Lumina din punct de vedere al opticii cuantice. Optica

OPTICA CANTICA

O ramură a opticii statistice care studiază microstructura câmpurilor luminoase și a câmpurilor optice. fenomene în care un cuantic este vizibil. natura luminii. Ideea de cuantum. structura radiaţiei este introdusă în limba germană. fizicianul M. Planck în 1900.

Statistic structura de interferență câmpurile au fost observate pentru prima dată de S.I. Vavilov (1934) și a propus, de asemenea, termenul de „microstructură a luminii”.

Lumina este un fizic complex. un obiect a cărui stare este determinată de un număr infinit de parametri. Acest lucru se aplică și radiațiilor monocromatice, care sunt clasice. descrierea este pe deplin caracterizată prin amplitudine, frecvență, fază și polarizare. Problema determinării complete a câmpului luminos nu poate fi rezolvată din cauza dificultăților tehnice insurmontabile. dificultăți asociate cu un număr infinit de măsurători ale parametrilor de câmp. Adiţional Quantum contribuie semnificativ la complexitatea rezolvării acestei probleme. caracterul măsurătorilor, deoarece acestea sunt asociate cu înregistrarea fotonilor de către fotodetectoare.

Progresele în fizica laserului și îmbunătățirile în tehnologia de înregistrare a fluxurilor slabe de lumină au determinat dezvoltarea și sarcinile vederii cu laser. Surse de lumină Dolaser conform statisticilor lor. St. sunteti de acelasi tip cu generatoarele de zgomot care au un gaussian . Starea câmpurilor lor este aproape complet determinată de forma spectrului de radiații și de intensitatea acestuia. Odată cu apariția cuanticii. generatoare și cuantice. amplificatoare K. o. a primit la dispoziție o gamă largă de surse cu date statistice foarte diverse, inclusiv non-gaussiene. har-kami.

Cea mai simplă caracteristică a domeniului este cf. intensitate. O caracterizare mai completă a distribuției spațio-temporale a intensității câmpului, determinată din experimente de înregistrare a fotonilor în timp cu un singur detector. Studiile cuantice oferă informații și mai complete despre starea domeniului. descompunerea acestuia cantități care pot fi parțial determinate din experimente privind înregistrarea comună a fotonilor într-un câmp de mai mulți. receptori, sau în studiul proceselor multifotonice din instalație.

Centru. concepte din teoria cuantică care determină starea câmpului și imaginea fluctuațiilor sale, fenomenelor. așa-zisul funcţii de corelare sau corelatori de câmp. Ele sunt definite ca fiind mecanice cuantice. mediile operatorilor de câmp (vezi TEORIA CÂMPURILOR CUANTICE). Gradul de complexitate al corelatorilor determină rangul, iar cu cât acesta este mai mare, cu atât datele statistice sunt mai subtile. Câmpurile sfinte se caracterizează prin aceasta. În special, aceste funcții determină modelul de înregistrare comună a fotonilor în timp de către un număr arbitrar de detectoare. Funcțiile de corelație joacă un rol important în optica neliniară. Cu cât gradul de neliniaritate optică este mai mare. proces, cu cât sunt necesari corelatorii de rang mai mari pentru a-l descrie. De o importanță deosebită în K. o. are conceptul de coerență cuantică. Există câmpuri parțiale și complete. Un val pe deplin coerent în efectul său asupra sistemelor este cât se poate de asemănător cu cel clasic. monocromatic val. Aceasta înseamnă că cuantica. fluctuaţiile câmpului coerent sunt minime. Radiația laserelor cu o bandă spectrală îngustă este aproape complet coerentă în caracteristicile sale.

Cercetare corelativă. funcțiile de ordine superioare vă permit să studiați fizica. în sisteme de emisie (de exemplu, în lasere). Metodele lui K. o. fac posibilă determinarea detaliilor intermolului. responsabil pentru modificările statisticilor de numărare a fotografiilor atunci când lumina este împrăștiată într-un mediu.

Dicționar enciclopedic fizic. - M.: Enciclopedia Sovietică. . 1983 .

OPTICA CANTICA

Ramura opticii care studiază statistica. proprietățile câmpurilor luminoase și manifestarea cuantică a acestor proprietăți în procesele de interacțiune a luminii cu materia. Ideea structurii cuantice a radiației a fost introdusă de M. Planck în 1900. Un câmp luminos, ca orice câmp fizic. câmpul, datorită naturii sale cuantice, este un obiect statistic, adică starea lui este determinată în sens probabilistic. Din anii 60 a început studiul intensiv al statisticilor. distribuția.) În plus, procesul cuantic de producere spontană de fotoni este o sursă ireductibilă de fluctuații semnificative ale câmpurilor studiate de cosmos; în cele din urmă, înregistrarea luminii de către fotodetectoarele în sine - fotonumărările - este una cuantică discretă. zgomotul generatoarelor de radiații, în mediu etc., optică neliniară; pe de o parte, în optica neliniară. proceselor, are loc o schimbare statistică. proprietățile câmpului luminos, pe de altă parte, statisticile câmpului influențează cursul proceselor neliniare. funcții de corelare sau corelatori de câmp. Ele sunt definite ca fiind mecanice cuantice. medii de la operatorii de teren (vezi de asemenea teoria cuantică a câmpului). Cele mai simple caracteristici ale unui câmp sunt sale și cf. intensitate. Aceste caracteristici se găsesc din experimente, de exemplu, intensitatea luminii - prin măsurarea ratei fotoemisiei de electroni într-un fotomultiplicator. Teoretic, aceste mărimi sunt descrise (fără a lua în considerare polarizarea câmpului) de un corelator de câmp în care - Componentele conjugate hermitiene ale operatorului electric. câmpuri
într-un punct spaţio-timp x=(r,t). Operator exprimat prin - operator de distrugere (vezi Cuantificare secundară)foton" k„al-lea domeniu al modei Marea Britanie (r):

În consecință, se exprimă prin operatorul de naștere Semn< . . . >denotă media cuantică asupra stărilor câmpului, iar dacă este luată în considerare cu materie, atunci și asupra stărilor materiei. informații despre starea câmpului sunt conținute în corelator G 1,1 (X 1 , X 2). În general, o determinare detaliată a stării câmpului necesită cunoașterea corelației. funcţii de ordine superioare (grade). Forma standard a corelatorilor, datorită legăturii sale cu înregistrarea absorbției fotonilor, este acceptată în ordinea normală:

asta e tot P operatorii de creare sunt la stânga tuturor operatorilor de anihilare.Ordinea corelatorului este egală cu suma n+m Este practic posibil să se studieze corelatorii de ordin scăzut. Cel mai adesea acesta este un corelator G 2,2 (X 1 ,X 2 ;X 2 ,X 1), care caracterizează fluctuaţiile de intensitate a radiaţiilor, se constată din experimente privind numărarea în comun a fotonilor de către doi detectoare. Corelatorul este definit în mod similar Gn,n(X 1 ,. . .x p;x p,. ..X 1) de la înregistrarea numărului de fotoni P receptori sau de la date n-absorbția fotonilor. G n,m s P№T posibil numai în optică neliniară. experimente. În măsurătorile staționare, condiția de invarianță a corelatorului Gn,mîn timp necesită îndeplinirea legii conservării energiei:

unde w 6 sunt frecvențele armonice ale operatorilor, respectiv. În special, G 2,l se găsesc din modelul spațial de interferență al interacțiunii cu trei unde în procesul de distrugere a uneia și crearea a două cuante (vezi. Interacțiunea undelor luminoase). Dintre corelatorii nestaționari, cel de interes deosebit este G 0,1 (X), determinarea puterii câmpului cuantic. Magnitudine | G 0,1 (X)| 2 oferă valoarea intensității câmpului numai în spec. cazuri, în special pentru domenii coerente. p(n,T) - probabilitatea de implementare exact P fotonumărări într-un interval de timp T. Această caracteristică conține informații ascunse despre corelatorii de ordine arbitrar ridicate. Dezvăluirea informațiilor ascunse, în special determinarea distribuției intensității radiației de către o sursă, este subiectul așa-numitului. problema inversă a numărării fotonilor în cosmos. Numărarea fotonilor este un experiment care are o natură fundamental cuantică, care se manifestă clar la intensitatea eu câmpul înregistrat nu fluctuează. Chiar și în acest caz, este cauzată de o secvență temporală aleatorie de fotonumărări cu Distribuția Poisson

unde b este caracteristica de sensibilitate a fotodetectorului, așa-numitul. eficacitatea acestuia. Sens g(X 1 ,X 2) tinde spre 1 pe măsură ce punctele spațiu-timp sunt distanțate X 1 și X 2, care corespunde statisticului independența fotonumărărilor în ele. La combinarea punctelor X 1 =X 2 =X diferență g (X, X)de la unul ( g- 1) caracterizează nivelul de fluctuație a intensității radiațiilor și se manifestă prin diferența în numărul de coincidențe ale fotonumărărilor obținute în timpul înregistrării lor simultane și independente de către doi detectoare. Fluctuațiile în intensitatea unui câmp monomod sunt caracterizate de mărime

unde este convenabil să se efectueze o medie asupra statelor | n> (vezi Vector de stare)Cu matricea de densitate

într-o tăietură R p - probabilitatea de realizare a modului de câmp în starea cu P fotonii. Pentru radiația termică probabilitatea R p dat Bose- Statistici Einstein:

unde cf. numărul de fotoni în modul Acesta este un domeniu foarte fluctuant, pentru care g= 2. Se caracterizează pozitiv. corelație g- 1>0 la înregistrarea simultană a doi fotoni. Astfel de cazuri de fluctuaţii de intensitate, când g> 1, numit in to. gruparea fotonilor. g-1=0 reprezintă câmpurile situate în așa-numitul. stări coerente, uk-rykh Aceasta special alocată în K. o. o clasă de câmpuri cu intensitate nefluctuantă este generată, de exemplu, de sarcini electrice în mișcare clasică. Câmpuri coerente max. sunt pur și simplu descrise în așa-numitele. R(a)-reprezentarea Glauber (a se vedea coerenţă cuantică).În această vedere

Unde

Expresia (**) poate fi considerată ca fiind corespunzătoare clasicului. expresie pentru g,în Krom R(a) este considerată a fi funcția de distribuție a amplitudinilor complexe o clasică. câmpuri și pentru care întotdeauna P(a)>0. Acesta din urmă duce la afecțiune g>1, adică la posibilitatea în clasic Numai câmpuri de grupare. Acest lucru se explică prin faptul că fluctuațiile de intensitate a clasicului câmpurile provoacă simultan aceeași modificare a numărului de foto în ambii fotodetectori.

R(a) == d 2 (a - a 0) = d d -

funcţia d bidimensională în plan complex a. Clasic termic câmpurile sunt caracterizate prin pozitiv f-tion (care descrie gruparea în ele). Pentru câmpurile cuantice R(a) este o funcție reală, dar în domeniul finit al argumentului a poate fi negativă. adică, atunci reprezintă așa-numitul. cvasi-probabilități. Statisticile numărului de fotografii pentru câmpurile cu un număr specificat precis N>1 fotoni la modă P n = d nN(d nN - simbolul Kronecker) este în esență neclasică. Pentru această condiție g = 1 - 1/N, care corespunde negativului. corelatii: g- 1 <0. Такие случаи наз. в К. о. антигруппировкой фотонов, к-рую можно объяснить тем, что фотона одним из детекторов уменьшает вероятность фотоотсчёта в другом. Эффект антигруппировки наблюдается и в свете, резонансно рассеянном одним атомом. В этом случае регистрируемые кванты спонтанно рождаются в среднем через определ. интервалы времени и вероятность одноврем. рождения двух квантов равна нулю, что и даёт нулевую вероятность их одноврем. регистрации. многофотонные процессы. К. о. находит всё более широкую область применения. Так, напр., в связи с проектированием оптич. системы для регистрации гравитац. волн и постановкой т. н. невозмущающих оптич. экспериментов, в к-рых уровень флуктуации, в т. ч. квантовых, сводится к минимуму, внимание исследователей привлекают такие состояния поля, наз. "сжатыми", в к-рых флуктуации интересующей величины (подобной интенсивности или фазе идеально стабилизированного лазера) могут быть в принципе сведены до нуля.Lit.: Glauber R., Optical coherence and photon statistics, în cartea: Optica cuantică și radiofizică cuantică, trad. din engleza şi French, M., 1966; Klauder J., Sudarshan E., Fundamentals of Quantum Optics, trad. din engleză, M.. 1970; Perina Ya., Coerența luminii, trad. din engleză, M., 1974; Spectroscopia amestecării optice și fotonilor, ed. G, Cummins, E. Pike, trad. din engleză, M., 1978; Klyshko D.N., Fotony i, M., 1980; Crosignani B., Di Porto P., Bertolotti M., Statistical properties of dispersed light, trad. din engleză, M., 1980. S.G. Przhibelsky.

Enciclopedie fizică. În 5 volume. - M.: Enciclopedia Sovietică. Redactor-șef A. M. Prohorov. 1988 .

Vedeți ce este „OPTICA CANTUM” în alte dicționare:

O ramură a opticii care studiază proprietățile statistice ale câmpurilor luminoase (fluxuri fotonice) și manifestările cuantice ale acestor proprietăți în procesele de interacțiune a luminii cu materia... Dicţionar enciclopedic mare

OPTICA CANTICA- o ramură a fizicii teoretice care studiază microstructura câmpurilor luminoase și a fenomenelor optice care confirmă natura cuantică a luminii... Marea Enciclopedie Politehnică

Optica cuantică este ramura a opticii care se ocupă cu studiul fenomenelor în care se manifestă proprietățile cuantice ale luminii. Aceste fenomene includ: radiații termice, efect fotoelectric, efect Compton, efect Raman, procese fotochimice, ... ... Wikipedia

optica cuantică- kvantinė optika statusas T sritis fizica atitikmenys: engl. optica cuantică vok. Quantenoptik, f rus. optica cuantică, f pranc. optique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

Ramura opticii care studiază statistica. proprietățile câmpurilor luminoase (fluxurile fotonice) și manifestările cuantice ale acestor proprietăți în procesele de interacțiune a luminii cu materia... Științele naturii. Dicţionar enciclopedic

Are următoarele subsecțiuni (lista este incompletă): Mecanica cuantică Teoria cuantică algebrică Teoria câmpului cuantic Electrodinamica cuantică Cromodinamica cuantică Termodinamica cuantică Gravitația cuantică Teoria superstringurilor Vezi și... ... Wikipedia

Conținutul articolului

OPTICA CANTICA– o ramură a opticii care studiază proprietățile cuantice ale luminii. Putem spune că optica cuantică este fizica cuantică a luminii. Interesul pentru optica cuantică a apărut în prima jumătate a secolului al XX-lea, dar acest domeniu al științei a primit o dezvoltare deosebit de intensă la sfârșitul secolului al XX-lea, când fizicienii au învățat să pregătească stări speciale de lumină - așa-numitele non-clasice. ușoară. Acum lumina non-clasică este folosită cu succes în metrologie, spectroscopie și este folosită pentru măsurători precise, precum și pentru transmiterea secretă a informațiilor. În plus, abordările și metodele opticii cuantice pot suplimenta semnificativ informațiile furnizate de diferite măsurători legate de emisia și absorbția luminii.

Quanta.

Pentru lumină, și mai precis, pentru câmpul electromagnetic, a fost propusă pentru prima dată ideea unei descrieri cuantice. Această idee a fost prezentată în 1900 de Max Planck, care a sugerat că emisia de lumină are loc în porțiuni - cuante. Această presupunere părea paradoxală pentru mulți, dar a devenit salvatoare pentru întreaga ramură a opticii. A făcut posibilă explicarea formei spectrului de radiații al corpurilor încălzite, ceea ce nu a putut fi explicat anterior. Încercările anterioare de a calcula spectrul de emisie au condus la faptul că în regiunea lungimilor de undă mici, i.e. în partea ultravioletă a spectrului, au apărut valori nelimitat de mari ale divergenței. Desigur, nu au fost observate discrepanțe în experiment, iar această discrepanță între teorie și experiment a fost numită „catastrofa ultravioletă”. Presupunerea că emisia de lumină are loc în porțiuni a făcut posibilă eliminarea divergențelor în spectrele calculate teoretic și, prin urmare, salvarea fizicii de „catastrofa ultravioletă”.

Pe lângă spectrele de emisie, mai exista un loc neclar în fizică, și anume fenomenul efectului fotoelectric ( cm. EFECT FOTOELECTRIC). Nu era clar de ce energia cinetică a electronilor scoși dintr-un metal de lumină depinde de frecvența luminii. În plus, lumina cu o frecvență suficient de joasă nu este deloc capabilă să provoace efectul fotoelectric. Deoarece frecvența scăzută a luminii corespunde părții roșii a spectrului, acest fenomen se numește marginea roșie a efectului fotoelectric. În 1905, Albert Einstein a folosit ipoteza cuantică pentru a explica efectul fotoelectric. Ideea lui Einstein a fost că fiecare electron primește o singură porțiune de energie - un cuantic. Și dacă energia acestui cuantum este mică, pur și simplu nu este suficient ca electronul să iasă din metal. Pe baza acestei idei, Einstein a dezvoltat teoria efectului fotoelectric, care a fost perfect confirmată de datele experimentale.

Acum se dovedește că lumina este atât emisă, cât și absorbită în porțiuni. Acest lucru l-a determinat pe Einstein să propună că lumina are întotdeauna o structură discretă. Această idee minunată a fost doar o ipoteză: la urma urmei, din faptul că absorbția și emisia luminii are loc în porțiuni, nu rezultă că lumina există doar sub formă de porțiuni. Dar această idee este cea care justifică denumirea de „optică cuantică” și odată cu dezvoltarea opticii cuantice au apărut argumente mai convingătoare în favoarea naturii cuantice a luminii.

Particule sau unde?

La începutul secolului al XX-lea. Cuantele de lumină au început să fie numite fotoni, iar afirmația a devenit curând general acceptată: „Lumina constă din fotoni”. A apărut ideea luminii ca flux de corpusculi, adică particule. Cu toate acestea, fenomenele ondulatorii observate pentru lumină, cum ar fi interferența și difracția, nu au putut fi explicate în ceea ce privește structura corpusculară a luminii. S-a dovedit că lumina, și într-adevăr radiația electromagnetică în general, sunt unde și în același timp un flux de particule ( cm. MECANICA CUANTICĂ). Reconcilierea acestor două puncte de vedere a făcut posibilă dezvoltarea la mijlocul secolului XX. abordare cuantică a descrierii luminii. Din punctul de vedere al acestei abordări, câmpul electromagnetic poate fi într-una dintre diferitele stări cuantice. În acest caz, există o singură clasă distinsă de stări cu un număr dat de fotoni - stări Fock, numite după V.A. Fock. Prin urmare, expresia „lumina constă din fotoni” nu ar trebui luată la propriu - deci, de exemplu, lumina poate fi într-o astfel de stare încât, cu o probabilitate de 99%, nu conține fotoni, iar cu o probabilitate de 1% să conțină doi fotoni. Aceasta este una dintre diferențele dintre un foton și alte particule elementare - de exemplu, numărul de electroni într-un volum limitat este specificat în mod absolut precis și poate fi determinat prin măsurarea sarcinii totale și împărțirea la sarcina unui electron. . Numărul de fotoni aflați într-un anumit volum de spațiu de ceva timp poate fi măsurat cu precizie în cazuri foarte rare, și anume, doar atunci când lumina este în stări Fock. O întreagă secțiune de optică cuantică este dedicată diferitelor metode de preparare a luminii în diferite stări cuantice; în special, pregătirea luminii în stările Fock este o sarcină importantă și nu întotdeauna fezabilă.

Experimentul Brown–Twiss.

Fotoni unici și corelați . Ar putea exista o fizică non-cuantică a luminii? Desigur, da, iar în majoritatea cazurilor fenomenele optice pot fi explicate fără ajutorul teoriei cuantice. Dar există multe cazuri în care acesta nu este cazul și în care este important să se ia în considerare natura cuantică a luminii.

Se crede că primul experiment în optică cuantică este cel al lui Brown și Twiss, realizat în 1956. Brown și Twiss au arătat că dacă lumina din unele surse ar fi direcționată către doi fotodetectori care „clic” atunci când detectează fotonii, receptorii ar face deseori clic simultan. În experiment, Brown și Twiss au folosit radiația de la o lampă cu mercur, iar mai târziu lumina de la o stea. Acest experiment a fost considerat de mult timp a fi o dovadă a naturii fotonice a luminii: la urma urmei, clicul simultan al fotodetectorilor înseamnă că ambii înregistrează porțiuni de lumină care există de fapt și nu fac doar clic aleatoriu din când în când. timp. Cu toate acestea, se dovedește că atunci când se înregistrează lumina de la o lampă cu mercur sau o stea, apar clicuri simultane, în cel mai bun caz, doar de două ori mai des decât s-ar întâmpla cu clicuri aleatorii ale fotodetectorilor. Acest rezultat este pe deplin explicabil în mod clasic și nu dovedește încă structura fotonică a luminii. Cu toate acestea, foarte curând (în anii șaizeci ai secolului al XX-lea) au fost descoperite surse de lumină, care într-un astfel de experiment duc la clicuri strict simultane ale fotodetectorilor. Simultaneitatea unor evenimente în diferite puncte spațiale din fizică este de obicei numită corelație. De exemplu, dacă doi prieteni vorbesc la telefon doar între ei, atunci telefonul lor este mereu ocupat în același timp și putem vorbi despre corelarea apelurilor telefonice din apartamentele lor. În consecință, lumina care face ca doi fotodetectori să facă clic exact simultan poate fi numită lumină corelată cu perechi sau grupare de fotoni. Lumina cu doi fotoni prezintă astfel de proprietăți. Pe de altă parte, există surse de lumină care nu produc niciodată clicuri simultane ale fotodetectorului. O astfel de lumină se numește lumină anti-buncare de fotoni.

Lumină neclasică.

Experimentele de detectare a luminii cu gruparea și antigruparea fotonilor au dovedit într-adevăr structura fotonică a luminii și pot fi considerate experimente „adevărate optice cuantice”. Dar, în ambele cazuri, lumina a fost pregătită în stări cuantice speciale cu un număr dat de fotoni. În experimentele de primul tip a fost înregistrată lumină cu doi fotoni, în experimentele de al doilea tip a fost înregistrată lumină cu un singur foton. Astfel, putem ajunge din nou la concluzia că doar în stări speciale lumina prezintă proprietăți care nu pot fi explicate din pozițiile clasice. Astfel de stări de lumină sunt numite non-clasice.

Lumina cu doi fotoni are o altă proprietate remarcabilă. S-a dovedit că o astfel de lumină poate fi folosită pentru a testa experimental ideea de bază a mecanicii cuantice - ideea comportamentului probabilist al particulelor cuantice individuale ( cm. INEGALITATILE LUI BELL).

Ce stări neclasice ale luminii pot fi pregătite astăzi în laboratoare? Se pare că există foarte puține specii. Fizicienii știu cum să pregătească lumina cu un foton și lumina cu doi fotoni cu un amestec de stare de vid, adică. stări de lumină fără fotoni. Ce înseamnă acest lucru? În cazul luminii cu un singur foton, aceasta înseamnă că chiar și un fotodetector ideal pornit la un moment dat nu va înregistra neapărat fotonul; va face clic doar cu o oarecare probabilitate. (Un fotodetector ideal este un receptor care funcționează cu o probabilitate de 100% dacă există un foton la intrare.) Cu toate acestea, fotodetectorul nu va înregistra niciodată doi fotoni, chiar dacă, în principiu, este capabil să distingă un foton de doi. La fel, nu vor fi înregistrate tripleți de fotoni, cvadrupluri de fotoni etc. În consecință, dacă un fotodetector (sau o pereche de fotodetectoare) detectează un amestec de stări de vid și doi fotoni, clicurile vor apărea numai în perechi, dar în momente aleatorii. Triple, cvadruple de fotoni etc. nici nu va fi înregistrat.

Lumina cu un singur foton poate fi pregătită fără amestecul unei stări de vid - în acest caz, momentele în care trebuie să porniți fotodetectorul vor fi cunoscute cu exactitate și se va face clic cu 100% probabilitate. Dar experimentatorii nu știu să pregătească lumina cu trei fotoni și, cu atât mai mult, cu patru fotoni, chiar și cu un amestec de vid!

Și, în sfârșit, ultimul dintre tipurile „disponibile” de lumină non-clasică este așa-numita lumină comprimată, o astfel de lumină conține doar un număr par de fotoni, iar atunci când este înregistrată, fotodetectoarele pot detecta perechi de fotoni, patru, șase. , etc., dar niciodată tripleți, chinte și alte numere impare de fotoni.

Aplicații ale luminii neclasice.

Lumina neclasică atrage atenția fizicienilor nu doar ca obiect de studiu interesant. Se dovedește a fi foarte util în ceea ce privește diverse aplicații. Astfel, lumina cu doi fotoni este folosită pentru a calibra cu precizie fotodetectoarele. Fiecare fotodetector este imperfect, adică. declanșează cu o probabilitate mai mică de 100%. Această probabilitate se numește eficiența cuantică a fotodetectorului. Calibrarea unui fotodetector este o măsurare a eficienței sale cuantice; Anterior, surse sau receptoare de lumină de referință erau folosite pentru aceasta, iar acest lucru făcea ca măsurarea să nu fie foarte precisă. Cu toate acestea, lumina cu doi fotoni face posibil să se facă fără astfel de standarde. Într-adevăr, dacă două fotodetectoare detectează lumina cu doi fotoni, atunci în mod ideal ar trebui să facă clic întotdeauna simultan. În realitate, numărul de clicuri simultane va fi mai mic decât numărul de clicuri ale oricăruia dintre fotodetectoare. Împărțind numărul de clicuri simultane la numărul de clicuri ale unuia dintre fotodetectoare, putem obține eficiența cuantică a celui de-al doilea fotodetector. În acest caz, nu sunt necesare standarde, iar precizia măsurării poate fi îmbunătățită semnificativ în comparație cu metodele tradiționale.

Lumina comprimată, precum lumina cu doi fotoni, este utilă pentru a efectua măsurători precise. Utilizarea sa face posibilă reducerea erorilor experimentale asociate cu incertitudinea cuantică. Se știe că obiectele cuantice de cele mai multe ori nu au parametri precis specificați; proprietățile lor pot fi numite „unte”, la fel cum poziția lor în spațiu este „untată”. În măsurătorile de înaltă precizie, atunci când erorile experimentale sunt reduse la minimum, această împrăștiere a proprietăților devine o limitare fundamentală a preciziei măsurătorilor. Utilizarea luminii comprimate ocolește această dificultate și reduce neclaritatea în anumite momente.

În cele din urmă, una dintre cele mai recente aplicații ale luminii non-clasice este transmisia secretă a informațiilor (criptografia cuantică). Pentru aceasta, este cel mai convenabil să utilizați lumina cu un singur foton. Ideea criptografiei cuantice este de a transmite informații în fotoni individuali. De exemplu, numerele 0 și 1 sunt codificate prin polarizarea fotonilor: un foton polarizat vertical este notat cu „0”, iar un foton polarizat orizontal este notat cu „1”. O astfel de transmitere de informații va fi secretă, deoarece nu poate fi „auzită”. Orice interceptător poate intercepta doar unii fotoni în întregime - la urma urmei, nu poate despărți o parte dintr-un foton și, astfel, nu poate afla polarizarea acestuia. Dar fotonii interceptați pur și simplu nu vor participa la transmiterea informațiilor, astfel încât informațiile transmise de cuante individuale sunt protejate de interceptări.

Maria Cehova

Secțiune pregătită de Philip Oleinik

OPTICA CANTICA- o ramură a opticii care studiază microstructura câmpurilor luminoase și a fenomenelor optice în procesele de interacțiune a luminii cu materia, în care se manifestă natura cuantică a luminii.

Începutul opticii cuantice a fost pus de M. Planck în 1900. El a introdus o ipoteză care contrazice fundamental ideile fizicii clasice. Planck a sugerat că energia oscilatorului poate lua nu orice, ci valori destul de definite, proporționale cu o anumită porțiune elementară - cuantumul de energie. În acest sens, emisia și absorbția radiației electromagnetice de către un oscilator (substanță) nu se efectuează continuu, ci discret sub formă de cuante individuale, a căror magnitudine este proporțională cu frecvența radiației:

unde coeficientul a fost numit mai târziu constanta lui Planck. Valoare experimentată

Constanta lui Planck este cea mai importantă constantă universală, jucând același rol fundamental în fizica cuantică ca viteza luminii în teoria relativității.

Planck a demonstrat că o formulă pentru densitatea de energie spectrală a radiației termice poate fi obținută numai dacă se presupune cuantizarea energiei. Încercările anterioare de a calcula densitatea de energie spectrală a radiației termice au condus la faptul că în regiunea lungimilor de undă mici, i.e. în partea ultravioletă a spectrului, au apărut valori nelimitat de mari ale divergenței. Desigur, nu au fost observate discrepanțe în experiment, iar această discrepanță între teorie și experiment a fost numită „catastrofa ultravioletă”. Presupunerea că emisia de lumină are loc în porțiuni a făcut posibilă eliminarea divergențelor din spectrele calculate teoretic și, prin urmare, scăparea de „catastrofa ultravioletă”.

În secolul al XX-lea A apărut ideea luminii ca flux de corpusculi, adică particule. Cu toate acestea, fenomenele ondulatorii observate pentru lumină, cum ar fi interferența și difracția, nu au putut fi explicate în termeni de natura corpusculară a luminii. S-a dovedit că lumina și, într-adevăr, radiația electromagnetică în general, sunt unde și, în același timp, un flux de particule. Combinarea acestor două puncte de vedere a făcut posibilă dezvoltarea la mijlocul secolului XX. abordare cuantică a descrierii luminii. Din punctul de vedere al acestei abordări, câmpul electromagnetic poate fi într-una dintre diferitele stări cuantice. Mai mult, există o singură clasă distinsă de stări cu un număr precis de fotoni - stările Fock, numite după V.A. Fock. În stările Fock, numărul de fotoni este fix și poate fi măsurat cu o precizie arbitrar de mare. În alte state, măsurarea numărului de fotoni va da întotdeauna o oarecare împrăștiere. Prin urmare, expresia „lumina este făcută din fotoni” nu ar trebui luată la propriu - deci, de exemplu, lumina poate fi într-o astfel de stare încât să existe o probabilitate de 99% să nu conțină fotoni și o probabilitate de 1% să conțină. doi fotoni. Aceasta este una dintre diferențele dintre un foton și alte particule elementare - de exemplu, numărul de electroni dintr-un volum limitat este specificat cu absolut exactitate și poate fi determinat prin măsurarea sarcinii totale și împărțirea la sarcina unui electron. Numărul de fotoni aflați într-un anumit volum de spațiu de ceva timp poate fi măsurat cu precizie în cazuri foarte rare, și anume, doar atunci când lumina este în stări Fock. O întreagă secțiune de optică cuantică este dedicată diferitelor metode de preparare a luminii în diferite stări cuantice; în special, pregătirea luminii în stările Fock este o sarcină importantă și nu întotdeauna fezabilă.

Ușoară- radiatii electromagnetice cu proprietati ondulatorii si cuantice.

Cuantic– particulă (corpuscul).

Proprietățile valurilor.

Lumina este o undă electromagnetică transversală ().

, E 0 , H 0 - valorile amplitudinii,
- cerc. Ciclu. frecvență,
- frecvență. Fig.1.

V – viteza Distributie valuri într-un mediu dat. V=C/n, unde C este viteza luminii (în vid C=3*10 8 m/s), n este indicele de refracție al mediului (depinde de proprietățile mediului).

, - constanta dielectrica, - permeabilitatea magnetică.

- faza valului.

Senzația de lumină se datorează componentei electromagnetice a undei ( ).

- lungime de undă, egală cu calea parcursă de undă în timpul perioadei (
;
).

Gama de lumină vizibilă: =0,40,75 microni.

;

4000 - scurt (violet); 7500 – lung (roșu).

Proprietățile cuantice ale luminii.

Din punctul de vedere al teoriei cuantice, lumina este emisă, propagată și absorbită în porțiuni separate - cuante.

Caracteristicile fotonului.

1. Liturghie.
; m 0 - masa de repaus.

Dacă m 0 0 (foton), apoi pentru că V=C,m= - prostii, prin urmare m 0 =0 este un foton în mișcare. Prin urmare, lumina nu poate fi oprită.

Prin urmare, masa fotonului trebuie calculată din formula relativistă pentru energie. E=mC2, m=E/C2.

2. Energia fotonului.E=mC 2 .

În 1900, Max Planck, un fizician german, a derivat următoarea formulă pentru energia fotonului:
.

h=6,62*10 -34 J*s- Constanta lui Planck.

3. Impuls.

p=mV=mC=mC2 /C=E/C=h/
; caracteristica p a particulei, - caracteristicile valului.

Optica ondulata. Interferență – redistribuire. Lumină în spațiu.

Suprapunerea undelor de lumină, ca urmare a căreia intensitatea luminii crește în unele locuri din spațiu și slăbește în altele. Adică există o redistribuire a intensității luminii în spațiu.

Condiția de observare a interferenței este coerența undelor luminoase (unde care satisfac condiția: -unde monocromatice;
– faza undei este constantă într-un punct dat din spațiu în timp).

CALCULUL MODELE DE INTERFERENȚĂ.

Sursele sunt unde coerente. ; * - exact sursă.

Dună întunecată și deschisă.

1. Dacă l~d, atunci
poza nu se distinge, prin urmare, pentru a vedea ceva, ai nevoie 2. l<.

În punctul M, două unde coerente se suprapun.

, d1,d2 - metri parcurși de valuri; -diferența de fază.

Mai întunecat/mai deschis - intensitate.
(proporţional).

Dacă undele nu sunt coerente:
(valoarea medie a perioadei).

(suprapunere, impunere).

Dacă – coerent:
;

;
-apare interferenta luminii (redistribuirea luminii).

; Dacă
(diferența de cale a undei optice);indicele n-refracție; (d2-d1)-diferența geometrică în calea undei; -lungimea de unda (calea pe care o parcurge valul intr-o perioada).

- formula de bază a interferenţei.

În funcție de drum , vin cu diferite . Ires depinde de acesta din urmă.

1. eures.max.

Această condiție maxim interferența luminii, deoarece în acest caz undele ajung în aceeași fază și, prin urmare, se întăresc reciproc.

n-factor de multiplicitate; - înseamnă că modelul de interferență este simetric față de centrul ecranului.

Dacă fazele coincid, atunci amplitudinile nu depind de faze.

- De asemenea, condiția maximă.

2 . eures.min.

; k=0,1,2...;
.

- Această condiție minim, deoarece în acest caz, undele ajung în antifază și se anulează reciproc.

Metode de producere a undelor coerente.

Principiul primirii.

Pentru a obține unde coerente, este necesar să luați o sursă și să împărțiți unda luminoasă care vine din ea în două părți, care sunt apoi forțate să se întâlnească. Aceste valuri vor fi coerente, pentru că va aparține aceluiași moment de radiație, așadar. .

Fenomenele folosite pentru a împărți o undă luminoasă în două.

1. Fenomen reflexii de lumină(Oglinzi cu mărgele Fresnel). Fig.4.

2 . Fenomen refracția luminii(biprismă Fresnel). Fig.5.

3 . Fenomen difracția luminii.

Aceasta este abaterea luminii de la propagarea rectilinie atunci când lumina trece prin găuri mici sau în apropierea obstacolelor opace, dacă dimensiunile lor (ambele) d sunt proporționale cu lungimea de undă. (d~ ). Că: Fig.6. - Instalarea lui Jung.

În toate aceste cazuri, sursa reală de lumină a fost una punctuală. În viața reală, lumina poate fi extinsă - o secțiune a cerului.

4.
, n este indicele de refracție al filmului.

Există două cazuri posibile:

H=const, atunci
. În acest caz, modelul de interferență se numește franjuri cu pantă egală.

H const. Un fascicul paralel de raze cade.
.
- benzi de grosime egala.

Instalarea inelului lui Newton.

Este necesar să se ia în considerare modelul de interferență în lumina reflectată și refractată.

Definiția 1

Optica cuantică este o ramură a opticii a cărei sarcină principală este studiul fenomenelor în care se pot manifesta proprietățile cuantice ale luminii.

Astfel de fenomene pot fi:

efect fotoelectric;
Radiație termala;
efect Raman;
efect Compton;
emisie stimulată etc.

Fundamentele opticii cuantice

Spre deosebire de optica clasică, optica cuantică reprezintă o teorie mai generală. Principala problemă pe care o abordează este de a descrie interacțiunea luminii cu materia, ținând cont în același timp de natura cuantică a obiectelor. Optica cuantică se ocupă și de descrierea procesului de propagare a luminii în condiții speciale (specifice).

O soluție mai precisă la astfel de probleme necesită o descriere atât a materiei (inclusiv a mediului de propagare) cât și a luminii exclusiv din poziția existenței cuantelor. În același timp, oamenii de știință simplifică adesea sarcina atunci când o descriu atunci când una dintre componentele sistemului (de exemplu, o substanță) este descrisă în formatul unui obiect clasic.

Adesea, în calcule, de exemplu, doar starea mediului activ este cuantificată, în timp ce rezonatorul este considerat clasic. Cu toate acestea, dacă lungimea sa este cu un ordin de mărime mai mare decât lungimea de undă, nu mai poate fi considerată clasică. Comportamentul unui atom excitat plasat într-un astfel de rezonator va fi mai complex.

Sarcinile opticii cuantice au ca scop studierea proprietăților corpusculare ale luminii (adică fotonii și particulele corpusculare). Conform ipotezei lui M. Planck despre proprietățile luminii, propusă în 1901, aceasta este absorbită și emisă doar în porțiuni separate (fotoni, cuante). O cuantică reprezintă o particulă materială cu o anumită masă $m_ф$, energie $E$ și impuls $p_ф$. Apoi se scrie formula:

Unde $h$ reprezintă constanta lui Planck.

$v=\frac(c)(\lambda)$

Unde $\lambda$ este frecvența luminii

$c$ va fi viteza luminii în vid.

Principalele fenomene optice explicate de teoria cuantică includ presiunea luminii și efectul fotoelectric.

Efectul fotoelectric și presiunea luminii în optica cuantică

Definiția 2

Efectul fotoelectric este un fenomen de interacțiuni între fotonii luminii și materiei, în care energia radiației va fi transferată către electronii substanței. Există astfel de tipuri de efecte fotoelectrice precum intern, extern și supapă.

Efectul fotoelectric extern se caracterizează prin eliberarea de electroni din metal în momentul iradierii acestuia cu lumină (la o anumită frecvență). Teoria cuantică a efectului fotoelectric afirmă că fiecare act de absorbție a unui foton de către un electron are loc independent de celelalte.

O creștere a intensității radiației este însoțită de o creștere a numărului de fotoni incidenti și absorbiți. Când energia este absorbită de o substanță cu frecvența $ν$, fiecare dintre electroni se dovedește a fi capabil să absoarbă doar un foton, în timp ce ia energie din acesta.

Einstein, aplicând legea conservării energiei, și-a propus ecuația pentru efectul fotoelectric extern (o expresie a legii conservării energiei):

$hv=A_(out)+\frac(mv^2)(2)$

$A_(out)$ este funcția de lucru a unui electron care părăsește metalul.

Energia cinetică a electronului emis se obține prin formula:

$E_k=\frac(mv^2)(2)$

Din ecuația lui Einstein rezultă că dacă $E_k=0$, atunci este posibil să se obțină frecvența foarte minimă (limita roșie a efectului fotoelectric) la care va fi posibil:

$v_0 = \frac (A_(out)) h$

Presiunea luminii se explică prin faptul că, ca particule, fotonii au un anumit impuls, pe care îl transferă corpului prin procesul de absorbție și reflexie:

Un astfel de fenomen precum presiunea ușoară este explicat și de teoria undelor, conform căreia (dacă ne referim la ipoteza lui de Broglie), orice particulă are și proprietăți de undă. Relația dintre impulsul $P$ și lungimea de undă $\lambda$ este prezentată de ecuația:

$P=\frac(h)(\lambda)$

Efectul Compton

Nota 1

Efectul Compton este caracterizat de împrăștierea incoerentă a fotonilor de către electronii liberi. Însuși conceptul de incoerență înseamnă neinterferența fotonilor înainte și după împrăștiere. Efectul modifică frecvența fotonilor și, după împrăștiere, electronii primesc o parte din energie.

Efectul Compton oferă dovezi experimentale ale manifestării proprietăților corpusculare ale luminii ca flux de particule (fotoni). Fenomenele efectului Compton și efectul fotoelectric sunt o dovadă importantă a conceptelor cuantice de lumină. În același timp, fenomene precum difracția, interferența și polarizarea luminii confirmă natura ondulatorie a luminii.

Efectul Compton reprezintă una dintre dovezile dualității undă-particulă a microparticulelor. Legea conservării energiei se scrie după cum urmează:

$m_ec^2+\frac(hc)(\lambda)=\frac(hc)(\lambda)+\frac(m_ec^2)(scrt(1-\frac(v^2)(c^2)) )$

Efectul Compton invers reprezintă o creștere a frecvenței luminii atunci când este împrăștiată de electroni relativiști cu energie mai mare decât fotonul. În această interacțiune, energia este transferată fotonului de la electron. Energia fotonilor împrăștiați este determinată de expresia:

$e_1=\frac(4)(3)e_0\frac(K)(m_ec^2)$

Unde $e_1$ și $e_0$ sunt energiile fotonilor împrăștiați și, respectiv, incidente, și $k$ este energia cinetică a electronului.