Квантова оптика

КВА́НТОВА О́ПТИКА — роз­діл фізики, присвячений ви­вчен­ню властивостей світла та його взаємодії з матерією з позиції квантової механіки. Від­повід­но до квантової теорії світло проявляє корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто воно може роз­глядатися або як електромагнітна хвиля, або як потік частинок — фотонів, які роз­по­всюджуються у вакуумі зі швидкістю 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 класичній оптиці світло роз­глядають як суперпозицію збуджень мод, то в К. о. ці моди світла — це сукупність квантових гармонічних осциляторів, які описуються мовою операторів народже­н­ня та знище­н­ня. Цей операторний 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 описують кореляційні функції або польові корелятори. Їх ви­значають як квантово-механічні середні від операторів поля, виражені через оператори народже­н­ня та знище­н­ня. Одним із таких станів, який посідає центр. місце в К. о., є когерентний стан, уведений 1963 індійським і амер. фізиком Е.-Ч. Сударшаном. Він від­повід­ає когерентному ви­промінюван­ню одночастотного лазера. При фотодектуван­ні світла в цьому стані роз­поділ зареєстрованих фотонів пуасонівський. За допомогою взаємодії когерентного світла з нелінійним середовищем отримують стиснений когерентний стан світла, котрий проявляє суб- або суперпуасонівську статистику фотонів, вказує на наявність некласичних станів світла. Таке світло іноді називають стисненим світлом. Ідея квантува­н­ня світла, яку вперше постулював 1900 М. Планк, отримала сут­тєвий роз­виток у теор. дослідже­н­нях нім. і амер. фізика А. Айнштайна щодо поясне­н­ня явища фотоефекту 1905. Пізніше отриман­ню фундаментальних результатів К. о. сприяли роботи англ. фізика П.-А. Дірака з квантової теорії поля. 

У 1950–60-х рр. для того, щоб докладніше зро­зуміти процеси фотодектува­н­ня та статистичну природу світла, Е.-Ч. Сударшан, амер. фізики Р. Глаубер і Л. Мандел за­стосували квантову теорію до електромагнітного поля. Окрім появи поня­т­тя когерентного стану як квантового опису світла та встановле­н­ня того, що деякі стани світла не можуть бути роз­глянуті в рамках концепції класичних хвиль, водночас роз­виток квантової фізики призвів до усві­домле­н­ня можливості реалізації інверсної заселеності, а, отже, й до створе­н­ня лазера (1960). Після появи лазерної фізики інтерес до К. о. значно зріс. 1977 амер. фізик Г.-Дж. Кімбл уперше екс­периментально продемонстрував світло, яке потребувало квантового опису: одиничний атом, який емітував одиничний фотон. Згодом був за­пропонований інший квантовий стан, який має певні пере­ваги над класичним світлом, — стиснене світло. Тоді ж створе­н­ня ультракоротких лазерних імпульсів за допомогою таких методик, як модуляція добротності та синхронізація мод, сприяли ви­вчен­ню «ультрашвидких» процесів. 

У 1970-х рр. започатковані дослідже­н­ня дії механічної сили лазерного світла на матерію, які згодом дали можливість керувати ансамблями атомів, а також мікро­скопічними біо­логічними зразками в оптичних пастках лазерним 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 атомних систем до ультранизьких температур, яке отримало назву доп­плерівського 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 британським і швейцарським фізиком Дж.-С. Бел­лом; показує, що як і при наявності у квантово-механічній теорії прихованого параметра, який впливає на будь-яку фізичну характеристику квантової частинки, так і при його від­сутності, можна здійснити серійний екс­перимент, статистичні результати якого під­твердять або спростують наявність прихованих параметрів у квантово-механічній теорії), результатом екс­перименту стало під­твердже­н­ня існува­н­ня нелокальності в квантових системах. 

Значним результатом роз­витку К. о. є квантова телепортація, отрима­н­ня квантовопереплутаних станів і квантових логічних вентилів. Вони за­ймають центральне місце в квантовій інформатиці (див. Квантова теорія інформації) — новому роз­ділі науки, що був створений на основі К. о. та теорії інформатики. Нині серед най­пріоритетніших напрямів досліджень у К. о. — спонтан­не параметричне роз­сіюва­н­ня, квантова інформатика, квантові телекомунікації, квантова крипто­графія, квантова телепортація, отрима­н­ня атосекундних світлових імпульсів, лазерне охолодже­н­ня. Внаслідок спонтан­ного параметричного роз­сіюва­н­ня утворюються сплутані пари фотонів та одиничні фотони, які є ресурсом для виникне­н­ня та роз­витку нових напрямів К. о. 

В основі квантової інформатики — квантові біти та квантова пере­плутаність їхніх станів — головні елементи в побудові квантового компʼютера. Остан­ні принципово від­різняються від класичних компʼютерів, які працюють за законами класичної механіки. Повномас­штабний квантовий компʼютер — поки що гіпотетичний при­стрій, сама можливість побудови якого повʼязана з подальшим значним роз­витком квантової теорії в галузі квантової механіки багатьох частинок і проведе­н­ням складних екс­периментів. Гіпотетично вони будуть мати таку обчислювальну потужність, що до­зволить роз­вʼязувати задачі, з якими не можуть впоратися класичні компʼютери. На основі сплутаних фотонів теоретично базуються квантові по­вторювачі, на яких, у свою чергу, ґрунтується квантова телекомунікація. 

Квантова крипто­графія — метод захисту комунікацій, сформульований на засадах квантової фізики. В основі її технології — принцип неви­значеності поведінки квантової системи, яка полягає в неможливості одночасного отрима­н­ня координати та імпульсу частинки, тобто під час вимірюва­н­ня одного параметра фотона спотворюється інший. Квантова телепортація — пере­сила­н­ня квантового стану на від­стань роз­ʼ­єд­наними у просторі зчепленими парами та класичним ка­налом звʼязку. При квантовій телепортації вихідний квантовий 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 класичним ка­налом. Унаслідок отрима­н­ня атосекундних світлових імпульсів можна сканувати динамічні процеси фізичних і біо­логічних систем з дуже високою часовою роз­дільною здатністю. Методами лазерного охолодже­н­ня, зокрема доп­плерівським та сізіфовим, вчені отримують новий екзотичний стан матерії — конденсат Бозе–Айнштайна. 

Нині у галузі К. о. провадять дослідже­н­ня групи під керівництвом А. Цайлінґера (Ві­денський університет), Г. Лейкса (Університет Ерланґена-Нюрнберґа, Німеч­чина), М.-О. Скал­лі (Техаський університет сільського господарства та механіки), Дж.-Р. Клаудера (Університет Флориди; обидва — США). Подібні дослідницькі групи функціонують у Бон­нському університеті (Німеч­чина), Бристольському університеті (Велика Британія), Делфтському тех. університеті (Нідерланди), Університеті Мак­квайра (Австралія). Серед спеціалізованих зарубіжних наукових 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), Фізико-технічного ін­ституту низьких температур НАНУ (Харків), Національного технічного університету України «Київський політехнічний ін­ститут», Київського університету, Національного авіаційного університету (Київ). Значний внесок у роз­виток актуальних про­блем К. о. зробили українські 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.