Kvantu optika ir joma kvantu fizika kas īpaši nodarbojas ar fotoni ar matēriju. Atsevišķu fotonu izpēte ir būtiska, lai izprastu elektromagnētisko viļņu izturēšanos kopumā.
Lai precīzi noskaidrotu, ko tas nozīmē, vārds "kvants" attiecas uz mazāko fiziskās vienības daudzumu, kas var mijiedarboties ar citu entītiju. Tāpēc kvantu fizika nodarbojas ar vismazākajām daļiņām; tās ir neticami sīkas apakšatomu daļiņas, kuras uzvedas unikāli.
Vārds "optika" fizikā attiecas uz gaismas izpēti. Fotoni ir mazākās gaismas daļiņas (lai gan ir svarīgi zināt, ka fotoni var izturēties gan kā daļiņas, gan kā viļņi).
Kvantu optikas un gaismas fotonu teorijas attīstība
Teorija, ka gaisma pārvietojas diskrētos saišķos (t.i., fotonos), tika izklāstīta Maksa Planka 1900. gada rakstā par ultravioleto katastrofu melnā ķermeņa starojums. 1905. Gadā Einšteins izvērsa šos principus, skaidrojot fotoelektriskais efekts definēt gaismas fotonu teoriju.
Kvantu fizika attīstījās divdesmitā gadsimta pirmajā pusē, galvenokārt pateicoties mūsu izpratnei par fotonu un matērijas savstarpējo saistību. Tomēr tas tika uzskatīts par vairāk nekā iesaistīto jautājumu izpēti.
1953. gadā tika izstrādāta maser (kas izstaro koherentus mikroviļņus), bet 1960. gadā - lāzers (kas izstaroja sakarīgu gaismu). Tā kā šajās ierīcēs iesaistītās gaismas īpašība kļuva arvien nozīmīgāka, kvantu optiku sāka izmantot kā terminu šai specializētajai studiju jomai.
Konstatējumi
Kvantu optika (un kvantu fizika kopumā) elektromagnētisko starojumu uztver kā pārvietošanos gan viļņa, gan daļiņas formā vienlaikus. Šī parādība tiek saukta viļņu-daļiņu dualitāte.
Visbiežākais izskaidrojums, kā tas darbojas, ir tas, ka fotoni pārvietojas daļiņu straumē, bet kopējo daļiņu izturēšanos nosaka kvantu viļņu funkcija kas nosaka varbūtību, ka daļiņas atrodas noteiktā vietā noteiktā laikā.
Ņemot vērā kvantu elektrodinamikas (QED) secinājumus, ir arī iespējams interpretēt kvantu optiku fotonu radīšanas un iznīcināšanas veidā, ko aprakstījuši lauka operatori. Šī pieeja ļauj izmantot noteiktas statistiskās pieejas, kas ir noderīgas, analizējot gaismas izturēšanos, kaut arī tā ir atspoguļo to, kas fiziski notiek, ir dažu debašu jautājums (lai gan vairums cilvēku to uzskata tikai par noderīgu matemātiku modelis).
Lietojumprogrammas
Lāzeri (un maseri) ir acīmredzamākā kvantu optikas pielietošana. Gaisma, ko izstaro šīs ierīces, ir saskaņotā stāvoklī, kas nozīmē, ka gaisma ļoti līdzinās klasiskajam sinusoidālajam vilnim. Šajā koherentā stāvoklī kvantu mehāniskā viļņa funkcija (un tādējādi arī kvantu mehāniskā nenoteiktība) tiek sadalīta vienādi. Tāpēc lāzera izstarotā gaisma ir ļoti sakārtota, un parasti tā ir ierobežota līdz būtībā tādam pašam enerģijas stāvoklim (un tādējādi tādai pašai frekvencei un viļņa garumam).