Kvantoptika on valdkond kvantfüüsika mis tegeleb konkreetselt footonid mateeriaga. Üksikute footonite uurimine on ülitähtis elektromagnetiliste lainete käitumise mõistmiseks.
Täpsustamiseks, mida see tähendab, tähendab sõna "kvant" väikseimat füüsikalise olemi kogust, mis suudab suhelda teise olemiga. Kvantfüüsika tegeleb seetõttu väikseimate osakestega; need on uskumatult pisikesed aatomi osakesed, mis käituvad ainulaadsel viisil.
Sõna "optika" viitab füüsikas valguse uurimisele. Footonid on valguse väikseimad osakesed (kuigi on oluline teada, et footonid võivad käituda nii osakeste kui lainetena).
Kvantoptika ja valguse footoniteooria arendamine
Max Plancki 1900. aasta ultraviolettkatastroofi teoses tutvustati teooriat, et valgus liikus diskreetsetes kimpudes (s.o footonites). musta keha kiirgus. Aastal 1905 laiendas Einstein neid põhimõtteid oma selgituses fotoelektriline efekt valguse footoniteooria määratlemiseks.
Kvantfüüsika arenes välja kahekümnenda sajandi esimese poole jooksul suuresti tänu sellele, et mõistaksime, kuidas footonid ja mateeria omavahel suhestuvad. Seda käsitleti aga kui asja uurimist rohkem kui asjasse puutuvat.
1953. aastal töötati välja maser (mis eraldas koherentseid mikrolaineid) ja 1960. aastal laser (mis kiirgas koherentset valgust). Kuna neis seadmetes oleva valguse omadused muutusid olulisemaks, hakati selle spetsialiseeritud õppesuuna terminina kasutama kvantoptikat.
Leiud
Kvantoptikas (ja kvantfüüsikas tervikuna) käsitletakse elektromagnetilist kiirgust kui liikuvat üheaegselt nii laine kui ka osakese kujul. Seda nähtust nimetatakse laineosakeste duaalsus.
Kõige tavalisem seletus selle toimimise kohta on see, et footonid liiguvad osakeste voogudes, kuid nende osakeste üldise käitumise määrab kvantlaine funktsioon mis määrab osakeste tõenäosuse olla konkreetses kohas kindlal ajal.
Võttes arvesse kvant-elektrodünaamika (QED) järeldusi, on kvantoptikat võimalik tõlgendada ka footonite loomise ja hävitamise vormis, mida kirjeldavad väljakutsutajad. See lähenemisviis võimaldab kasutada teatavaid statistilisi lähenemisviise, mis on kasulikud valguse käitumise analüüsimisel, ehkki kas see ka pole esindab seda, mis füüsiliselt toimub, mõne arutelu küsimus (ehkki enamik inimesi peab seda lihtsalt kasulikuks matemaatikaks mudel).
Rakendused
Laserid (ja need) on kvantoptika kõige ilmsem rakendus. Nendest seadmetest kiirgav valgus on sidusas olekus, mis tähendab, et valgus sarnaneb lähedaselt klassikalisele siinuslainele. Selles koherentses olekus jaotub kvantmehaaniline lainefunktsioon (ja seega ka kvantmehaaniline määramatus) võrdselt. Laserist eralduv valgus on seetõttu hästi järjestatud ja üldiselt piiratud põhimõtteliselt sama energia olekuga (ja seega sama sageduse ja lainepikkusega).