Квантовая оптика: основные положения и принципы

Применения квантовой оптики

Квантовая оптика, основанная на принципах квантовой механики, имеет широкий спектр применений в различных областях науки и технологий. Вот некоторые из них:

• Квантовые компьютеры: Квантовая оптика играет ключевую роль в разработке квантовых компьютеров — вычислительных систем, основанных на использовании квантовых битов (кьюбитов). Эти компьютеры обещают быть гораздо более мощными и эффективными, чем традиционные компьютеры, и могут использоваться для решения сложных задач в области криптографии, оптимизации и моделирования.

• Квантовая криптография: Квантовая оптика также применяется в разработке квантовой криптографии, которая обеспечивает абсолютную безопасность передачи информации. Здесь используются свойства квантовых состояний для обнаружения любых попыток перехвата или изменения передаваемых данных.

• Нанофотоника: Квантовая оптика находит широкое применение в нанофотонике — изучении светового взаимодействия с наномасштабными структурами. Это позволяет создавать ультракомпактные оптические устройства, улучшить разрешение в оптической микроскопии и разработать новые принципы работы для лазеров и светоизлучающих диодов.

Что такое квантовая механика

Квантовой механикой называют раздел теоретической физики, который составляет часть корпускулярной теории и описывает все физические явления в окружающем мире на уровне мельчайших частиц (корпускулов или квантов).

История создания, область применимости

Первой теорией в области корпускулярной физики стала квантовая концепция Макса Планка. 14 декабря 1900 года немецкий физик-теоретик представил собственный исторический доклад под названием «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре», где выразил и ввел в физику постоянную планка h.

Помимо этого, он выдвинул гипотезу, что любая энергия способна поглощаться или испускаться лишь дискретными порциями (т.е квантами). Но данная гипотеза, по мнению Планка, действительна только для элементарных частиц. Вышеупомянутые порции состоят из некоторого целого числа квантов, обладающих энергией, эта энергия прямо пропорциональна частоте v и коэффициенту пропорциональности, который определен по формуле:

\(\epsilon=h\times\nu \)

где \(\epsilon\) — энергия излучения, \(h\) —  постоянная Планка, а \(\nu\) — частота.

Гипотеза Планка использовалась Альбертом Эйнштейном, когда тот объяснял явление фотоэффекта. Он предположил, что свет — это кванты. В наше время кванты называют фотонами. По-другому, свет — это фотоны. Корпускулярная теория развивалась усилиями таких ученых, как Нильс Бор, Луи де Бройль, Эрвин Шредингер и Вернер Гейзенберг.

Квантовая механика развивается и сегодня. Исследуется квантовый хаос, квантовая информатика, что служит постоянным дополнением к знаниям о корпускулярной механике. Тем не менее современная физика не может ответить на все, стоящие перед ней вопросы.

Эффект Комптона

Эффект Комптона характеризуется некогерентным рассеянием фотонов на свободных электронах. Само понятие некогерентность означает не интерферированность фотонов до рассеяния и после него. При эффекте изменяется частота фотонов, при этом после рассеяния электроны получают часть энергии.

Эффект Комптона представляет экспериментальное доказательство проявления корпускулярных свойств света в качестве потока частиц (фотонов). Явления эффекта Комптона и фотоэффекта выступают важным доказательством квантовых представлений о свете. В то же время, такие явления, как дифракция, интерференция, поляризация света служат подтверждением волновой природы света.

Эффект Комптона представляет одно из доказательств корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц. Закон сохранения энергии записывается следующим образом:

Обратный эффект Комптона представляет увеличение частоты света при рассеянии на релятивистских электронах с более высокой, чем фотонная, энергией. При таком взаимодействии энергия передается фотону от электрона. Энергию рассеянных фотонов определяет выражение: выражением:

Где $e_1$ и $e_0$ – энергия рассеянного фотона и падающего соответственно, а $k$ —кинетическая энергия электрона.

КВАНТОВАЯ ОПТИКА – раздел оптики, изучающий квантовые свойства света. Можно сказать, что квантовая оптика – это квантовая физика света. Интерес к квантовой оптике появился еще в первой половине 20 в., но особенно интенсивное развитие эта область науки получила в конце 20 в., когда физики научились готовить особые состояния света – так называемый неклассический свет. Сейчас неклассический свет успешно применяется в метрологии, спектроскопии, используется для точных измерений, а также для секретной передачи информации. Кроме того, подходы и методы квантовой оптики позволяют существенно дополнить ту информацию, которую дают различные измерения, связанные с излучением и поглощением света.

Слайд 38Опыт Франка и Герца (1914).Цель опыта: экспериментальное доказательство существования дискретных энергетических

состояний в атоме ( 1-ый постулат Бора ).

Схема опыта:

Результат эксперимента:

I

1.Пары Hg в откаченном объёме; 2.Катод-сетка: ускор. разность потенциалов 3.Сетка-анод: задерживающая разность потенциалов

Начало 2-х возможных неупругих …

…3-х…

Если при столкновении внутренняя энергия атома ртути не меняется (упругое столкновение), энергия электрона практически не меняется (из-за разницы масс).

Ускоряющее напряжение, В

Атом поглощает энергию (механическую) дискретно!

Доказательство 1-го постулата Бора.

Комптон 1925. При U>4.9 В атомами ртути излучается свет с λ=0.2537мкм (УФ)

Доказательство второго постулата Бора

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.

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.

Основные понятия и формализм квантовой механики

Корпускулярная механика на данный момент делится на два раздела:

• кинематика;
• динамика.

К основным понятиям корпускулярной кинематики относятся понятия:

1. Квантовой наблюдаемой.
2. Квантового состояния.

К корпускулярной динамике относятся следующие основные понятия:

• уравнение Шредингера;
• уравнение Гейзенберга;
• уравнение Паули;
• уравнение Линдблада;
• уравнение фон Неймана.

Одним из самых важных открытий в квантовой механике, по мнению многих физиков-теоретиков, является корпускулярно-волновой дуализм. После появлялись новые теории, совершались новые открытия, но основой все равно остается корпускулярно-волновой дуализм, о котором подробнее рассказано ниже.

Корпускулярно-волновой дуализм

По-другому явление называется квантово-волновым дуализмом. Такое название получило свойство материальных тел микроскопических размеров при разных условиях проявлять свойства как классических волн, так и классических частиц. Одним из примеров дуализма выступает свет, который одновременно несет в себе свойства волн и свойства частицы. Принцип дуализма справедлив и для объектов крупнее фотонов. Однако волновые свойства проявляются меньше при увеличении самого объекта исследования.

Теория квантово-волнового дуализма использовалась для интерпретации окружающих явлений, которые наблюдались в микромире. Дуализм не может быть объяснен в классической физике, поэтому изучается только в квантовой механике.

Слайд 48Биберман, Сушкин и Фабрикант (1949): Опыты по дифракции электронов с пучками

слабой интенсивности

Электрон регистрировался как одно целое

«КОРПУСКУЛЯРНОСТЬ»

Место прихода электрона на фотопластинку имело случайный характер. При достаточной экспозиции получалась дифракционная картина.

«ВОЛНОВЫЕ СВОСТВА»

Вывод. Единичная частица обладает волновыми свойствами. А именно, её положение в пространстве определяется вероятностным законом и этот вероятностный закон таков, что при усреднении (по времени или по большому числу частиц) реализуется волновая картина.

В то же время микрочастицы обладают свойствами корпускулярности: масса, размеры, заряд – неделимы.

Усреднение по времени (пускаем электроны по одному и ждём пока их не придёт достаточно много) или по большому числу частиц в потоке (много электронов одновременно, видим мгновенную картину) эквивалентно.

Принцип соответствия

В физике принципом соответствия называют утверждение, которое гласит, что та или иная новая теория в науке обязана включать в себя старую, а результаты последней воспринимать как частный случай.

В квантовой механике принцип соответствия — это принцип Нильса Бора, который он ввел в 1923 году. Согласно данному принципу, поведение системы корпускулярной механики стремится к физике Ньютона (то есть классической), но в пределах больших квантовых чисел.

Правила из раздела корпускулярной механики используются для описания атомов или элементарных частиц, однако некоторые системы в микронаблюдении возможно описать и с помощью классической физики, электродинамики или механики. Но есть макроскопические системы, которые демонстрируют конкретно квантовое поведение, к ним можно отнести сверхпроводники или сверхтекучий гелий в жидком агрегатном состоянии. Один из фрагментов принципа Бора заявляет, что классическая физика обязана постепенно приблизиться к квантовой, так как некоторые системы огромны.

Существует понятие классического предела в физике, которое означает условия, при которых классическая и квантовая механики совпадают. Нильс Бор выставил следующий критерий для данного предела: если квантовые числа, которые описывают систему, являются большими, переход осуществляется, означая либо возбуждение вышеупомянутой системы до больших квантовых чисел, либо тот факт, что система описана большим набором чисел кванта.

Возможен вариант осуществления обоих случаев. На сегодняшний день существует формулировка современнее, которая гласит, что при больших значениях чисел классическое приближение справедливо.

Принцип соответствия служит неким инструментом для физиков, помогающим выбрать корпускулярную теорию, которая будет соответствовать действительности. Таким образом, данный принцип ограничивает выбор теми пространствами, которые воспроизводят классическую механику в классическом пределе.

Формулировка Дирака

Английский физик-теоретик Поль Дирак внес свой вклад в развитие корпускулярной механики собственной формулировкой, которую также называют «Принцип соответствия Дирака». По формулировке Дирака: «Соответствие между классической и квантовой теориями состоит не столько в предельном согласии при h — 0, сколько в том, что математические операции двух теорий подчиняются во многих случаях тем же законам».

Что такое квантовая оптика?

В квантовой оптике используются основные принципы квантовой механики, такие как дискретность энергии и суперпозиция состояний. Они позволяют объяснить такие явления, как интерференция, дифракция, поляризация и фотоэффект. Квантовая оптика также занимается исследованием новых квантовых состояний света, таких как сжатое состояние, квантовые метаматериалы и квантовая связь.

Применения	Описание
Квантовая криптография	Использует принципы квантовой механики для создания систем, обеспечивающих высокую степень безопасности передачи ключей и защиту информации.
Квантовый компьютер	Использует квантовые состояния для выполнения параллельных вычислений и решения задач, которые неразрешимы или трудно решимы классическими компьютерами.
Квантовая метрология	Использует квантовые эффекты для создания более точных и чувствительных измерительных инструментов и стандартов.

Спин, тождественность частиц и обменное взаимодействие

Взаимодействие между магнитными моментами носит чисто квантовый характер и называется обменным взаимодействием. Для ансамбля одинаковых квантовых частиц выполняется принцип тождественности — они должны быть неразличимы в силу принципа неопределенности.

Если имеются всего две частицы, то состояния системы, получающиеся друг из друга просто перестановкой обеих частиц, должны быть физически полностью эквивалентны. Это значит, что в результате такой перестановки новая функция системы может измениться только на несущественный фазовый множитель. Поэтому есть всего две возможности:

1. Волновая функция или симметрична (статистика Бозе).
2. Или антисимметрична (статистика Ферми).

Слайд 14Законы фотоэффекта1) При фиксированной частоте падающего света (

) число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, прямо пропорционально интенсивности света (световому потоку) –
закон Столетова.2) Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов (их максимальная начальная скорость) не зависит от интенсивности падающего света (светового потока), а определяется только его частотой.3) Для каждого вещества существует характерная для него такая минимальная частота света – максимальная длина волны (красная граница фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не наступает.
Зависит от природы металла и состояния его поверхности.

Красная
граница
фотоэффекта

Фотоэффект и давление света в квантовой оптике

Готовые работы на аналогичную тему

Фотоэффект это такое явление взаимодействий фотонов света и вещества, при котором энергия излучения будет передана электронам вещества. Существуют такие разновидности фотоэффекта, как внутренний, внешний и вентильный.

Внешний фотоэффект характеризуется выходом электронов из металла в момент его облучения светом (при определенной частоте). Квантовая теория фотоэффекта утверждает, что каждый акт поглощения электроном фотона осуществляется независимо от других.

Повышение интенсивности излучения сопровождается увеличением количества падающих и поглощенных фотонов. Когда энергия поглощается веществом частоты $ν$, каждый из электронов оказывается способным к поглощению только одного фотона, забирая при этом у него энергию.

Эйнштейн, применив закон сохранения энергии, предложил свое уравнение для внешнего фотоэффекта (выражение закона сохранения энергии):

$A_$ – это работа выхода электрона из металла.

Кинетическая энергия вылетевшего электрона получается по формуле:

Из уравнения Эйнштейна получается, что если $Е_к=0$, то возможно получить ту самую минимальную частоту (красную границу фотоэффекта), при которой он будет возможен:

Давление света объясняется тем фактом, что, как частицы, фотоны обладают определенным импульсом, который передают телу в процессе поглощения и отражения:

Такое явление, как давление света, объясняет также и волновая теория, по которой (если ссылаться на гипотезу де Бройля), любой частице присущи еще и волновыми свойствами. Связь импульса $Р$ и длины волны $\lambda$ показывает уравнение:

История развития квантовой оптики

Одним из ключевых моментов в истории развития квантовой оптики было открытие Луи де Бройля в 1924 году, который предложил, что материя, такая как электроны или атомы, также обладает волновыми свойствами. Это открытие привело к появлению новой области науки — волновой механики. В дальнейшем, квантовая оптика стала активно развиваться, включая исследования в области квантовых вычислений и теории информации.

• 1905 год: Альберт Эйнштейн формулирует теорию фотоэлектрического эффекта, исходя из представления фотонов как квантов энергии света.
• 1924 год: Луи де Бройль предлагает идею дуальности частиц и волн и формулирует свою волновую теорию материи.
• 1926 год: Макс Борн формулирует вероятностную интерпретацию волновой функции в теории квантовых механических систем.
• 1957 год: Райнер Гершенфельдер и Иоганн Томисер разрабатывают теорию когерентных состояний света.
• 1994 год: Питер Шор и Лов Гровер предлагают алгоритмы квантовых вычислений, открывая новую эру в области информационных технологий.

Год	Событие
1905	Альберт Эйнштейн формулирует теорию фотоэлектрического эффекта
1924	Луи де Бройль предложил идею дуальности частиц и волн
1926	Макс Борн формулирует вероятностную интерпретацию волновой функции
1957	Райнер Гершенфельдер и Иоганн Томисер разрабатывают теорию когерентных состояний света
1994	Питер Шор и Лов Гровер предлагают алгоритмы квантовых вычислений

Квантовая оптика

Квантовая оптика и квантовая радиофизика, М, – Мир, 1966, стр.
 

Квантовая оптика, представляющая собой синтез квантовой теории поля и физической оптики, испытывает в настоящее время революционные изменения. От ранних исследований в области когерентных свойств излучения в 60 – х гг., таких как квантовая статистическая теория лазера, квантовая оптика эволюционировала к современным вопросам, связанным, например, с исследованием роли сжатых состояний поля излучения и атомной когерентности в подавлении квантового шума в интерферометрии и оптических усилителях. С другой стороны, стали реальностью такие, ранее казавшиеся немыслимыми, концепции, как лазер без инверсии насе-ленностей и одноатомные ( микро) мазер и лазер. Многие из этих идей являются перспективными для создания новых устройств, обладающих чувствительностью, существенно превышающей стандартные квантовые пределы. Кроме того, квантовая оптика предоставляет новые мощные способы исследования таких фундаментальных проблем квантовой механики, как дополнительность, скрытые параметры и другие, являющиеся основными для квантовой физики и философии.
 

Квантовая оптика является быстро развивающейся областью науки.
 

Квантовой оптикой называется раздел учения о свете, в котором изучается дискретный характер излучения, распространения и взаимодействия света с веществом.
 

Квантовой оптикой называется раздел учения о свете, в котором излучается дискретный характер излучения, распространения и взаимодействия света с веществом.
 

Для квантовой оптики модель гармонического осциллятора особенно важна по двум причинам: 1) недавно ионы в ловушке и атомы в поле стоячей волны были охлаждены до такой температуры, что стало необходимым квантово-механическое описание их движения; 2) при квантовании электромагнитного поля каждая мода является гармоническим осциллятором. Более того, недавно наблюдались эффекты, определяющиеся квантованными полями. Все эти причины побуждают кратко напомнить вывод распределения по координатам собственных энергетических состояний гармонического осциллятора.
 

Возникновение квантовой оптики, с одной стороны, и волновой механики, с другой, разрушило и старые представления об абсолютной противоположности частиц и поля.
 

В квантовой оптике свет рассматривается как поток особых частиц – фотонов, не обладающих массой покоя ( т Ю) ( V.
 

В квантовой оптике световое давление является следствием того, что у фотона имеется импульс р ( V. При столкновении фотона с поверхностью тела этот импульс передается атомам или молекулам вещества. Аналогично этому, давление газа есть результат передачи импульса молекулами газа частицам на поверхности стенки сосуда.
 

В квантовой оптике рассматриваются вопросы излучения, поглощения и взаимодействия света с веществами на основе представления о нем как потоке особых частиц – фотонов.
 

В квантовой оптике свет рассматривается как поток особых частиц – фотонов, не обладающих массой покоя ( WQ 0) (V.4.10.30) и движущихся со скоростью с, равной скорости света в вакууме.
 

В квантовой оптике различают полиую и частичную степени т, когерентность.
 

В главе Квантовая оптика рассматриваются основные положения квантовой теории, объясняющей особенности излучения и поглощения света.
 

Относящиеся к квантовой оптике вопросы ( фотонные представления; явления, в которых проявляются корпускулярные свойства излучения) освещаются е той или иной степенью полноты во всех современных учебных пособиях по физике. В вузовских курсах физики рассматриваются закономерности теплового излучения ( от закона Кирхгофа до формулы Планка), сообщаются сведения о фотоэффекте, эффекте Комптона, фотохимическом действии света, дается объяснение испускания и поглощения света атомами на основе теории Бора. При более глубоком изучении физики студентов знакомят также с люминесцентными явлениями, эффектом Мессбауэра, многофотонными процессами, дают им некоторые сведения о квазичастицах в твердых телах.
 

Имеется перевод: Квантовая оптика н квантовая радиофизика.