Глубины мира: квантовая оптика и ее исследования

Приложения

Лазеры (и мазеры) являются наиболее очевидным применением квантовой оптики. Свет, излучаемый этими устройствами, находится в когерентном состоянии, что означает, что свет очень похож на классическую синусоидальную волну. В этом когерентном состоянии квантово-механическая волновая функция (и, следовательно, квантово-механическая неопределенность) распределяется равномерно. Следовательно, свет, излучаемый лазером, высоко упорядочен и, как правило, ограничен, по существу, одним и тем же энергетическим состоянием (и, следовательно, одинаковой частотой и длиной волны).

Почему квантовая физика такая сложная

Все мы любим фокусы. Особенно те, во время которых фокусник может заставить шары “прыгать” между перевернутыми чашками. В квантовых системах, где свойства объекта, включая его местоположение, могут варьироваться в зависимости от того, как вы за ним наблюдаете, такие подвиги должны быть возможны без ловкости рук. Дело в том, что согласно квантовой теории, элементарная частица обретает определенное состояние лишь в момент наблюдения. В это сложно поверить, но в итоге ученым удалось экспериментально доказать, используя один-единственный фотон, что он существует в трех местах одновременно. Но как такое возможно?

Необходимо отметить, что успехами квантовой механики – с помощью которой можно точно описать поведение атомов и элементарных частиц – интересовался Альберт Эйнштейн. Однако гениальный ученый выступал против этой теории и высмеивал понятие, которое лежит в ее основе – запутанность. В квантовой механике запутанность означает, что свойства одной частицы могут немедленно влиять на свойства другой, независимо от расстояния между ними.

Квантовая запутанность – это явление, при котором квантовые состояния двух или больше объектов оказываются взаимозависимыми

Впоследствии, серия тщательно разработанных экспериментов показала, что Эйнштейн ошибался: запутанность реальна и никакие другие теории не могут объяснить ее странные эффекты. И все же, несмотря на способность квантовой теории объяснять результаты экспериментальным путем, многие ученые признают, что квантовая физика настолько сложная, что познать ее едва ли удастся.

Однако запутанность – не единственное явление, которое отделяет квантовую теорию от классической. По мнению некоторых физиков, есть еще один шокирующий факт о квантовой реальности, который часто упускают из виду и который добавляет “волшебства” этой области теоретической физики. Как пишет издание The New Scientist, В 1967 году Саймон Кочен и Эрнст Спекер математически доказали, что даже для одного квантового объекта, где запутанность невозможна, значения, которые вы получаете при измерении его свойств, зависят от ситуации, в которой этот объект находится. Таким образом, ценность свойства А зависит от того, решили ли вы измерить его с помощью свойства В или с помощью свойства С. Говоря простыми словами, не существует реальности, независимой от выбора измерения.

Квантовые свойства света

Одной из основных квантовых свойств света является дискретность энергии. Согласно фотонной теории света, энергия света переносится частицами — фотонами, каждый из которых несет определенную энергию. Энергия фотона связана с его частотой через формулу Планка: E = hf, где E — энергия фотона, h — постоянная Планка и f — частота света. Из этой формулы следует, что энергия света может принимать только дискретные значения, что подтверждается результатами экспериментов.

Другим важным квантовым свойством света является его волновая-частицевая двойственность. Это означает, что свет может обладать как частичными, так и волновыми свойствами одновременно. Например, в эксперименте с двумикронными щелями, световые фотоны ведут себя как частицы и образуют интерференционную картину на экране в виде светлых и темных полос. Однако, в другом эксперименте, называемым двойное преломление, свет ведет себя как волна, преломляясь при переходе из одной среды в другую.

Таким образом, квантовые свойства света абсолютно необычны и отличаются от свойств классической оптики. Изучение этих свойств является ключевым в современной физике и имеет многочисленные приложения в технологии, включая квантовые вычисления и криптографию.

Кванты.

Именно для света, а, точнее, для электромагнитного поля, была впервые предложена идея квантового описания. Эту идею в 1900. выдвинул Макс Планк , предположив, что излучение света происходит порциями – квантами. Это предположение многим казалось парадоксальным, но оно стало спасительным для целого раздела оптики. Оно позволило объяснить форму спектра излучения нагретых тел, которую ранее объяснить не удавалось. Предыдущие попытки рассчитать спектр излучения приводили к тому, что в области малых длин волн, т.е. в ультрафиолетовой части спектра, возникали неограниченно большие значения – расходимости. Разумеется, в эксперименте никаких расходимостей не наблюдалось, и это несоответствие между теорией и экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Предположение о том, что излучение света происходит порциями, позволило убрать расходимости в теоретически рассчитанных спектрах и, тем самым, избавить физику от «ультрафиолетовой катастрофы».

Кроме спектров излучения, в физике оставалось еще одно неясное место, а именно, явление фотоэффекта (см
. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ). Было неясно, почему кинетическая энергия электронов, выбиваемых светом из металла, зависит от частоты света. Более того, свет с достаточно малой частотой вообще не способен вызвать фотоэффект. Поскольку малая частота света соответствует красной части спектра, то это явление называют красной границей фотоэффекта. В 1905 Альберт Эйнштейн использовал для объяснения фотоэффекта гипотезу квантов. Идея Эйнштейна заключалась в том, что каждому электрону достается одна-единственная порция энергии – один квант. И если энергия этого кванта мала, ее просто нехватает для выхода электрона из металла. На основе этой идеи Эйнштейн развил теорию фотоэффекта, которая прекрасно подтвердилась экспериментальными данными.

Теперь оказалось, что свет и излучается, и поглощается порциями. Это побудило Эйнштейна предположить, что свет всегда имеет дискретную структуру. Эта замечательная идея была лишь гипотезой: ведь из того, что поглощение и излучение света происходит порциями, еще не следует, что свет и существует только в виде порций. Но именно эта идея оправдывает название «квантовая оптика», и именно с развитием квантовой оптики появились более веские аргументы в пользу квантовой природы света.

дальнейшее чтение

• Л. Мандель, Э. Вольф Оптическая когерентность и квантовая оптика (Кембридж, 1995).
• Д. Ф. Уоллс и Г. Дж. Милберн Квантовая оптика (Спрингер, 1994).
• Криспин Гардинер и Питер Золлер, Квантовый шум (Springer 2004).
• H.M. Моя-Сесса и Ф. Сото-Эгибар, Введение в квантовую оптику (Ринтон Пресс 2011).
• М. О. Скалли и Зубайри М.С. Квантовая оптика (Кембридж, 1997).
• В. П. Шлейх Квантовая оптика в фазовом пространстве (Wiley 2001).
• Кира, М .; Кох, С. В. (2011). Полупроводниковая квантовая оптика. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0521875097.
• Ф. Ж. Дуарте (2014). Квантовая оптика для инженеров. Нью-Йорк: CRC. ISBN  978-1439888537.

Основные законы квантовой механики

Принцип неопределённости Гейзенберга — где и с какой скоростью?

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости: невозможно одновременно точно измерить пространственную координату и скорость частицы. Формула:

Принцип неопределённости также связывает иные пары характеристик, например, энергию квантовой системы и момент времени, когда квантовая система обладает ей.

Подходящей аналогией является фотографирование движущегося объекта. Объект, сфотографированный с длительной экспозицией, размывается. Это демонстрирует, как движется объект, но не где он находится. Наоборот: можно определить местоположение объекта, сфотографированного с короткой экспозицией, но не то, как он движется. Однако следует понимать, что принцип неопределённости не ориентирован на наблюдателя, а показывает природу частиц.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Шрёдингер, желая показать неполноту квантовой механики при переходе от микромира к макромиру, провёл мысленный эксперимент.

Кот Шрёдингера — и жив и мёртв одновременно

Есть закрытый ящик, в котором находится живой кот и механизм: счётчик Гейгера с радиоактивным веществом, молоток и колба смертельного яда. Колба может быть разбита механизмом, приводимым в действие радиоактивным распадом. Однако распад носит вероятностный характер — 50/50. Если распад произойдёт, то молоток разобьёт колбу и смертельный яд убьёт кота. Если распада не произойдёт, то механизм не сработает и кот будет жив. Шрёдингер заключил, что пока мы не откроем ящик и не узнаем состояние кота, то он жив и мёртв одновременно.

Волновая оптика. Интерференция- перераспред. Света в пространстве.

Наложение
световых волн, в результате которого в
одних местах пространства происходит
усиление интенсивности света, а в других
– ослабление. То есть происходит
перераспределение интенсивности света
в пространстве.

Условием
наблюдения интерференции является
когерентность световых волн (волны,
которые удовлетворяют условию:
-монохроматические
волны;

– фаза волны постоянна в данной точке
пространства с течением времени).

РАСЧЕТ
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ КАРТИН.

Источники-
когерентные волны.
;
* – точ.
источник.

Темная
и светлая полоса.

1.
Если l~d,
то

картина неразличима, поэтому, чтобы
что-то увидеть, надо 2.
l.

В
точке М происходит наложение двух
когерентных волн.

,
d1,d2 -метры,
пройденные волнами;
-разность
фаз.

Темнее/светлее-
интенсивность.
(пропорциональна).

Если
волны не когерентные:
(среднее
значение за период).

(суперпозиция,
наложение).

Если
– когерентные:
;;-имеет
место интерференция света (перераспределение
света).

;
если
(оптическая
разность хода волн);n-показатель
преломления; (d2-d1)-геометрическая
разность хода волн;
-длина
волны (путь, который волна проходит за
период).

-основная
формула интерференции.

В
зависимости от пути
,
они приходят с различным.
От последнего зависитIрез.

1.
I
рез.
max
.

Это
условие максимума

интерференции света, потому как при
этом волны приходят в одинаковой фазе
и поэтому усиливают друг друга.

n-коэффициент
кратности;
-означает,
что интерференционная картина симметрична
относительно центра экрана.

Если
фазы совпадают, то амплитуды не зависят
от фаз.

–
Так же
условие максимума
.

2
.
I
рез.
min
.

;
k=0,1,2…;
.

–
Это условие
минимума
,
т.к. при этом волны приходят в противофазе
и гасят друг друга.

Основы квантовой оптики

В отличие от классической оптики, квантовая оптика представляет более общую теорию. Главная проблема, которую она затрагивает, – описать взаимодействие света с веществом, учитывая при этом квантовую природу объектов. Также квантовая оптика занимается описанием процесса распространения света в особых (специфических условиях).

Более точное решение таких задач требует описания как вещества (включая и среду распространения), так и света исключительно с позиции существования квантов. В то же время, зачастую ученые при описании упрощают задачу, когда один из компонентов системы (например, вещество) описывают в формате классического объекта.

Часто при расчетах, например, квантуется только состояние активной среды, а резонатор при этом считается классическим. Однако, в случае, если его длина окажется на порядок выше длины волны, считаться классическим он уже не может. Поведение возбужденного атома, который поместили в такой резонатор, будет более сложным.

Задачи квантовой оптики направлены на исследование корпускулярных свойств света (то есть его фотонов и частиц-корпускул). Согласно предложенной в 1901 г. гипотезе М. Планка о свойствах света, поглощается и излучается он только отдельными порциями (фотонами, квантами). Квант представляет материальную частицу с некоторой массой $m_ф$, энергией $E$ и импульсом $p_ф$. Тогда записывается формула:

Где $h$ представляет постоянную Планка.

$v=\frac{c}{\lambda}$

Где $\lambda$- это частота света

$с$ будет скоростью света в вакууме.

К главным оптическим явлениям, объясняемым за счет квантовой теории, относятся давление света и фотоэффект.

Концепции

Согласно с квантовая теория свет можно рассматривать не только как электромагнитная волна но также как «поток» частиц, называемый фотоны которые путешествуют с c, вакуум скорость света. Эти частицы не следует рассматривать как классические бильярдные шары, но как квантово-механические частицы, описываемые волновая функция распространяться по конечной области.

Каждая частица несет один квант энергии, равный hf, где час является Постоянная Планка и ж это частота света. Эта энергия, которой обладает одиночный фотон, точно соответствует переходу между дискретными уровнями энергии в атоме (или другой системе), который испустил фотон; Материальное поглощение фотона – обратный процесс. Объяснение Эйнштейном спонтанное излучение также предсказал существование стимулированное излучение, принцип, на котором лазер отдыхает. Однако настоящее изобретение мазер (и лазер) много лет спустя зависел от метода производства инверсия населения.

Использование статистическая механика лежит в основе концепций квантовой оптики: свет описывается в терминах операторов поля для создания и уничтожения фотонов, т. е. на языке квантовая электродинамика.

Часто встречающееся состояние светового поля – это когерентное состояние, как введено E.C. Джордж Сударшан в 1960 году. Это состояние, которое может быть использовано для приближенного описания выхода одночастотного лазер значительно выше лазерного порога, показывает Пуассоновский статистика числа фотонов. Через определенные нелинейный взаимодействия, когерентное состояние может быть преобразовано в сжатое когерентное состояние, применяя оператор сжатия, который может показать супер – или субпуассоновский статистика фотонов. Такой свет называется сжатый свет. Другие важные квантовые аспекты связаны с корреляциями статистики фотонов между различными пучками. Например, спонтанное параметрическое преобразование с понижением частоты может генерировать так называемые «двойные лучи», где (в идеале) каждый фотон одного луча связан с фотоном другого луча.

Атомы считаются квантово-механическими. генераторы с дискретный энергетический спектр, с переходами между энергиями собственные состояния управляются поглощением или излучением света согласно теории Эйнштейна.

Для твердого тела используется диапазон энергии модели физика твердого тела

Это важно для понимания того, как свет обнаруживается твердотельными устройствами, обычно используемыми в экспериментах

Квантовая электроника

Квантовая электроника это термин, который использовался в основном между 1950-ми и 1970-ми годами для обозначения области физика имея дело с последствиями квантовая механика о поведении электроны в материи, вместе с их взаимодействием с фотоны. Сегодня это редко рассматривается как отдельная область, и она была поглощена другими областями

Физика твердого тела регулярно принимает во внимание квантовую механику и обычно занимается электронами. Конкретные приложения квантовой механики в электроника исследуется в физика полупроводников

Термин также охватывал основные процессы лазер операция, которая сегодня изучается как тема квантовой оптики. Использование этого термина совпало с ранней работой над квантовый эффект холла и квантовые клеточные автоматы.

Способы получения когерентных волн.

Принцип
получения.

Для
получения когерентных волн необходимо
взять один источник и идущую от него
световую волну разделить на две части,
которые затем заставить встретиться.
Эти волны будут когерентны, т.к. будут
принадлежать к одному и тому же моменту
излучения, поэтому.
.

Явления,
используемые для разделения световой
волны надвое.

1.

Явление отражения
света

(бизеркала Френеля).
Рис.4.

2
.
Явление преломления
света
(бипризма
Френеля).
Рис.5.

3
.
Явление дифракции
света
.

Это
есть отклонение света от прямолинейного
распространения при прохождении света
через малые отверстия или вблизи
непрозрачных препятствий, если их
размеры (обоих)
d соизмеримы
с длиной волны
(d~).
То: Рис.6.
– установка
Юнга.

Во
всех перечисленных случаях реальный
источник света был точечным. В реальной
жизни свет может быть протяженным –
участок неба.

4.

,
n-показатель
преломления пленки.

Возможны
два случая:

H=const,
тогда
.
В этом случае интерференционная картина
называется полоса равного наклона.

Hconst.
Падает параллельный пучок лучей.
.
-полосы
равной толщины.

Установка
«кольца Ньютона».

Надо
рассматривать интерференционную картину
в отраженном и преломленном свете.

Определение 1

Квантовая оптика представляет собой раздел оптики, главной задачей которого является изучение явлений, в которых могут проявляться квантовые свойства света.

Такими явлениями могут быть:

• фотоэффект;
• тепловое излучение;
• эффект Рамана;
• эффект Комптона;
• вынужденное излучение и др.