Kuantum optiği

Kuantum optiği yarı klasik ve kuantum mekaniği fiziğini kullanarak ışığı içeren olayları ve onun mikroskobik seviyelerdeki maddelerle etkileşimini inceler.

Tarihi

Boşlukta ilerleyen ışığın momentumu ve enerjisi foton olarak bilinen parçacıkların tam katı olacak şekildedir. Kuantum optiği, ışığın birimini foton alıp doğasını ve etkilerini ona göre inceler. Bu kavrayışı mümkün kılan ilk önemli gelişme Max Planck'in 1899'da ortaya koyduğu kara cisim ışıma spektrumunun, ışığın enerjisinin belirli katlarda olması gerektiği hipotezi üzerine doğru modellemesinin yapılmasıydı. Fotoelektrik etkisi Einstein'ın kendisine 1921'de Nobel ödülü kazandıran 1905'te yazdığı makaledeki gibi bu katlanma olayının bir diğer kanıtıdır. Niels Bohr kendi teorisindeki atomların enerji seviyelerinin de belirli katlar şeklinde olması ve özellikle hidrojenin emisyon spektrumunun, optik ışıma hipotezinin de belirli katlar şeklinde olmasına karşılık geldiğini göstermiştir. Bu gelişmelerden sonra ışığın ve maddenin etkileşimini anlamak kuantum mekaniğini bütün olarak anlamak için çok önemlidir. Fakat, kuantum mekaniğinin madde-ışık etkileşimini inceleyen alt bilim alanları aslında ışıktan daha çok madde üzerine bir araştırma gibi kabul edilir. Bu yüzden 1960'larda genellikle atom fiziğinden ve kuantum elektroniğinden daha çok bahsedilirdi. Lazer fiziği, yani bu cihazların çalışma ilkeleri, tasarımları ve uygulamaları- önemli bir alan haline geldi ve lazerin çalışma ilkelerinin altında yatan kuantum mekanikleri artık ışığın özelliklerine daha çok önem verilerek inceleniyor ve kuantum optiği ismi artık bir gelenek haline geldi.

Lazer fiziği sağlam teorik temellere ihtiyaç duyduğu için ve ayrıca bunların araştırılması yararlı olduğunu kısa zamanda gösterdiği için, kuantum optiğine olan ilgi kat kat arttı. Dirac'ın kuantum alan teorisini takip eden George Sudarshan, Roy J. Glauber ve Leonard Mandel 1950 ve 1960'larda kuantum teorisini elektromanyetik alanlarda uygulayarak ışığın foto tespitinin ve istatistiğinin (ahenk derecesine bakınız) daha detaylı anlaşılmasını sağladı. Bu da uyum durumunun ışığın elektromanyetik alanların dalgaları klasik şekilde açıklamayla tamamen anlaşılamayacağı fark edilince, lazer ışığı, termal ışık ve egzotik sıkıştırılmış haller vs. arasındaki değişiklikleri ilgilendiren bir kavram olarak tanıtılmasına yol açtı. 1977'de Kimble ve diğerlerinin tek atomun her seferinde tek foton yayımladığını göstermesi üzerine ışığın fotonlardan oluştuğuna dair daha ilgi çekici kanıtlar bulundu. Işığın önceden bilinmeyen klasik hallere benzemeyen kuantum halleri, örneğin sıkıştırılmış ışık da sonradan keşfedilmiş oldu.

Kısa ve aşırı kısa lazer atımlarının gelişimi – Q atımı ve model kilidi teknikleriyle oluşturuldu- süper hızlı işlem olarak bilinen çalışma alanının yolunu açtı. Katı hal araştırma uygulamaları (Raman spektroskopisi) bulundu ve ışığın madde üzerindeki mekanik kuvvetleri çalışıldı. İkinci olarak bahsettiğimiz, ışığın madde üzerindeki mekanik etkisi, atom bulutlarının hatta küçük biyolojik örneklerin lazer ışın demetiyle optik tuzaklarla veya optik cımbızlarla havaya kaldırıp konumlandırılmasını sağladı. Bu ve beraberinde Doppler soğutması, meşhur Bose-Einstein yoğunlaşmasını gerçekleştirebilmek için gerekli olan teknolojinin en önemli parçalarından biridir.

Diğer önemli başarılar da kuantum dolanıklığı, kuantum ışınlanması ve kuantum mantık kapılarıdır. Kuantum mantık kapıları, bir parça kuantum optiğinden bir parça da bilgisayar biliminden türemiş kuantum bilgi kuramının önemli ilgi alanıdır.

Kuantum fizikçileri arasında bugünün ilgi alanları parametrik dönüşümü, parametrik salınım, daha da kısa(attosaniye) atımlar, kuantum bilgi kuramında kuantum optiğinin kuantum optiğinin kullanılışı, atomların tek olarak işlenmesi, Bose-Einstein yoğunlaşması, uygulamaları ve nasıl kullanılacağı (atom optiği olarak da bilinen alt dal) uyumlu mükemmel emiciler ve daha fazlası üzerinedir. Kuantum optiği özellikle mühendislik ve teknolojik gelişime uygulamaları altında tanımlanan başlıklar bugünlerde genellikle fotonik olarak adlandırılır.

Kuantum optiği üzerine çalışmalar için birçok Nobel ödülü verilmiştir. Bunlardan birkaçı:

-2012'de Serge Haroche ve David J. Wineland’in ‘’birbirinden ayrı kuantum sistemleri ölçülendirilmesi ve kullanılmasına olanak veren çığır açıcı deneysel yöntemler’'

-2005'te Theodor W. Hänsch, Roy J. Glauber ve John L. Hall’a.

Kuantum optiğinin kavramları

Quantum teorisine göre ışık sadece elektro-manyetik dalga olarak değil, boşluktaki ışığın hızıyla ilerleyen foton adı verilen parçacıkların akımıdır. Bu parçacıklar bildiğimiz bilardo topları gibi değil, dalga fonksiyonunun sınırlı bölgedeki dağılımlarıyla tanımlanan kuantum mekaniği parçacıkları olarak düşünülmelidir.

Her parçacık, hf'ye denk, -h Planck sabiti ve f ışığın frekansı- bir kuantumluk enerji taşır. Bir tek foton tarafından sahip olunan bu enerji tam olarak fotonu yayımlayan atomun (ya da başka bir sistemin) kesikli olan enerji seviyelerine karşılık gelir. Fotonun maddesel emilimi geri dönüştürülebilir bir işlemdir. Einstein'ın anlık emisyon açıklaması uyarılmış emisyonun varlığını da, lazerlerin var olduğunu gösteren ilke, ön görmüştür. Ancak, mazer'in (ve lazer'in) gerçek bulunuşu yıllar sonra bulunan nüfus terslenmesi oluşturacak yöntemine gerek duyuyordu. İstatistik mekaniğinin kullanılışı kuantum optiği için temel bir kavramdır. Işık fotonun oluşturulması ve imhası için alan işlemcisi bazında –kuantum elektrodinamiği dilinde- bahsedilir . Sık sık karşılaşılan ışık alanı Roy J. Glauber tarafından 1963'te tanıtılan uyumlu haldir. Eşik değerinin çok çok üstündeki tek-fazlı lazerin çıkış gücünü neredeyse tam olarak tanımlamak için de kullanılabilen uyumlu hal, Poisson foton sayısı istatiğini gösterir. Bazı belirli doğrusal olmayan etkileşimler aracılığıyla uyumlu hal, aşırı veya alt Poisson foton istatistiği gösterebilen sıkıştırma operatörü kullanılarak sıkıştırılmış uyumlu hale dönüştürülebilir. Bu tür ışıklara sıkıştırılmış ışık denir. Diğer kuantum halleri farklı ışık demetleri arasındaki foton istatistiği ilişkisine bağlıdır. Örnek olarak, anlık parametrik aşağı dönüştürücü ikiz-demet denilen, idealde her iki demetteki her fotonun bir diğeriyle ilişkili olduğu sistem oluşturabilir. Atomlar enerji özdurumları arasındaki geçişlerin Einstein'ın ışık yayılımı veya emilimi teorinden türetilen belirli seviyelerdeki enerji spektrumundaki kuantum mekanik salındırıcı olarak düşünülebilir.

Katı haldeki maddeler için katı hal fiziği enerji şeridi modeli kullanılır. Bu genellikle deneylerde kullanılan katı-hal cihazlarında ışığın nasıl tespit edildiğini anlamak için çok önemlidir.

Kuantum elektroniği

Kuantum elektroniği çoğunlukla 1950 ve 1970'lerde fiziğin kuantum mekaniğinin etkileriyle ilgilenen maddedeki elektronların fotonlarla birlikte olan etkileşimlerini ve içindeki davranışlarını açıklamakta kullanılan alanında kullanılır. Bugün, diğer dallar tarafından çokça kullanıldığı için nadiren kendi başına bir alt-dal olarak düşünülür. Katı hal fiziği, kuantum fiziğini devamlı kullanır ve genellikle elektronlar üzerine yoğunlaşır. Kuantum mekaniğinin elektroniğe özgü uygulaması yarı iletken fiziğinin içerisinde araştırılır. Bu terim, kuantum optiğinin bir parçası olarak üzerinde çalışılan lazer işlemleri için olan temel işlemleri de kapsar. Bu terimin kullanılışı kuantum Hall etkisi ve kuantum hücre otomatının başlangıç çalışmalarıyla da kesişir.