niektórych debat (chociaż większość ludzi postrzega to jako pożyteczną matematykę Model).
Aplikacje
Lasery (i masery) są najbardziej oczywistym zastosowaniem optyki kwantowej. Światło emitowane z tych urządzeń jest w spójnym stanie, co oznacza, że światło bardzo przypomina klasyczną falę sinusoidalną. W tym spójnym stanie kwantowa funkcja fal mechanicznych (a tym samym kwantowa niepewność mechaniczna) rozkłada się równomiernie. Światło emitowane z lasera jest zatem wysoce uporządkowane i zasadniczo ogranicza się do zasadniczo tego samego stanu energetycznego (a zatem tej samej częstotliwości i długości fali).