• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Optyka kwantowa

    Przeczytaj także...
    Stan koherentny (lub stan Glaubera) - to specjalny stan kwantowy oscylatora harmonicznego będący stanem własnym operatora anihilacji tzn.Mechanika kwantowa (teoria kwantów) – teoria praw ruchu obiektów świata mikroskopowego. Poszerza zakres mechaniki na odległości czasoprzestrzenne i energie, dla których przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach - np. atom, cząstki elementarne itp. Jej granicą dla średnich rozmiarów lub średnich energii czy pędów jest mechanika klasyczna.
    Foton (gr. φως – światło, w dopełniaczu – φοτος, nazwa stworzona przez Gilberta N. Lewisa) jest cząstką elementarną, nie posiadającą ładunku elektrycznego ani momentu magnetycznego, o masie spoczynkowej równej zero (m0 = 0), liczbie spinowej s = 1 (fotony są zatem bozonami). Fotony są nośnikami oddziaływań elektromagnetycznych, a ponieważ wykazują dualizm korpuskularno-falowy, są równocześnie falą elektromagnetyczną.

    Optyka kwantowa jest obszarem badań fizyki, zajmującym się zastosowaniem mechaniki kwantowej do opisu zjawisk z uczestnictwem światła oraz jego oddziaływań z materią.

    Historia optyki kwantowej[]

    Światło jest złożone z cząstek zwanych fotonami i z tego powodu ma naturę "ziarnistą" (skwantowaną). Optyka kwantowa obejmuje badania natury i skutków działania światła pod postacią skwantowanych fotonów. Jako pierwszy na możliwość istnienia cząsteczkowej postaci światła wskazał Max Planck, który w roku 1899 sporządził poprawny model promieniowania ciała doskonale czarnego, dzięki założeniu, że wymiana energii pomiędzy światłem a materią może odbywać się tylko w nieciągłych (dyskretnych) ilościach, które określił mianem "kwantów". Nie było wówczas wiadomo, czy przyczyna tych nieciągłości leży po stronie materii, czy też światła. W roku 1905 Albert Einstein opublikował teorię zjawiska fotoelektrycznego. Okazało się, że jedyne możliwe wyjaśnienie efektu wymagało zapostulowania istnienia cząstek światła, zwanych fotonami. Później Niels Bohr wykazał, że również w przypadku budowy atomów mamy do czynienia ze zjawiskami kwantowymi, tzn. że są one w stanie emitować jedynie dyskretne ilości (porcje) energii. Zrozumienie natury oddziaływań pomiędzy światłem a materią, wynikające z tych badań nie tylko stanowiło fundament optyki kwantowej, ale również odegrało kluczową rolę w rozwoju całej mechaniki kwantowej. Jednak dziedziny mechaniki kwantowej zajmujące się oddziaływaniami pomiędzy światłem a materią sklasyfikowano jako podkategorię badań nad naturą materii, a nie światła, dlatego mówiło się raczej o fizyce atomowej i elektronice kwantowej.

    George Sudarshan znany też jako E. C. George Sudarshan (ur. 1931 w Kottayam, w stanie Kerala w Indiach) – indyjski fizyk teoretyczny, profesor University of Texas at Austin. Uznawany za pioniera optyki kwantowej. Jest także autorem publikazji z zakresu stosunków między cywilizacją Wschodu i Zachodu oraz filozofii i religii.Niels Henrik David Bohr (ur. 7 października 1885 w Kopenhadze, zm. 18 listopada 1962 tamże) – duński fizyk, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w 1922 za opracowanie badania struktury atomu.

    Sytuacja uległa zmianie wraz z wynalezieniem masera w roku 1953, a następnie lasera -– w roku 1960. Nauka o laserze, obejmująca np. spójne wiązki światła, stała się poważnym obszarem badań, a mechanika kwantowa, stanowiąca fundament zasad działania lasera, doczekała się głębokich studiów ze szczególnym naciskiem na właściwości światła. Termin "optyka kwantowa" stał się nazwą zwyczajową.

    Oddziaływanie elektromagnetyczne to jedno z czterech znanych fizyce oddziaływań elementarnych. Odpowiada za siły działające między cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny. Jego odkrywcą był Duńczyk Hans Christian Ørsted.Maser (od (ang.) Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie mikrofal poprzez wymuszoną emisję promieniowania) – urządzenie wzmacniające mikrofale za pomocą emisji wymuszonej promieniowania elektromagnetycznego. Przyrząd elektroniki kwantowej wytwarzający lub wzmacniający promieniowanie elektromagnetyczne mikrofalowe. Ma zastosowanie w urządzeniach radioastronomicznych, radarowych, łączności satelitarnej i kosmicznej. Maser to urządzenie o zasadzie działania identycznej jak laser, ale emitujące promieniowanie w innym zakresie częstotliwości.

    Jako że nauka o laserze wymagała solidnych podstaw teoretycznych, a także ze względu na obiecujące wyniki badań, zainteresowanie optyką kwantową szybko wzrosło. W następstwie opracowań Diraca na temat kwantowej teorii pola, George Sudarshan, Roy J. Glauber, i Leonard Mandel w latach 50. i 60. zastosowali teorię kwantową do opisu pola elektromagnetycznego, by uzyskać bardziej szczegółowe wyjaśnienie fotodetekcji oraz statystyki światła (patrz: stopień koherencji). Doprowadziło to do wprowadzenia pojęcia stanu koherentnego jako kwantowego opisu światła laserowego i udowodnienia, że niektóre stany światła nie mogą być wyjaśnione przy użyciu teorii falowej. W roku 1977 Kimble zaprezentował pierwsze źródło światła, którego zasady funkcjonowania wymagały opisu kwantowego: był to pojedynczy atom, który emitował pojedynczy foton w danym czasie. Dało to niezbity dowód tezy mówiącej, że światło składa się z fotonów. Wkrótce potem pojawiła się koncepcja kolejnego kwantowego stanu światła, posiadającego przewagę nad jakimkolwiek stanem klasycznym – stanu ściśniętego. W tym samym czasie uzyskanie krótkich oraz ultrakrótkich impulsów laserowych – wytworzonych dzięki technikom Q-switching oraz synchronizacji modów – otworzyło drogę do badań nad niewyobrażalnie szybkimi procesami fizycznymi.

    Materia – w potocznym znaczeniu: ogół obiektywnie istniejących przedmiotów fizycznych, poznawalnych zmysłami. W fizyce termin "materia" ma kilka znaczeń.Stan splątany – rodzaj skorelowanego stanu kwantowego dwóch lub więcej cząstek lub innych układów kwantowych. Ma on niemożliwą w fizyce klasycznej cechę polegającą na tym, że stan całego układu jest lepiej określony niż stan jego części.

    Opracowano ponadto metody zastosowania zjawisk kwantowych do analizy struktury ciał stałych (Spektroskopia Ramana), a poza tym przeanalizowano mechaniczny wpływ światła na obiekty materialne. Studia nad interakcjami między światłem a materią doprowadziły do eksperymentów, obejmujących pozycjonowanie i lewitowanie chmur atomowych, a nawet drobnych próbek biologicznych w pułapkach optycznych oraz szczypcach optycznych przy zastosowaniu wiązki światła laserowego. Razem z tzw. wychładzaniem dopplerowskim techniki te stanowiły niezbędny pomost do osiągnięcia słynnego kondensatu Bosego-Einsteina.

    Informatyka – dyscyplina nauki zaliczana do nauk ścisłych oraz techniki zajmująca się przetwarzaniem informacji, w tym również technologiami przetwarzania informacji oraz technologiami wytwarzania systemów przetwarzających informację. Początkowo stanowiła część matematyki, później rozwinęła się do odrębnej dyscypliny – pozostaje jednak nadal w ścisłej relacji z matematyką, która dostarcza informatyce podstaw teoretycznych.Stan ściśnięty - stan oscylatora harmonicznego powstały z intuicyjnie rozumianej deformacji stanu podstawowego lub stanu koherentnego polegającej na zwężeniu (lub rozszerzeniu) jego funkcji falowej.

    Do kolejnych znaczących osiągnięć można zaliczyć: prezentację stanu splątanego, kwantowej teleportacji i (ostatnio, w 1995 roku) kwantowych bramek logicznych. Te ostatnie stanowią przedmiot zainteresowania teorii kwantowej informacji – zagadnienia, które po części wywodzi się z optyki kwantowej, a po części – z informatyki teoretycznej.

    Stała Plancka (oznaczana przez h) jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Ma wymiar działania, pojawia się w większości równań mechaniki kwantowej.Kwant – najmniejsza porcja, jaką może mieć lub o jaką może zmienić się dana wielkość fizyczna w pojedynczym zdarzeniu; np. kwant energii, kwant momentu pędu, kwant strumienia magnetycznego, kwant czasu.

    Aktualne obszary zainteresowań w środowisku naukowców obejmują m.in.: parametryczny podział częstości światła, parametryczną oscylację, coraz krótsze (rzędu attosekund) impulsy światła, zastosowanie optyki kwantowej w dziedzinie informacji kwantowej, operacje na pojedynczych atomach, kondensaty Bosego-Einsteina, ich zastosowanie oraz możliwości ich obróbki, itd.

    Kondensacja Bosego-Einsteina – efekt kwantowy zachodzący w układach podległych rozkładowi Bosego-Einsteina. Piąty stan skupienia. W temperaturach niższych od temperatury krytycznej część cząstek (bozonów) przechodzi w zerowy stan pędowy – cząstki te mają identyczny pęd. Oznacza to, że w zerowej objętości przestrzeni pędów może znajdować się niezerowa liczba cząstek. Mówimy wtedy o makroskopowym obsadzeniu stanu podstawowego. Efektem kondensacji jest kolektywne zachowanie wszystkich cząstek biorących w niej udział (w przybliżeniu wszystkie zachowują się jak jedna cząstka). Należy podkreślić, że nie chodzi tu o kondensację w zwykłym sensie w przestrzeni położeniowej – cząstki nie znajdują się w jednym miejscu, lecz o "kondensację" cząstek w przestrzeni pędów – znaczna liczba cząstek ma taki sam pęd. Rozkład przestrzenny cząstek "skondensowanych" pozostaje równomierny (jeśli nie ma pól zewnętrznych). W kondensacie Bosego-Einsteina zachodzi zjawisko nadciekłości. Kondensat opisywany jest w przybliżeniu nieliniowym równaniem Grossa-Pitajewskiego. Równanie to posiada rozwiązania solitonowe, o wielkim znaczeniu eksperymentalnym. Występują zarówno "jasne" jak i "ciemne" rozwiązania solitonowe. Przybliżenie można polepszyć stosując rachunek zaburzeń – teorię Bogoliubowa.Roy Jay Glauber (ur. 1 września 1925 w Nowym Jorku) - amerykański fizyk, profesor fizyki na Uniwersytecie Harvarda w Cambridge. W 2005 został uhonorowany Nagrodą Nobla z fizyki za wkład w kwantową teorię koherencji optycznej. Nagrodzone badania opublikowane zostały w 1963 roku.

    Dział optyki kwantowej, którego celem jest opracowanie sposobu wykorzystania fotonów do przesyłania informacji i wykonywania obliczeń często nazywany jest fotoniką (aby podkreślić fakt, że fotony i fotonika w przyszłości przejmą rolę dzisiejszej elektroniki).

    Koncepcje optyki kwantowej[]

    Zgodnie z założeniami mechaniki kwantowej, światło możemy rozpatrywać nie tylko pod postacią fali elektromagnetycznej, ale także jako "strumień" cząstek zwanych fotonami, które poruszają się w próżni z prędkością c (zwaną prędkością światła).

    Spektroskopia Ramana (inaczej: spektroskopia ramanowska) - technika spektroskopowa polegająca na pomiarze promieniowania rozproszenia Ramana, tj. nieelastycznego rozpraszania fotonów.Laser – urządzenie emitujące promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni, wykorzystujące zjawisko emisji wymuszonej. Nazwa jest akronimem od (ang.) Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation: wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania. Promieniowanie lasera jest spójne, zazwyczaj spolaryzowane i ma postać wiązki o bardzo małej rozbieżności. W laserze łatwo jest otrzymać promieniowanie o bardzo małej szerokości linii emisyjnej, co jest równoważne bardzo dużej mocy w wybranym, wąskim obszarze widma. W laserach impulsowych można uzyskać bardzo dużą moc w impulsie i bardzo krótki czas trwania impulsu (zob. laser femtosekundowy).

    Cząstek tych nie powinno się traktować jak klasycznych "kul bilardowych", lecz jako cząsteczki wywodzące się z mechaniki kwantowej, opisywane przez funkcję falową rozciągniętą na skończony obszar. Każda z cząstek jest nośnikiem energii o wartości równej hf, gdzie h jest stałą Plancka, natomiast f oznacza częstotliwość światła. Postulat kwantyzacji światła, postawiony przez Plancka w roku 1899 oraz ogólne potwierdzenie jego poprawności przez Alberta Einsteina w pracy wyjaśniającej efekt fotoelektryczny (1905) wkrótce uświadomiły fizykom możliwość dokonania inwersji obsadzeń oraz możliwość zbudowania lasera.

    Paul Adrien Maurice Dirac (ur. 8 sierpnia 1902 w Bristolu, zm. 20 października 1984 w Tallahassee) – angielski fizyk teoretyk.Fizyka (z stgr. φύσις physis – "natura") – nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem właściwości i przemian materii i energii oraz oddziaływań między nimi. Do opisu zjawisk fizycznych używają wielkości fizycznych, wyrażonych za pomocą pojęć matematycznych, takich jak liczba, wektor, tensor. Tworząc hipotezy i teorie fizyki, budują relacje pomiędzy wielkościami fizycznymi.

    Pewien sposób zastosowania mechaniki statystycznej stał się podstawą większości koncepcji optyki kwantowej: światło jest przedstawiane w kategoriach operatorów polowych kreacji i anihilacji fotonów – np. w języku elektrodynamiki kwantowej.

    Jak stwierdził w roku 1963 Roy J. Glauber, często spotykanym stanem pola świetlnego jest stan koherentny. Stan ten, który można wykorzystać do przybliżonego opisu wyjścia lasera znacznie powyżej progu lasera, wykazuje rozkład Poissona odnośnie liczby fotonów. Poprzez pewną liczbę oddziaływań nieliniowych, stan koherentny może zostać przekształcony w ściśnięty stan koherentny, który może reprezentować statystykę większą lub mniejszą niż w rozkładzie Poissona. Światło takie nazywamy światłem ściśniętym. Inne istotne zjawiska kwantowe związane są z powiązaniami statystyk fotonów między różnymi wiązkami światła. Na przykład, parametryczne procesy nieliniowe mogą wygenerować tzw. bliźniacze wiązki, w których każdy foton z jednej wiązki jest skorelowany z fotonem z innej wiązki.

    Max Karl Ernst Ludwig Planck (ur. 23 kwietnia 1858 w Kilonii, zm. 4 października 1947 w Getyndze) – niemiecki fizyk, autor prac z zakresu termodynamiki, promieniowania termicznego, energii, dyspersji, optyki, teorii względności, a przede wszystkim teorii kwantów.Inwersja obsadzeń w mechanice statystycznej – stan układu, w którym liczba cząstek o energii większej jest większa niż cząsteczek o energii niższej. Inwersja obsadzeń jest wykorzystana w działaniu lasera.

    Atomy można uważać za kwantowe oscylatory o dyskretnym (nieciągłym) rozkładzie energii, przy czym przejścia między własnymi stanami energetycznymi są zależne od pochłaniania bądź emisji światła zgodnie z teorią Einsteina, gdzie moc oscylatora powiązana jest z liczbami kwantowymi stanów.

    Ciało doskonale czarne – pojęcie stosowane w fizyce dla określenia ciała pochłaniającego całkowicie padające na nie promieniowanie elektromagnetyczne, niezależnie od temperatury tego ciała, kąta padania i widma padającego promieniowania. Współczynnik pochłaniania dla takiego ciała jest równy jedności dla dowolnej długości fali.Efekt fotoelektryczny (zjawisko fotoelektryczne, fotoefekt) – zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu, zwane również precyzyjniej zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym – dla odróżnienia od wewnętrznego.

    Dla materii w stanie stałym wykorzystuje się modele pasm energii zaczerpnięte z fizyki ciała stałego. Jest to istotne, jako że zrozumienie technik wykrywania światła (zwyczajowo za pomocą pochłaniania go przez urządzenia zbudowane z materii w stanie stałym) jest niezbędne do zrozumienia przebiegu i wyników doświadczeń.




    w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)

    Reklama