Квантова оптика - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
Квантова оптика

КВА́НТОВА О́ПТИКА – розділ фізики, що вивчає властивості світла та його взаємодію з матерією з позиції квантової механіки. Відповідно до квант. теорії світло проявляє корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто воно може розглядатися або як електромагнітна хвиля, або як потік частинок – фотонів, які розповсюджуються у вакуумі зі швид. 299 792 458 м/сек. Кожний фотон несе квант енергії, який дорівнює hv, де h – квант дії, або стала Планка (названа на честь нім. фізика М. Планка, який її увів 1900), v – частота світла. Якщо в класич. оптиці світло розглядають як суперпозицію збуджень мод, то в К. о. ці моди світла – це сукупність квант. гармоніч. осциляторів, які описуються мовою операторів народження та знищення. Цей оператор. формалізм становить фундамент К. о. У квантовій фізиці кожній системі ставлять у відповідність деякий стан, що описується хвильовим рівнянням Шредінґера (названо на честь австр. фізика Е. Шредінґера, який його сформулював 1926). У К. о. стан світлового поля та його флуктуації описуються кореляц. функціями або польовими кореляторами. Їх визначають як квантово-мех. середні від операторів поля, виражені через оператори народження та знищення. Одним із таких станів, який посідає центр. місце в К. о., є когерент. стан, уведений 1963 індій. і амер. фізиком Е.-Ч. Сударшаном. Він відповідає когерент. випромінюванню одночастот. лазера. При фотодектуванні світла в цьому стані розподіл зареєстров. фотонів пуасонівський. За допомогою взаємодії когерент. світла з неліній. середовищем отримують стиснений когерент. стан світла, котрий проявляє суб- або суперпуасонів. статистику фотонів, вказує на наявність некласич. станів світла. Таке світло іноді називають стисненим світлом. Ідея квантування світла, яку вперше постулював 1900 М. Планк, отримала суттєвий розвиток у теор. дослідж. нім. і амер. фізика А. Айнштайна щодо пояснення явища фотоефекту 1905. Пізніше отриманню фундам. результатів К. о. сприяли роботи англ. фізика П.-А. Дірака з квантової теорії поля. У 1950–60-х рр. для того, щоб детальніше зрозуміти процеси фотодектування та статистичну природу світла, Е.-Ч. Сударшан, амер. фізики Р. Глаубер і Л. Мандел застосували квант. теорію до електромагніт. поля. Окрім появи поняття когерент. стану як квант. описання світла та встановлення того, що деякі стани світла не можуть бути розглянуті в рамках концепції класич. хвиль, водночас розвиток квант. фізики призвів до усвідомлення можливості реалізації інверс. заселеності, а, отже, й до створення лазера (1960). Після появи лазер. фізики інтерес до К. о. значно зріс. 1977 амер. фізик Г.-Дж. Кімбл уперше експериментально продемонстрував світло, яке потребувало квантового опису: одинич. атом, який емітував одинич. фотон. Згодом був запропонований ін. квант. стан, який має певні переваги над класич. світлом, – стиснене світло. Тоді ж створення ультракоротких лазер. імпульсів за допомогою таких методик, як модуляція добротності та синхронізація мод, сприяли вивченню «ультрашвидких» процесів. У 1970-х рр. започатковані дослідж. дії мех. сили лазер. світла на матерію, які згодом дали можливість керувати ансамблями атомів, а також мікроскоп. біол. зразками в оптич. пастках лазер. променем. Одним із піонерів у цій сфері був амер. фізик А. Ашкін. 1975 одночасно амер. дослідники Д. Вайнланд і Г.-Г. Демелт, з одного боку, та Т.-В. Генш і А.-Л. Шавлов, з іншого, запропонували схему охолодження атом. систем до ультранизьких т-р, яке отримало назву допплерів. охолодження. 1978 цю схему реалізовано експериментально. У 1980-х рр. франц. фізик А. Аспект провів експерименти з перевірки т. зв. нерівностей, або теореми Белла (сформульована 1964 британ. і швейцар. фізиком Дж.-С. Беллом; показує, що як і при наявності у квантово-мех. теорії прихованого параметра, який впливає на будь-яку фіз. характеристику квант. частинки, так і при його відсутності, можна здійснити серій. експеримент, статистичні результати якого підтвердять або спростують наявність прихов. параметрів у квантово-мех. теорії), результатом експеременту стало підтвердження існування нелокальності в квант. системах. Знач. результатом розвитку К. о. є квант. телепортація, отримання квантовопереплутаних станів і квант. логіч. вентилів. Вони займають центр. місце в квант. інформатиці (див. Квантова теорія інформації) – новому розділі науки, що був створений на основі К. о. та теор. інформатики. Нині серед найпріоритетніших напрямів дослідж. у К. о. – спонтанне параметричне розсіювання, квант. інформатика, квант. телекомунікації, квантова криптографія, квант. телепортація, отримання атосекунд. світл. імпульсів, лазерне охолодження. Унаслідок спонтан. параметрич. розсіювання утворюються сплутані пари фотонів та одиничні фотони, які є ресурсом для виникнення та розвитку нових напрямів К. о. В основі квант. інформатики – квант. біти та квант. переплутаність їхніх станів – гол. елементи в побудові квант. комп’ютера. Останні принципово відрізняються від класич. комп’ютерів, які працюють за законами класич. механіки. Повномасштаб. квант. комп’ютер – поки що гіпотетич. пристрій, сама можливість побудови якого пов’язана з подальшим знач. розвитком квант. теорії в галузі квант. механіки багатьох частинок і проведенням склад. експериментів. Гіпотетично вони будуть мати таку обчислюв. потужність, що дозволить розв’язувати задачі, з якими не можуть впоратися класичні комп’ютери. На основі сплутаних фотонів теоретично базуються квант. повторювачі, на яких, у свою чергу, ґрунтується квант. телекомунікація. Квант. криптографія – метод захисту комунікацій, сформов. на засадах квант. фізики. В основі її технології – принцип. невизначеність поведінки квант. системи, яка полягає в неможливості одночасного отримання координати та імпульсу частинки, тобто під час вимірювання одного параметра фотона спотворюється інший. Квант. телепортація – пересилання квант. стану на відстань роз’єднаними у просторі зчепленими парами та класич. каналом зв’язку. При квант. телепортації вихід. квант. стан руйнується у місці проведення вимірювання та відтворюється у місці прийому. Вона не передає енергію чи інформацію з надсвітловою швидкістю, оскільки її обов’язковий етап – пересилання інформації про вимірювання класич. каналом. Унаслідок отримання атосекунд. світл. імпульсів можна сканувати динамічні процеси фіз. і біол. систем з дуже високою часовою розділ. здатністю. Методами лазер. охолодження, зокрема допплерівським та сізіфова, вчені отримують новий екзот. стан матерії – конденсат Бозе–Айнштайна. Нині у галузі К. о. провадять дослідж. групи під кер-вом А. Цайлінґера (Віден. ун-т), Г. Лейкса (Ун-т Ерланґена-Нюрнберґа, Німеччина), М.-О. Скаллі (Техас. ун-т с. госп-ва та механіки), Дж.-Р. Клаудера (Ун-т Флориди; обидва – США). Подібні дослідниц. групи функціонують у Бонн. ун-ті (Німеччина), Бристол. ун-ті (Велика Британія), Делфт. тех. ун-ті (Нідерланди), Ун-ті Макквайра (Австралія). Серед спеціаліз. зарубіж. наук. журналів, які висвітлюють останні досягнення в галузі К. о., – «Nature Photonics», «Physical Review A», «Advances in Physics», «Optical and Quantum Electronics», «Journal of Modern Optics», «Optics Express», «Journal of Optics B: Quantum and Semiclassial Optics», «Physics Letters A», «Quantum and Atom Optics Newsletter». В Україні в галузі К. о. працюють науковці Ін-ту фізики НАНУ, Ін-ту теор. фізики НАНУ (обидва – Київ), Фіз.-тех. ін-ту низьких т-р НАНУ (Харків), Нац. тех. ун-ту України «Київ. політех. ін-т», Київ. ун-ту, Нац. авіац. ун-ту (Київ). Знач. внесок у розвиток актуал. проблем К. о. зробили укр. вчені – І. Блонський, М. Бродин, М. Васнецов, О. Гомонай, Б. Лев, А. Негрійко, С. Одулов, О. Омельянчук, Б. Павлик, В. Романенко, М. Соскін, П. Томчук, О. Чумак, Л. Яценко.

Літ.: Клышко Д. Н. Физические основы квантовой электроники. Москва, 1986; Килин С. Я. Квантовая оптика: Поля и их детектирование. Минск, 1990; 2003; D. F. Walls, G. J. Milburn. Quantum Optics. Springer, 1994; L. Mandel, E. Wolf. Optical Coherence and Quantum Optics. Cambridge, 1995; M. O. Scully, M. S. Zubairy. Quantum Optics. Cambridge, 1997; W. P. Schleich. Quantum Optics in Phase Space. Wiley, 2001; C. W. Gardiner, P. Zoller. Quantum Noise. Springer, 2004; Негрійко А. М., Романенко В. І., Яценко Л. П. Динаміка атомів і молекул в когерентних лазерних полях. К., 2008.

Є. І. Архипов, Л. П. Яценко

Стаття оновлена: 2012