اپتیک کوانتومی چیست؟

نورشناخت کوانتومی (نورشناسی کوانتومی) (Quantum Optics)

شاخه از فیزیک است که رفتار نور را به عنوان یک موجود کوانتومی با رفتاری کاملاً کوانتومی بررسی می‌کند. نورشناخت کوانتومی در واقع به مطالعه جنبه‌هایی از نور در حوزهٔ مکانیک کوانتوم می‌پردازد.

ماهیت نور قرن هاست که برای بشر سوالی اساسی است. نیوتون در این زمینه نظریات قابل تاملی دارد. او نور را به صورت ذراتی در نظر گرفت که در یک مسیر خاص در حرکتند. پس از او دیدگاه موجی نور غلبه یافت و با ظهور مکانیک کوانتومی و توصیف پدیده فوتوالکتریک توسط انشتین بر اساس نظریه ذره ای نور، این نظریه دوباره زنده شد. نورشناخت کوانتومی در واقع ادامه راه این شناخت است.

این شاخه از علم فیزیک امروزه به جاهای زیبایی رسیده‌است به گونه‌ای که دورنمای آتی آن بسیار روشن و هیجان بر انگیز است.

توسعه اپتیک کوانتومی و نظریه فوتون نور

نظریه ای که نور در بسته های گسسته (یعنی فوتون ها) حرکت کرد، در مقاله 1900 Max Planck در مورد فاجعه فرابنفش در تابش بدن سیاه ارائه شد. در سال 1905، اینشتین در توضیح اثر فتوالکتریک برای تعریف نظریه فوتون از نور در این اصول گسترش یافت.

فیزیک کوانتوم از نیمه اول قرن بیستم به طور عمده از طریق درک ما از این که چگونه فوتون‌ها و مواد ارتباط برقرار می‌کنند و بین آنها ارتباط دارد، پیشرفت کرد.

در سال 1953، مازر توسعه یافت (که میکرو ویوهای منسجم را منتشر می‌کرد) و در سال 1960 لیزر (که نور منسجم را منتشر می‌کرد.) به عنوان ویژگی نور درگیر در این دستگاه مهم تر شد، اپتیک کوانتومی به عنوان اصطلاح برای این زمینه تخصصی مورد استفاده قرار گرفت.

یافته‌های اپتیک کوانتومی

اپتیک کوانتومی (و فیزیک کوانتومی به عنوان یک کل)، تابش الکترومغناطیسی را به صورت همزمان در یک موج و یک ذره حرکت می‌دهد.

این پدیده دوگانگی موج و ذره است.

شایع‌ترین توضیح این که چگونه این کار می‌کند این است که فوتون‌ها در یک جریان ذرات حرکت می‌کنند، اما رفتار کلی این ذرات توسط یک تابع موج کوانتومی تعیین می‌شود که احتمالا ذرات در یک مکان خاص در یک زمان معین تعیین می‌شود.

با توجه به یافته‌های الکترودینامیک کوانتومی (QED)، همچنین می‌توان اپتیک‌های کوانتومی را به شکل ایجاد و نابودی فوتون‌ها، که توسط اپراتورهای زمینه توصیف شده است، تفسیر کرد. این روش اجازه می‌دهد تا از رویکردهای آماری خاصی که در تجزیه و تحلیل رفتار نور استفاده می‌کنند، مورد استفاده قرار گیرد، هرچند که آیا نمایانگر آنچه که از لحاظ جسمی رخ می‌دهد، موضوع بحث است (اگر چه اکثر مردم آن را فقط یک مدل ریاضی مفید می‌دانند).

کاربرد اپتیک کوانتومی

لیزر (و مازر) واضح ترین کاربرد اپتیک کوانتومی است. نور منتشر شده از این دستگاه‌ها در یک حالت منسجم قرار دارد که به این معنی است که نور بسیار شبیه یک موج سینوسی کلاسیک است. در این حالت منسجم، عملکرد موج مکانیکی کوانتومی (و بنابراین عدم قطعیت مکانیکی کوانتومی) به طور مساوی توزیع می‌شود. بنابراین نور ناشی از لیزر به شدت سفارش می‌شود و عموما به حالت اساسا یکسان انرژی (و به همین ترتیب همان فرکانس و طول موج) محدود می‌شود.