Óptica cuántica - Quantum optics

La óptica cuántica es una rama de la física atómica, molecular y óptica que se ocupa de cómo los cuantos de luz individuales, conocidos como fotones , interactúan con los átomos y las moléculas. Incluye el estudio de las propiedades de los fotones en forma de partículas. Los fotones se han utilizado para probar muchas de las predicciones contraintuitivas de la mecánica cuántica , como el entrelazamiento y la teletransportación , y son un recurso útil para el procesamiento de información cuántica .

Historia

La luz que se propaga en un volumen restringido de espacio tiene su energía y momento cuantificados de acuerdo con un número entero de partículas conocidas como fotones . La óptica cuántica estudia la naturaleza y los efectos de la luz como fotones cuantificados. El primer desarrollo importante que condujo a esa comprensión fue el modelado correcto del espectro de radiación del cuerpo negro por Max Planck en 1899 bajo la hipótesis de que la luz se emite en unidades discretas de energía. El efecto fotoeléctrico fue una prueba más de esta cuantificación, como lo explica Albert Einstein en un artículo de 1905, un descubrimiento por el que iba a recibir el Premio Nobel en 1921. Niels Bohr demostró que la hipótesis de la cuantificación de la radiación óptica correspondía a su teoría de los niveles de energía cuantificados de los átomos y, en particular , el espectro de emisión de descargas de hidrógeno . La comprensión de la interacción entre la luz y la materia después de estos desarrollos fue crucial para el desarrollo de la mecánica cuántica en su conjunto. Sin embargo, los subcampos de la mecánica cuántica que se ocupan de la interacción materia-luz se consideraron principalmente como investigación de la materia más que de la luz; de ahí que se hablara más bien de física atómica y electrónica cuántica en 1960. La ciencia del láser , es decir, la investigación de los principios, el diseño y la aplicación de estos dispositivos, se convirtió en un campo importante, y la mecánica cuántica subyacente a los principios del láser se estudió ahora con más énfasis en la propiedades de la luz, y el nombre de óptica cuántica se convirtió en costumbre.

Como la ciencia del láser necesitaba buenos fundamentos teóricos, y también porque la investigación sobre estos pronto resultó muy fructífera, aumentó el interés por la óptica cuántica. Siguiendo el trabajo de Dirac en la teoría cuántica de campos , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en las décadas de 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y las estadísticas de luz (ver grado de coherencia ). Esto llevó a la introducción del estado coherente como un concepto que abordó las variaciones entre la luz láser, la luz térmica, los estados exprimidos exóticos , etc., ya que se entendió que la luz no se puede describir completamente refiriéndose a los campos electromagnéticos que describen las ondas en el estilo clásico. imagen. En 1977, Kimble et al. demostró que un solo átomo emite un fotón a la vez, una evidencia más convincente de que la luz se compone de fotones. Posteriormente se descubrieron estados cuánticos de luz previamente desconocidos con características a diferencia de los estados clásicos, como la luz exprimida .

Desarrollo de cortos y ultracortos de láser pulsos-creado por conmutación Q y modelocking técnicas a abrir el camino para el estudio de lo que se conoce como procesos ultrarrápidos. Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (por ejemplo, espectroscopía Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último llevó a levitar y posicionar nubes de átomos o incluso pequeñas muestras biológicas en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un rayo láser. Esto, junto con el enfriamiento Doppler y el enfriamiento Sisyphus , fue la tecnología crucial necesaria para lograr la célebre condensación de Bose-Einstein .

Otros resultados notables son la demostración del entrelazamiento cuántico , la teletransportación cuántica y las puertas lógicas cuánticas . Estos últimos son de gran interés en la teoría de la información cuántica , un tema que surgió en parte de la óptica cuántica y en parte de la informática teórica .

Los campos de interés actuales entre los investigadores de óptica cuántica incluyen conversión descendente paramétrica , oscilación paramétrica , pulsos de luz aún más cortos (attosegundos), uso de óptica cuántica para información cuántica , manipulación de átomos individuales, condensados ​​de Bose-Einstein , su aplicación y cómo manipular ellos (un subcampo a menudo llamado óptica atómica ), absorbentes perfectos coherentes y mucho más. Los temas clasificados bajo el término de óptica cuántica, especialmente cuando se aplica a la ingeniería y la innovación tecnológica, a menudo se clasifican bajo el término moderno de fotónica .

Se han otorgado varios premios Nobel por trabajos en óptica cuántica. Estos fueron premiados:

Conceptos

Según la teoría cuántica , la luz puede considerarse no sólo como una onda electromagnética, sino también como una "corriente" de partículas llamadas fotones que viajan con c , la velocidad de vacío de la luz . Estas partículas no deben considerarse bolas de billar clásicas , sino partículas de la mecánica cuántica descritas por una función de onda que se extiende sobre una región finita.

Cada partícula lleva un cuanto de energía igual a hf , donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la luz. Esa energía que posee un solo fotón corresponde exactamente a la transición entre niveles de energía discretos en un átomo (u otro sistema) que emitió el fotón; La absorción de material de un fotón es el proceso inverso. La explicación de Einstein de la emisión espontánea también predijo la existencia de la emisión estimulada , el principio sobre el que descansa el láser . Sin embargo, la invención real del maser (y el láser) muchos años después dependía de un método para producir una inversión de población .

El uso de la mecánica estadística es fundamental para los conceptos de la óptica cuántica: la luz se describe en términos de operadores de campo para la creación y aniquilación de fotones, es decir, en el lenguaje de la electrodinámica cuántica .

Un estado del campo de luz que se encuentra con frecuencia es el estado coherente , introducido por EC George Sudarshan en 1960. Este estado, que se puede utilizar para describir aproximadamente la salida de un láser de frecuencia única muy por encima del umbral del láser, muestra un número de fotones de Poisson. Estadísticas. Via ciertos no lineales interacciones, un estado coherente puede ser transformado en un estado coherente exprimido , mediante la aplicación de un operador de apretar que puede exhibir súper - o sub-Poissonian estadísticas de fotones. Esta luz se llama luz exprimida . Otros aspectos cuánticos importantes están relacionados con las correlaciones de las estadísticas de fotones entre diferentes haces. Por ejemplo, la conversión descendente paramétrica espontánea puede generar los llamados 'haces gemelos', donde (idealmente) cada fotón de un haz está asociado con un fotón en el otro haz.

Los átomos se consideran osciladores mecánicos cuánticos con un espectro de energía discreto , y las transiciones entre los estados propios de energía son impulsadas por la absorción o emisión de luz según la teoría de Einstein.

Para la materia en estado sólido, se utilizan los modelos de bandas de energía de la física del estado sólido . Esto es importante para comprender cómo detectan la luz los dispositivos de estado sólido, comúnmente utilizados en experimentos.

Electrónica cuántica

La electrónica cuántica es un término que se utilizó principalmente entre las décadas de 1950 y 1970 para denotar el área de la física que se ocupa de los efectos de la mecánica cuántica en el comportamiento de los electrones en la materia, junto con sus interacciones con los fotones . Hoy en día, rara vez se considera un subcampo por derecho propio y ha sido absorbido por otros campos. La física del estado sólido suele tener en cuenta la mecánica cuántica y, por lo general, se ocupa de los electrones. Las aplicaciones específicas de la mecánica cuántica en la electrónica se investigan dentro de la física de semiconductores . El término también engloba los procesos básicos de la operación del láser , que hoy se estudia como un tema en óptica cuántica. El uso del término superpuso el trabajo inicial sobre el efecto Hall cuántico y los autómatas celulares cuánticos .

Ver también

Notas

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos

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