Óptica quântica - Quantum optics

A óptica quântica é um ramo da física atômica, molecular e óptica que trata de como os quanta individuais de luz, conhecidos como fótons , interagem com átomos e moléculas. Inclui o estudo das propriedades parecidas com partículas dos fótons. Os fótons têm sido usados ​​para testar muitas das previsões contra-intuitivas da mecânica quântica , como emaranhamento e teletransporte , e são um recurso útil para o processamento de informações quânticas .

História

A luz que se propaga em um volume restrito de espaço tem sua energia e momento quantizados de acordo com um número inteiro de partículas conhecidas como fótons . A óptica quântica estuda a natureza e os efeitos da luz como fótons quantizados. O primeiro grande desenvolvimento que levou a esse entendimento foi a modelagem correta do espectro de radiação do corpo negro por Max Planck em 1899 sob a hipótese de luz sendo emitida em unidades discretas de energia. O efeito fotoelétrico foi mais uma evidência dessa quantização, conforme explicado por Albert Einstein em um artigo de 1905, uma descoberta pela qual ele receberia o Prêmio Nobel em 1921. Niels Bohr mostrou que a hipótese de radiação óptica sendo quantizada correspondia à sua teoria de os níveis de energia quantizados dos átomos , e o espectro de emissão de descarga do hidrogênio em particular. A compreensão da interação entre luz e matéria após esses desenvolvimentos foi crucial para o desenvolvimento da mecânica quântica como um todo. No entanto, os subcampos da mecânica quântica que lidam com a interação matéria-luz foram considerados principalmente como pesquisa na matéria, e não na luz; portanto, falou-se um pouco de física atômica e eletrônica quântica em 1960. A ciência do laser - isto é, pesquisa em princípios, design e aplicação desses dispositivos - tornou-se um campo importante, e a mecânica quântica subjacente aos princípios do laser foi estudada agora com mais ênfase no propriedades da luz, e o nome de óptica quântica tornou-se comum.

Como a ciência do laser precisava de bons fundamentos teóricos, e também porque a pesquisa sobre eles logo se mostrou muito frutífera, o interesse pela óptica quântica aumentou. Seguindo o trabalho de Dirac na teoria quântica de campos , John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber e Leonard Mandel aplicaram a teoria quântica ao campo eletromagnético nas décadas de 1950 e 1960 para obter uma compreensão mais detalhada da fotodetecção e das estatísticas de luz (ver grau de coerência ). Isso levou à introdução do estado coerente como um conceito que abordava as variações entre luz laser, luz térmica, estados exóticos comprimidos , etc., uma vez que se percebeu que a luz não pode ser totalmente descrita apenas referindo-se aos campos eletromagnéticos que descrevem as ondas no clássico foto. Em 1977, Kimble et al. demonstraram um único átomo emitindo um fóton por vez, outra evidência convincente de que a luz consiste em fótons. Posteriormente, foram descobertos estados quânticos de luz previamente desconhecidos com características diferentes dos estados clássicos, como luz comprimida .

O desenvolvimento de pulsos de laser curtos e ultracurtos - criados por técnicas de comutação Q e modelocking - abriu o caminho para o estudo do que ficou conhecido como processos ultrarrápidos. Aplicações para pesquisa de estado sólido (por exemplo, espectroscopia Raman ) foram encontradas, e as forças mecânicas da luz na matéria foram estudadas. Este último levou a levitar e posicionar nuvens de átomos ou mesmo pequenas amostras biológicas em uma armadilha ótica ou pinças óticas por feixe de laser. Isso, junto com o resfriamento Doppler e o resfriamento de Sísifo , era a tecnologia crucial necessária para atingir a célebre condensação de Bose-Einstein .

Outros resultados notáveis são a demonstração de entrelaçamento quântico , teletransporte quântico , e portas lógicas quânticas . Os últimos são de muito interesse na teoria da informação quântica , um assunto que em parte emergiu da óptica quântica, em parte da ciência da computação teórica .

Os campos de interesse atuais entre os pesquisadores de óptica quântica incluem conversão paramétrica descendente , oscilação paramétrica , pulsos de luz ainda mais curtos (attossegundos), uso de óptica quântica para informações quânticas , manipulação de átomos individuais, condensados ​​de Bose-Einstein , sua aplicação e como manipular eles (um subcampo frequentemente chamado de óptica atômica ), absorvedores perfeitos coerentes e muito mais. Os tópicos classificados sob o termo de óptica quântica, especialmente quando aplicados à engenharia e à inovação tecnológica, geralmente são designados pelo termo moderno fotônica .

Vários prêmios Nobel foram concedidos por trabalhos em óptica quântica. Estes foram premiados:

Conceitos

De acordo com a teoria quântica , a luz pode ser considerada não apenas como uma onda eletromagnética, mas também como um "fluxo" de partículas chamadas fótons que viajam com c , a velocidade da luz no vácuo . Essas partículas não devem ser consideradas bolas de bilhar clássicas , mas como partículas da mecânica quântica descritas por uma função de onda espalhada por uma região finita.

Cada partícula carrega um quantum de energia, igual a hf , onde h é constante de Planck e f é a frequência da luz. Essa energia possuída por um único fóton corresponde exatamente à transição entre níveis discretos de energia em um átomo (ou outro sistema) que emitiu o fóton; a absorção material de um fóton é o processo reverso. A explicação de Einstein sobre a emissão espontânea também previu a existência de emissão estimulada , o princípio sobre o qual o laser se baseia. No entanto, a invenção real do maser (e do laser) muitos anos depois dependia de um método para produzir uma inversão populacional .

O uso da mecânica estatística é fundamental para os conceitos de óptica quântica: a luz é descrita em termos de operadores de campo para criação e aniquilação de fótons - ou seja, na linguagem da eletrodinâmica quântica .

Um estado frequentemente encontrado do campo de luz é o estado coerente , introduzido por EC George Sudarshan em 1960. Este estado, que pode ser usado para descrever aproximadamente a saída de um laser de frequência única bem acima do limiar do laser, exibe o número de fótons Poissoniano Estatisticas. Por meio de certas interações não lineares , um estado coerente pode ser transformado em um estado coerente comprimido , aplicando um operador de compressão que pode exibir estatísticas de fótons super ou sub-Poissonianas . Essa luz é chamada de luz comprimida . Outros aspectos quânticos importantes estão relacionados às correlações das estatísticas de fótons entre diferentes feixes. Por exemplo, a conversão paramétrica espontânea pode gerar os chamados 'feixes gêmeos', onde (idealmente) cada fóton de um feixe está associado a um fóton do outro feixe.

Os átomos são considerados osciladores da mecânica quântica com um espectro de energia discreto , com as transições entre os estados próprios de energia sendo impulsionadas pela absorção ou emissão de luz de acordo com a teoria de Einstein.

Para matéria de estado sólido, usa-se os modelos de banda de energia da física de estado sólido . Isso é importante para entender como a luz é detectada por dispositivos de estado sólido, comumente usados ​​em experimentos.

Eletrônica quântica

Eletrônica quântica é um termo que foi usado principalmente entre os anos 1950 e 1970 para denotar a área da física que lida com os efeitos da mecânica quântica no comportamento dos elétrons na matéria, juntamente com suas interações com os fótons . Hoje, raramente é considerado um subcampo por si só e foi absorvido por outros campos. A física do estado sólido regularmente leva a mecânica quântica em consideração e geralmente se preocupa com os elétrons. Aplicações específicas da mecânica quântica em eletrônica são pesquisadas dentro da física de semicondutores . O termo também abrange os processos básicos de operação do laser , que hoje é estudado como um tópico em óptica quântica. O uso do termo coincidiu com os primeiros trabalhos sobre o efeito Hall quântico e autômatos celulares quânticos .

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

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