Quantum optics: Difference between revisions
Fabrictramp (talk | contribs) Reverted to revision 333433222 by 69.140.13.88; rv content removal. (TW) |
|||
| Line 3: | Line 3: | ||
'''Quantum optics''' is a field of research in [[physics]], dealing with the application of [[quantum mechanics]] to phenomena involving [[light]] and its interactions with [[matter]]. |
'''Quantum optics''' is a field of research in [[physics]], dealing with the application of [[quantum mechanics]] to phenomena involving [[light]] and its interactions with [[matter]]. |
||
== تاريخ البصريات الكمومى == |
|||
== History of quantum optics == |
|||
الضوء يتكون من جسيمات تسمى الفوتونات وبالتالي هو بطبيعته "مشوشة" (الكم). بصريات الكم هو دراسة طبيعة وآثار وفوتونات الضوء مكمم. في أول إشارة إلى أن ضوء الكم قد يكون جاء من معهد ماكس بلانك في عام 1899 عندما كان بشكل صحيح على غرار إشعاع الجسم الأسود بافتراض أن تبادل الطاقة بين الخفيفة والمسألة الوحيدة وقعت في كميات منفصلة دعا كمات. انه لم يكن معروفا ما إذا كان مصدر هذه discreteness كانت المسألة أو ضوء. في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين نظرية التأثير الكهروضوئي. يبدو أن التفسير الوحيد الممكن لهذا التأثير هو وجود جزيئات تسمى فوتونات الضوء. في وقت لاحق ، أظهرت نيلز بوهر أن الذرات كما الكم ، بمعنى أنها لا يمكن إلا أن تنبعث منها كميات منفصلة من الطاقة. فهم التفاعل بين الضوء والمسألة التالية من هذه التطورات ، ليس فقط شكلت أساسا للبصريات الكمية ، بل أيضا كانت حاسمة بالنسبة لتطوير ميكانيكا الكم ككل. ومع ذلك ، فإن الحقول الفرعية لميكانيكا الكم التعامل مع مسألة التفاعل بين الضوء وأساسا اعتبار البحث في هذه المسألة وليس في ضوء وبالتالي ، تكلم واحد بدلا من الذرة والفيزياء والالكترونيات والكم. |
|||
Light is made up of particles called [[photons]] and hence inherently is "grainy" (quantized). Quantum optics is the study of the nature and effects of light as quantized photons. The first indication that light might be quantized came from [[Max Planck]] in 1899 when he correctly modelled [[blackbody radiation]] by assuming that the exchange of energy between light and matter only occurred in discrete amounts he called quanta. It was unknown whether the source of this discreteness was the matter or the light. In 1905, [[Albert Einstein]] published the theory of the [[photoelectric effect]]. It appeared that the only possible explanation for the effect was the existence of particles of light called photons. Later, [[Niels Bohr]] showed that the atoms were also quantized, in the sense that they could only emit discrete amounts of energy. The understanding of the interaction between light and [[matter]] following from these developments not only formed the basis of quantum optics but also were crucial for the development of quantum mechanics as a whole. However, the subfields of quantum mechanics dealing with matter-light interaction were principally regarded as research into matter rather than into light and hence, one rather spoke of [[atom physics]] and [[quantum electronics]]. |
|||
هذا تغير مع اختراع مازر في عام 1953 والليزر في عام 1960. علوم الليزر ، أي البحث في المبادئ ، وتصميم وتطبيق هذه الأجهزة ، أصبح المجال الهام ، وميكانيكا الكم الكامنة الليزر ودرس مبادئ الآن مع مزيد من التركيز على خصائص الضوء ، واسم البصريات الكمية أصبح من المعتاد. |
|||
This changed with the invention of the [[maser]] in 1953 and the [[laser]] in 1960. [[Laser science]]—i.e., research into principles, design and application of these devices—became an important field, and the quantum mechanics underlying the laser's principles was studied now with more emphasis on the properties of light, and the name ''quantum optics'' became customary. |
|||
كما علم الليزر اللازمة جيدة الأسس النظرية ، وكذلك لأن هذه البحوث في وسرعان ما ثبت مثمرة للغاية ، والفائدة في البصريات الكمية ارتفعت. في أعقاب أعمال ديراك في مجال نظرية الكم ، وتطبق جورج سودارشان ، روي ج ، وليونارد ماندل نظرية الكم للمجال الكهرومغناطيسي في 1950s و 1960s لتحقيق فهم أكثر تفصيلا لphotodetection والإحصاءات للضوء (انظر درجة التماسك). وأدى هذا إلى إدخال دولة متماسكة كما وصف الكم من ضوء الليزر وإدراك أن بعض الدول من الضوء لا يمكن وصفها مع موجات الكلاسيكية. في عام 1977 ، كيمبل وآخرون. أظهر أول مصدر للضوء الذي يتطلب وصفا والكم : ذرة واحدة أن ينبعث فوتون واحد في وقت واحد. هذا هو اول دليل قاطع على أن الضوء يتكون من فوتونات. دولة أخرى في ضوء الكم مع بعض المزايا أكثر من أي دولة الكلاسيكية ، وتقلص الخفيفة ، وكان قريبا المقترحة. في الوقت نفسه ، والتنمية من البقول قصيرة وقصير جدا الليزر التي أنشأتها سؤال التبديل والتقنيات modelocking - فتحت الطريق لدراسة لا يمكن تخيلها سريع ( "فائق السرعة") العمليات. تطبيقات للبحث في الحالة الصلبة (مثل مطياف رامان) عثر عليها ، والقوى الميكانيكية من الضوء على ما تم درس هذه المسألة. هذا الأخير أدى إلى الرفع والسحب لتحديد المواقع من ذرات أو حتى صغيرة العينات البيولوجية في فخ البصرية أو ملاقط بصرية بواسطة اشعة ليزر. هذا ، جنبا إلى جنب مع دوبلر التبريد كان حاسما التكنولوجيا اللازمة لتحقيق بوس احتفل - اينشتاين التكثيف. |
|||
As laser science needed good theoretical foundations, and also because research into these soon proved very fruitful, interest in quantum optics rose. Following the work of [[Paul Dirac|Dirac]] in [[quantum field theory]], [[George Sudarshan]], [[Roy J. Glauber]], and [[Leonard Mandel]] applied quantum theory to the electromagnetic field in the 1950s and 1960s to gain a more detailed understanding of photodetection and the [[statistical mechanics|statistics]] of light (see [[degree of coherence]]). This led to the introduction of the [[coherent state]] as a quantum description of laser light and the realization that some states of light could not be described with classical waves. In 1977, [[H. Jeff Kimble|Kimble]] et al. demonstrated the first source of light which required a quantum description: a single atom that emitted one photon at a time. This was the first conclusive evidence that light was made up of photons. Another quantum state of light with certain advantages over any classical state, [[Squeezed coherent state|squeezed light]], was soon proposed. At the same time, development of short and [[ultrashort pulse|ultrashort]] laser pulses—created by [[Q switching]] and [[modelocking]] techniques—opened the way to the study of unimaginably fast ("[[ultrafast]]") processes. Applications for solid state research (e.g. [[Raman spectroscopy]]) were found, and mechanical forces of light on matter were studied. The latter led to levitating and positioning clouds of atoms or even small biological samples in an [[optical trap]] or [[optical tweezers]] by laser beam. This, along with [[Doppler cooling]] was the crucial technology needed to achieve the celebrated [[Bose-Einstein condensation]]. |
|||
نتائج لافتة أخرى هي مظاهرة من التورط الكم ، والنقل الكوانتي ، و(مؤخرا ، في عام 1995) بوابات منطق الكم. هذه الأخيرة هي التي تهم الكثير من المعلومات في نظرية الكم ، وهو الموضوع الذي نشأ جزئيا من البصريات الكمية ، وذلك جزئيا من علوم الكمبيوتر النظرية. |
|||
Other remarkable results are the [[Bell test experiments|demonstration of quantum entanglement]], [[quantum teleportation]], and (recently, in 1995) [[quantum logic gate]]s. The latter are of much interest in [[quantum information theory]], a subject which partly emerged from quantum optics, partly from theoretical [[computer science]]. |
|||
اليوم في المجالات ذات الاهتمام بين الباحثين الكم البصريات تشمل بارامترية بانخفاض التحويل ، والتذبذب بارامترية ، حتى أقصر (المعلومات لفهم العمليات) نبضات ضوئية ، واستخدام البصريات , الكمية للحصول على معلومات الكم ، والتلاعب من الذرات واحدة ، بوس آينشتاين المكثفات وتطبيقها |
|||
Today's fields of interest among quantum optics researchers include [[parametric down-conversion]], [[Optical parametric oscillator|parametric oscillation]], even shorter (attosecond) light pulses, use of quantum optics for [[quantum information]], manipulation of single atoms, [[Bose-Einstein condensate]]s, their application, and how to manipulate them (a sub-field often called [[atom optics]]), and much more. |
|||
Research into quantum optics that aims to bring photons into use for information transfer and computation is now often called [[photonics]] to emphasize the claim that photons and photonics will take the role that [[electron]]s and [[electronics]] now have. |
|||
== Concepts of quantum optics == |
== Concepts of quantum optics == |
||
Revision as of 19:23, 5 January 2010
 | This article includes a list of references, related reading, or external links, but its sources remain unclear because it lacks inline citations. (April 2009) |
Quantum optics is a field of research in physics, dealing with the application of quantum mechanics to phenomena involving light and its interactions with matter.
تاريخ البصريات الكمومى
الضوء يتكون من جسيمات تسمى الفوتونات وبالتالي هو بطبيعته "مشوشة" (الكم). بصريات الكم هو دراسة طبيعة وآثار وفوتونات الضوء مكمم. في أول إشارة إلى أن ضوء الكم قد يكون جاء من معهد ماكس بلانك في عام 1899 عندما كان بشكل صحيح على غرار إشعاع الجسم الأسود بافتراض أن تبادل الطاقة بين الخفيفة والمسألة الوحيدة وقعت في كميات منفصلة دعا كمات. انه لم يكن معروفا ما إذا كان مصدر هذه discreteness كانت المسألة أو ضوء. في عام 1905 ، نشر ألبرت أينشتاين نظرية التأثير الكهروضوئي. يبدو أن التفسير الوحيد الممكن لهذا التأثير هو وجود جزيئات تسمى فوتونات الضوء. في وقت لاحق ، أظهرت نيلز بوهر أن الذرات كما الكم ، بمعنى أنها لا يمكن إلا أن تنبعث منها كميات منفصلة من الطاقة. فهم التفاعل بين الضوء والمسألة التالية من هذه التطورات ، ليس فقط شكلت أساسا للبصريات الكمية ، بل أيضا كانت حاسمة بالنسبة لتطوير ميكانيكا الكم ككل. ومع ذلك ، فإن الحقول الفرعية لميكانيكا الكم التعامل مع مسألة التفاعل بين الضوء وأساسا اعتبار البحث في هذه المسألة وليس في ضوء وبالتالي ، تكلم واحد بدلا من الذرة والفيزياء والالكترونيات والكم.
هذا تغير مع اختراع مازر في عام 1953 والليزر في عام 1960. علوم الليزر ، أي البحث في المبادئ ، وتصميم وتطبيق هذه الأجهزة ، أصبح المجال الهام ، وميكانيكا الكم الكامنة الليزر ودرس مبادئ الآن مع مزيد من التركيز على خصائص الضوء ، واسم البصريات الكمية أصبح من المعتاد.
كما علم الليزر اللازمة جيدة الأسس النظرية ، وكذلك لأن هذه البحوث في وسرعان ما ثبت مثمرة للغاية ، والفائدة في البصريات الكمية ارتفعت. في أعقاب أعمال ديراك في مجال نظرية الكم ، وتطبق جورج سودارشان ، روي ج ، وليونارد ماندل نظرية الكم للمجال الكهرومغناطيسي في 1950s و 1960s لتحقيق فهم أكثر تفصيلا لphotodetection والإحصاءات للضوء (انظر درجة التماسك). وأدى هذا إلى إدخال دولة متماسكة كما وصف الكم من ضوء الليزر وإدراك أن بعض الدول من الضوء لا يمكن وصفها مع موجات الكلاسيكية. في عام 1977 ، كيمبل وآخرون. أظهر أول مصدر للضوء الذي يتطلب وصفا والكم : ذرة واحدة أن ينبعث فوتون واحد في وقت واحد. هذا هو اول دليل قاطع على أن الضوء يتكون من فوتونات. دولة أخرى في ضوء الكم مع بعض المزايا أكثر من أي دولة الكلاسيكية ، وتقلص الخفيفة ، وكان قريبا المقترحة. في الوقت نفسه ، والتنمية من البقول قصيرة وقصير جدا الليزر التي أنشأتها سؤال التبديل والتقنيات modelocking - فتحت الطريق لدراسة لا يمكن تخيلها سريع ( "فائق السرعة") العمليات. تطبيقات للبحث في الحالة الصلبة (مثل مطياف رامان) عثر عليها ، والقوى الميكانيكية من الضوء على ما تم درس هذه المسألة. هذا الأخير أدى إلى الرفع والسحب لتحديد المواقع من ذرات أو حتى صغيرة العينات البيولوجية في فخ البصرية أو ملاقط بصرية بواسطة اشعة ليزر. هذا ، جنبا إلى جنب مع دوبلر التبريد كان حاسما التكنولوجيا اللازمة لتحقيق بوس احتفل - اينشتاين التكثيف.
نتائج لافتة أخرى هي مظاهرة من التورط الكم ، والنقل الكوانتي ، و(مؤخرا ، في عام 1995) بوابات منطق الكم. هذه الأخيرة هي التي تهم الكثير من المعلومات في نظرية الكم ، وهو الموضوع الذي نشأ جزئيا من البصريات الكمية ، وذلك جزئيا من علوم الكمبيوتر النظرية.
اليوم في المجالات ذات الاهتمام بين الباحثين الكم البصريات تشمل بارامترية بانخفاض التحويل ، والتذبذب بارامترية ، حتى أقصر (المعلومات لفهم العمليات) نبضات ضوئية ، واستخدام البصريات , الكمية للحصول على معلومات الكم ، والتلاعب من الذرات واحدة ، بوس آينشتاين المكثفات وتطبيقها
Concepts of quantum optics
According to quantum theory, light may be considered not only as an electro-magnetic wave but also as a "stream" of particles called photons which travel with c, the vacuum speed of light. These particles should not be considered to be classical billiard balls, but as quantum mechanical particles described by a wavefunction spread over a finite region. Each particle carries one quantum of energy equal to hf, where h is Planck's constant and f is the frequency of the light. The postulation of the quantization of light by Max Planck in 1899 and the discovery of the general validity of this idea in Albert Einstein's 1905 explanation of the photoelectric effect soon led physicists to realize the possibility of population inversion and the possibility of the laser.
This kind of use of statistical mechanics is the fundament of most concepts of quantum optics: Light is described in terms of field operators for creation and annihilation of photons—i.e. in the language of quantum electrodynamics.
A frequently encountered state of the light field is the coherent state as introduced by Roy J. Glauber in 1963. This state, which can be used to approximately describe the output of a single-frequency laser well above the laser threshold, exhibits Poissonian photon number statistics. Via certain nonlinear interactions, a coherent state can be transformed into a squeezed coherent state, which can exhibit super- or sub- Poissonean photon statistics. Such light is called squeezed light. Other important quantum aspects are related to correlations of photon statistics between different beams. For example, parametric nonlinear processes can generate so-called twin beams, where ideally each photon of one beam is associated with a photon in the other beam.
Atoms are considered as quantum mechanical oscillators with a discrete energy spectrum with the transitions between the energy eigenstates being driven by the absorption or emission of light according to Einstein's theory with the oscillator strength depending on the quantum numbers of the states.
For solid state matter one uses the energy band models of solid state physics. This is important as understanding how light is detected (typically by a solid-state device that absorbs it) is crucial for understanding experiments.
See also
References
- L. Mandel, E. Wolf Optical Coherence and Quantum Optics (Cambridge 1995)
- D. F. Walls and G. J. Milburn Quantum Optics (Springer 1994)
- C. W. Gardiner and Peter Zoller, Quantum Noise, (Springer 2004).
- M. O. Scully and M. Zubairy Quantum Optics (Cambridge 1997)
- W. P. Schleich Quantum Optics in Phase Space (Wiley 2001)
External links
- An introduction to quantum optics of the light field
- Encyclopedia of laser physics and technology, with content on quantum optics (particularly quantum noise in lasers), by Rüdiger Paschotta.
- Qwiki - A quantum physics wiki devoted to providing technical resources for practicing quantum physicists.
- Quantiki - a free-content WWW resource in quantum information science that anyone can edit.
- Various Quantum Optics Reports