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. компʼютера. Остан­ні принципово від­різняються від класич. компʼютерів, які працюють за законами класич. механіки. Повномас­штаб. квант. компʼютер — поки що гіпотетич. при­стрій, сама можливість побудови якого повʼязана 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 роз­вʼязувати задачі, з якими не можуть впоратися класичні компʼютери. 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 роз­ʼ­єд­наними у просторі зчепленими парами та класич. ка­налом звʼязку. 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 обовʼязковий 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 керівництвом А. Цайлінґера (Віден. університет), Г. Лейкса (Університет Ерланґена-Нюрнберґа, Німеч­чина), М.-О. Скал­лі (Техас. університет с. господарства та механіки), Дж.-Р. Клаудера (Університет Флориди; обидва — США). Подібні дослідниц. групи функціонують у Бонн. університеті (Німеч­чина), Бристол. університеті (Велика Британія), Делфт. тех. університеті (Нідерланди), Університеті 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 Ін­ституту фізики НАНУ, Ін­ституту теор. фізики НАНУ (обидва — Київ), Фіз.-тех. ін­ституту низьких т-р НАНУ (Харків), Нац. тех. університету України «Київ. політех. ін­ститут», Київ. університету, Нац. авіац. університету (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.

Завантажити статтю