Drita nga pikëpamja e optikës kuantike. Optika

OPTIKA KUANTUME

Një degë e optikës statistikore që studion mikrostrukturën e fushave të dritës dhe fushave optike. dukuri në të cilat një kuantike është e dukshme. natyra e dritës. Ideja e kuantit. struktura e rrezatimit është futur në gjermanisht. fizikani M. Planck në vitin 1900.

Statistikore struktura e ndërhyrjes fushat u vëzhguan për herë të parë nga S.I. Vavilov (1934), dhe ai gjithashtu propozoi termin "mikrostrukturë e dritës".

Drita është një fizik kompleks. një objekt gjendja e të cilit përcaktohet nga një numër i pafund parametrash. Kjo vlen edhe për rrezatimin monokromatik, i cili është klasik. përshkrimi karakterizohet plotësisht nga amplituda, frekuenca, faza dhe polarizimi. Problemi i përcaktimit të plotë të fushës së dritës nuk mund të zgjidhet për shkak të vështirësive të pakapërcyeshme teknike. vështirësi që lidhen me një numër të pafund matjesh të parametrave të fushës. Shtesë Kuanti kontribuon ndjeshëm në kompleksitetin e zgjidhjes së këtij problemi. karakteri i matjeve, pasi ato shoqërohen me regjistrimin e fotoneve nga fotodetektorët.

Përparimet në fizikën lazer dhe përmirësimet në teknologjinë për regjistrimin e flukseve të dobëta të dritës përcaktuan zhvillimin dhe detyrat e vizionit lazer. Burimet e dritës Dolaser sipas statistikave të tyre. St. ju jeni të të njëjtit lloj si gjeneratorët e zhurmës që kanë një Gaussian. Gjendja e fushave të tyre përcaktohet pothuajse plotësisht nga forma e spektrit të rrezatimit dhe intensiteti i tij. Me ardhjen e kuantit. gjeneratorë dhe kuantikë. amplifikatorët K. o. mori në dispozicion një gamë të gjerë burimesh me të dhëna statistikore shumë të larmishme, përfshirë jo gausiane. har-kami.

Karakteristika më e thjeshtë e fushës është kf. intensiteti. Një karakterizim më i plotë i shpërndarjes hapësinore-kohore të intensitetit të fushës, i përcaktuar nga eksperimentet për regjistrimin e fotoneve me kalimin e kohës me një detektor. Studimet kuantike ofrojnë informacion edhe më të plotë për gjendjen e fushës. zbërthimi i tij sasi që mund të përcaktohen pjesërisht nga eksperimentet mbi regjistrimin e përbashkët të fotoneve në një fushë prej disa. marrës, ose në studimin e proceseve multifotone në impiant.

Qendra. koncepte në teorinë kuantike që përcaktojnë gjendjen e fushës dhe pamjen e luhatjeve, dukurive të saj. të ashtuquajturat funksionet e korrelacionit ose korrelatorët e fushës. Ato përkufizohen si mekanike kuantike. mesataret e operatorëve të fushës (shih TEORINË E FUSHËS KUANTUME). Shkalla e kompleksitetit të korrelatorëve përcakton gradën, dhe sa më e lartë të jetë, aq më delikate janë të dhënat statistikore. Fushat e shenjta karakterizohen prej saj. Në veçanti, këto funksione përcaktojnë modelin e regjistrimit të përbashkët të fotoneve me kalimin e kohës nga një numër arbitrar detektorësh. Funksionet e korrelacionit luajnë një rol të rëndësishëm në optikën jolineare. Sa më e lartë të jetë shkalla e jolinearitetit optik. proces, aq më i lartë korrelatorët e rangut nevojiten për ta përshkruar atë. Me rëndësi të veçantë në K. o. ka konceptin e koherencës kuantike. Ka fusha të pjesshme dhe të plota. Një valë plotësisht koherente në efektin e saj në sisteme është sa më e ngjashme me atë klasike. monokromatike valë. Kjo do të thotë se kuantike. luhatjet e fushës koherente janë minimale. Rrezatimi i lazerëve me një brez të ngushtë spektral është afër plotësisht koherent në karakteristikat e tij.

Hulumtim korrelativ. funksionet e rendit më të lartë ju lejon të studioni fizikë. në sistemet emetuese (për shembull, në lazer). Metodat e K. o. bëjnë të mundur përcaktimin e detajeve të intermolit. përgjegjës për ndryshimet në statistikat e numërimit të fotove kur drita shpërndahet në një medium.

Fjalor enciklopedik fizik. - M.: Enciklopedia Sovjetike. . 1983 .

OPTIKA KUANTUME

Dega e optikës që studion statistikat. vetitë e fushave të dritës dhe manifestimi kuantik i këtyre vetive në proceset e bashkëveprimit të dritës me lëndën. Ideja e strukturës kuantike të rrezatimit u prezantua nga M. Planck në vitin 1900. Një fushë e lehtë, si çdo fushë fizike. fusha, për shkak të natyrës së saj kuantike, është një objekt statistikor, pra gjendja e saj përcaktohet në kuptimin probabilistik. Që nga vitet '60 filloi studimi intensiv i statistikave. shpërndarja.) Më tej, procesi kuantik i prodhimit spontan të fotoneve është një burim i pakalueshëm i luhatjeve të rëndësishme të fushave të studiuara nga kozmosi; më në fund, regjistrimi i dritës nga vetë fotodetektorët - fotollogaritjet - është një kuantik diskret. zhurma e gjeneratorëve të rrezatimit, në mjedis etj., optika jolineare; nga njëra anë, në optikën jolineare. proceseve, ndodh një ndryshim statistikor. vetitë e fushës së dritës, nga ana tjetër, statistikat e fushës ndikojnë në rrjedhën e proceseve jolineare. funksionet e korrelacionit, ose korrelatorët e fushës. Ato përkufizohen si mekanike kuantike. mesataret nga operatorët në terren (shih gjithashtu Teoria kuantike e fushës). Karakteristikat më të thjeshta të një fushe janë të saj dhe kf. intensiteti. Këto karakteristika janë gjetur nga eksperimentet, për shembull, intensiteti i dritës - duke matur shkallën e fotoemetimit të elektroneve në një fotoshumëzues. Teorikisht, këto sasi përshkruhen (pa marrë parasysh polarizimin e fushës) nga një korrelator i fushës në të cilin - Komponentët e konjuguar hermitian të operatorit elektrik. fusha
në një pikë hapësirë-kohore x=(r,t). Operatori shprehur nëpërmjet - operatori i shkatërrimit (shih Kuantizimi dytësor) foton " k"fusha e modës Uk (r):

Prandaj, ajo shprehet përmes operatorit të lindjes Sign< . . . >tregon mesataren kuantike mbi gjendjet e fushës, dhe nëse konsiderohet me materie, atëherë edhe mbi gjendjet e materies. informacioni për gjendjen e fushës gjendet në korrelator G 1,1 (x 1 , x 2). Në përgjithësi, një përcaktim i detajuar i gjendjes së fushës kërkon njohuri të korrelacionit. funksionet e gradave (gradave) më të larta. Forma standarde e korrelatorëve, për shkak të lidhjes së saj me regjistrimin e përthithjes së fotonit, pranohet si rregullisht:

kjo eshte e gjitha P operatorët e krijimit janë në të majtë të të gjithë operatorëve të asgjësimit Rendi i korrelatorit është i barabartë me shumën n+mËshtë praktikisht e mundur të studiohen korrelatorët e rendit të ulët. Më shpesh ky është një korrelator G 2,2 (X 1 , X 2 ;X 2 , X 1), që karakterizon luhatjet e intensitetit të rrezatimit, konstatohet nga eksperimentet në numërimin e përbashkët të fotoneve nga dy detektorë. Korrelatori përcaktohet në mënyrë të ngjashme Gn,n(x 1 ,. . .x fq;x p,. ..x 1) nga regjistrimi i numërimit të fotoneve P marrës ose nga të dhënat n-thithja e fotonit. G n,m s P№T e mundur vetëm në optikën jolineare. eksperimente. Në matjet stacionare, kushti për pandryshueshmërinë e korrelatorit Gn, m në kohë kërkon përmbushjen e ligjit të ruajtjes së energjisë:

ku w 6 janë respektivisht frekuencat harmonike të operatorëve. Veçanërisht, G 2, l gjenden nga modeli hapësinor i ndërhyrjes së ndërveprimit me tre valë në procesin e shkatërrimit të njërës dhe krijimit të dy kuanteve (shih. Ndërveprimi i valëve të dritës). Nga korrelatorët jostacionar, ai me interes të veçantë është G 0,1 (x), përcaktimi i fuqisë së fushës kuantike. Madhësia | G 0,1 (x)| 2 jep vlerën e intensitetit të fushës vetëm në spec. raste, veçanërisht për fusha koherente. p(n,T) - probabiliteti i zbatimit saktësisht P fotollogaritjet në një interval kohor T. Kjo karakteristikë përmban informacione të fshehura për korrelatorët e porosive arbitrare të larta. Zbulimi i informacionit të fshehur, në veçanti përcaktimi i shpërndarjes së intensitetit të rrezatimit nga një burim, është subjekt i të ashtuquajturit. problemi i anasjelltë i numërimit të fotoneve në kozmos. Numërimi i fotoneve është një eksperiment që ka një natyrë thelbësisht kuantike, e cila manifestohet qartë kur intensiteti I fusha e regjistruar nuk luhatet. Edhe në këtë rast, ajo shkaktohet nga një sekuencë përkohësisht e rastësishme e numërimit të fotografive me Shpërndarja Poisson

ku b është karakteristika e ndjeshmërisë së fotodetektorit, i ashtuquajturi. efektivitetin e saj. Kuptimi g(x 1 ,X 2) priret në 1 pasi pikat hapësirë-kohë janë të ndara X 1 dhe X 2, që korrespondon me statistikat pavarësia e fotollogaritjeve në to. Kur kombinohen pikat x 1 =x 2 =x dallimi g (x, X) nga nje ( g- 1) karakterizon nivelin e luhatjes së intensitetit të rrezatimit dhe manifestohet në ndryshimin në numrin e rastësive të fotollogaritjeve të marra gjatë regjistrimit të tyre të njëkohshëm dhe të pavarur nga dy detektorë. Luhatjet në intensitetin e një fushe me një modalitet karakterizohen nga madhësia

ku është e përshtatshme për të kryer mesataren mbi shtetet | n> (shih Vektori i gjendjes) Me matrica e densitetit

në një prerje R p - probabiliteti i realizimit të mënyrës fushore në gjendjen me P fotone. Për rrezatimin termik probabiliteti R f dhënë Bose- Statistikat e Ajnshtajnit:

ku kf. numri i fotoneve në modalitet Kjo është një fushë shumë luhatëse, për të cilën g= 2. Karakterizohet pozitivisht. korrelacioni g- 1>0 në regjistrimin e njëkohshëm të dy fotoneve. Raste të tilla të luhatjeve të intensitetit, kur g> 1, thirrur në të. grupimi i fotoneve. g-1=0 paraqesin fushat që ndodhen në të ashtuquajturat. gjendje koherente, uk-rykh Kjo e ndarë posaçërisht në K. o. gjenerohet një klasë fushash me intensitet jo luhatës, për shembull, nga ngarkesat elektrike që lëvizin në mënyrë klasike. Fushat koherente max. janë përshkruar thjesht në të ashtuquajturat. R(a)-Përfaqësimi i Glauber (shih Koherenca kuantike). Në këtë këndvështrim

Ku

Shprehja (**) mund të konsiderohet si korresponduese me klasiken. shprehje për g, në Krom R(a) konsiderohet të jetë funksioni i shpërndarjes së amplitudave komplekse një klasik. fusha dhe për të cilat gjithmonë P(a)>0. Kjo e fundit çon në gjendjen g>1, d.m.th. tek mundësia në klasiken Vetëm grupimi i fushave. Kjo shpjegohet me faktin se luhatjet në intensitetin e klasike fushat në të njëjtën kohë shkaktojnë të njëjtin ndryshim në numërimin e fotove në të dy fotodetektorët.

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

d-funksioni dydimensional në rrafshin kompleks a. Klasike termike fushat karakterizohen nga pozitive f-tion (që përshkruan grupimin në to). Për fushat kuantike R(a) është një funksion real, por në domenin e fundëm të argumentit a mund të jetë negativ. kuptimi, atëherë paraqet të ashtuquajturin. kuazi probabilitete. Statistikat e numërimit të fotografive për fushat me një numër të saktë të specifikuar N>1 fotone në modë P n = d nN(d nN - Simboli i Kronecker) është në thelb jo klasike. Për këtë gjendje g = 1 - 1/N, që i përgjigjet negative. korrelacionet: 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., Koherenca optike dhe statistikat e fotoneve, në librin: Optika kuantike dhe radiofizika kuantike, përkth. nga anglishtja dhe French, M., 1966; Klauder J., Sudarshan E., Fundamentals of Quantum Optics, trans. nga anglishtja, M.. 1970; Perina Ya., Koherenca e dritës, përkth. nga anglishtja, M., 1974; Spektroskopia e përzierjes optike dhe fotoneve, ed. G, Cummins, E. Pike, përkth. nga anglishtja, M., 1978; Klyshko D.N., Fotony i, M., 1980; Crosignani B., Di Porto P., Bertolotti M., Vetitë statistikore të dritës së shpërndarë, përkth. nga anglishtja, M., 1980. S.G. Przhibelsky.

Enciklopedia fizike. Në 5 vëllime. - M.: Enciklopedia Sovjetike. Kryeredaktori A. M. Prokhorov. 1988 .

Shihni se çfarë është "QUANTUM OPTICS" në fjalorë të tjerë:

Një degë e optikës që studion vetitë statistikore të fushave të dritës (flukset fotonike) dhe manifestimet kuantike të këtyre vetive në proceset e bashkëveprimit të dritës me lëndën... Fjalori i madh enciklopedik

OPTIKA KUANTUME- një degë e fizikës teorike që studion mikrostrukturën e fushave të dritës dhe fenomeneve optike që konfirmojnë natyrën kuantike të dritës... Enciklopedia e Madhe Politeknike

Optika kuantike është degë e optikës që merret me studimin e dukurive në të cilat manifestohen vetitë kuantike të dritës. Këto dukuri përfshijnë: rrezatimi termik, efekti fotoelektrik, efekti Compton, efekti Raman, proceset fotokimike, ... ... Wikipedia

optika kuantike- kvantinė optika statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. optikë kuantike vok. Kuantenoptik, f rus. optikë kuantike, f pranc. optique quantique, f … Fizikos terminų žodynas

Dega e optikës që studion statistikat. vetitë e fushave të dritës (rrjedhjet e fotonit) dhe manifestimet kuantike të këtyre vetive në proceset e bashkëveprimit të dritës me lëndën... Shkenca natyrore. fjalor enciklopedik

Ajo ka nënseksionet e mëposhtme (lista është e paplotë): Mekanika kuantike Teoria kuantike algjebrike Teoria kuantike e fushës Elektrodinamika kuantike Kromodinamika kuantike Termodinamika kuantike Graviteti kuantik Teoria e superstringut Shih gjithashtu... ... Wikipedia

Përmbajtja e artikullit

OPTIKA KUANTUME– një degë e optikës që studion vetitë kuantike të dritës. Mund të themi se optika kuantike është fizika kuantike e dritës. Interesi për optikën kuantike u shfaq në gjysmën e parë të shekullit të 20-të, por kjo fushë e shkencës mori një zhvillim veçanërisht intensiv në fund të shekullit të 20-të, kur fizikanët mësuan të përgatisin gjendje të veçanta të dritës - të ashtuquajturat jo-klasike. dritë. Tani drita jo klasike përdoret me sukses në metrologji, spektroskopi dhe përdoret për matje të sakta, si dhe për transmetim sekret të informacionit. Për më tepër, qasjet dhe metodat e optikës kuantike mund të plotësojnë ndjeshëm informacionin e dhënë nga matje të ndryshme që lidhen me emetimin dhe thithjen e dritës.

Kuanta.

Ishte për dritën, dhe më saktë, për fushën elektromagnetike, që u propozua për herë të parë ideja e një përshkrimi kuantik. Kjo ide u parashtrua në vitin 1900 nga Max Planck, i cili sugjeroi që emetimi i dritës ndodh në pjesë - kuante. Ky supozim u duk paradoksal për shumë njerëz, por u bë jetëshpëtues për të gjithë degën e optikës. Ai bëri të mundur shpjegimin e formës së spektrit të rrezatimit të trupave të nxehtë, e cila nuk mund të shpjegohej më parë. Përpjekjet e mëparshme për të llogaritur spektrin e emetimit çuan në faktin se në rajonin e gjatësive të valëve të vogla, d.m.th. në pjesën ultravjollcë të spektrit, u shfaqën vlera të pakufizuara të mëdha divergjence. Natyrisht, në eksperiment nuk u vunë re mospërputhje dhe kjo mospërputhje midis teorisë dhe eksperimentit u quajt "katastrofa ultravjollcë". Supozimi se emetimi i dritës ndodh në pjesë bëri të mundur heqjen e divergjencave në spektrat e llogaritur teorikisht dhe, në këtë mënyrë, të shpëtojë fizikën nga "katastrofa ultravjollcë".

Përveç spektrave të emetimit, kishte ende një vend të paqartë në fizikë, domethënë fenomeni i efektit fotoelektrik ( cm. EFEKTI FOTOELEKTRIK). Ishte e paqartë pse energjia kinetike e elektroneve të rrëzuara nga një metal nga drita varet nga frekuenca e dritës. Për më tepër, drita me një frekuencë mjaft të ulët nuk është fare në gjendje të shkaktojë efektin fotoelektrik. Meqenëse frekuenca e ulët e dritës korrespondon me pjesën e kuqe të spektrit, ky fenomen quhet skaji i kuq i efektit fotoelektrik. Në vitin 1905, Albert Ajnshtajni përdori hipotezën kuantike për të shpjeguar efektin fotoelektrik. Ideja e Ajnshtajnit ishte se çdo elektron merr një pjesë të vetme të energjisë - një kuantike. Dhe nëse energjia e këtij kuanti është e vogël, thjesht nuk mjafton që elektroni të dalë nga metali. Bazuar në këtë ide, Ajnshtajni zhvilloi teorinë e efektit fotoelektrik, e cila u konfirmua në mënyrë të përkryer nga të dhënat eksperimentale.

Tani rezulton se drita emetohet dhe absorbohet në pjesë. Kjo bëri që Ajnshtajni të propozonte se drita ka gjithmonë një strukturë diskrete. Kjo ide e mrekullueshme ishte vetëm një hipotezë: në fund të fundit, nga fakti që thithja dhe emetimi i dritës ndodh në pjesë, nuk rezulton se drita ekziston vetëm në formën e pjesëve. Por është kjo ide që justifikon emrin "optikë kuantike", dhe ishte me zhvillimin e optikës kuantike që u shfaqën argumente më bindëse në favor të natyrës kuantike të dritës.

Grimca apo valë?

Në fillim të shekullit të 20-të. Kuantet e dritës filluan të quheshin fotone, dhe thënia shpejt u pranua përgjithësisht: "Drita përbëhet nga fotone". U shfaq ideja e dritës si një rrjedhë trupash, domethënë grimcave. Megjithatë, dukuritë valore të vëzhguara për dritën, si ndërhyrja dhe difraksioni, nuk mund të shpjegoheshin në termat e strukturës korpuskulare të dritës. Doli që drita, dhe në të vërtetë rrezatimi elektromagnetik në përgjithësi, janë valë dhe në të njëjtën kohë një rrjedhë grimcash ( cm. MEKANIKA KUANTIKE). Pajtimi i këtyre dy këndvështrimeve bëri të mundur zhvillimin në mesin e shekullit të 20-të. qasje kuantike për përshkrimin e dritës. Nga pikëpamja e kësaj qasjeje, fusha elektromagnetike mund të jetë në një nga gjendjet e ndryshme kuantike. Në këtë rast, ekziston vetëm një klasë e dalluar e gjendjeve me një numër të caktuar fotonesh - gjendjet Fock, të emërtuara pas V.A. Fock. Prandaj, shprehja "drita përbëhet nga fotone" nuk duhet të merret fjalë për fjalë - kështu, për shembull, drita mund të jetë në një gjendje të tillë që me një probabilitet 99% të mos përmbajë fotone, dhe me një probabilitet 1% të përmbajë dy fotone. Ky është një nga ndryshimet midis një fotoni dhe grimcave të tjera elementare - për shembull, numri i elektroneve në një vëllim të kufizuar specifikohet absolutisht saktësisht, dhe mund të përcaktohet duke matur ngarkesën totale dhe duke e ndarë me ngarkesën e një elektroni. . Numri i fotoneve të vendosura në një vëllim të caktuar të hapësirës për ca kohë mund të matet me saktësi në raste shumë të rralla, domethënë, vetëm kur drita është në gjendjen Fock. Një pjesë e tërë e optikës kuantike i kushtohet metodave të ndryshme të përgatitjes së dritës në gjendje të ndryshme kuantike; në veçanti, përgatitja e dritës në gjendjet Fock është një detyrë e rëndësishme dhe jo gjithmonë e realizueshme.

Eksperimenti Brown-Twiss.

Fotonet e vetme dhe të ndërlidhura . A mund të ketë fizikë jo kuantike të dritës? Sigurisht, po, dhe në shumicën e rasteve dukuritë optike mund të shpjegohen pa ndihmën e teorisë kuantike. Por ka shumë raste kur nuk është kështu dhe ku është e rëndësishme të merret parasysh natyra kuantike e dritës.

Eksperimenti i parë në optikën kuantike besohet të jetë ai i Brown dhe Twiss, i kryer në vitin 1956. Brown dhe Twiss treguan se nëse drita nga disa burime drejtohej në dy fotodetektorë që "klikonin" kur zbulonin fotonet, marrësit shpesh do të klikonin njëkohësisht. Në eksperiment, Brown dhe Twiss përdorën rrezatim nga një llambë merkuri, dhe më vonë dritën nga një yll. Ky eksperiment u konsiderua për një kohë mjaft të gjatë si provë e natyrës fotonike të dritës: në fund të fundit, klikimi i njëkohshëm i fotodetektorëve do të thotë që të dy regjistrojnë pjesë të dritës që ekzistojnë në të vërtetë dhe jo thjesht klikojnë rastësisht herë pas here. koha. Sidoqoftë, rezulton se kur regjistrohet drita nga një llambë merkuri ose një yll, klikimet e njëkohshme ndodhin, në rastin më të mirë, vetëm dy herë më shpesh sesa do të ndodhnin me klikimet e rastësishme të fotodetektorëve. Ky rezultat është plotësisht i shpjegueshëm në mënyrë klasike dhe nuk vërteton ende strukturën fotonike të dritës. Sidoqoftë, shumë shpejt (në vitet gjashtëdhjetë të shekullit të 20-të) u zbuluan burime drite, të cilat në një eksperiment të tillë çojnë në klikime rreptësisht të njëkohshme të fotodetektorëve. Njëkohësia e disa ngjarjeve në pika të ndryshme hapësinore në fizikë zakonisht quhet korrelacion. Për shembull, nëse dy miq flasin në telefon vetëm me njëri-tjetrin, atëherë telefoni i tyre është gjithmonë i zënë në të njëjtën kohë dhe mund të flasim për korrelacionin e telefonatave në apartamentet e tyre. Prandaj, drita që bën që dy fotodetektorë të klikojnë saktësisht njëkohësisht mund të quhet dritë e ndërlidhur me çifte ose grupim foton. Drita me dy foton shfaq veti të tilla. Nga ana tjetër, ka burime drite që nuk prodhojnë kurrë klikime të njëkohshme të fotodetektorit. Një dritë e tillë quhet dritë kundër grumbullimit të fotonit.

Dritë jo klasike.

Eksperimentet për zbulimin e dritës me grumbullimin dhe antigrumbullimin e fotoneve kanë vërtetuar me të vërtetë strukturën fotonike të dritës dhe ato mund të konsiderohen eksperimente "optike kuantike të vërteta". Por në të dyja rastet, drita u përgatit në gjendje të veçanta kuantike me një numër të caktuar fotonesh. Në eksperimentet e llojit të parë u regjistrua drita me dy foton, në eksperimentet e tipit të dytë u regjistrua drita me një foton. Kështu, mund të arrijmë përsëri në përfundimin se vetëm në gjendje të veçanta drita shfaq veti që nuk mund të shpjegohen nga pozicionet klasike. Gjendje të tilla drite quhen jo klasike.

Drita me dy foton ka një veçori tjetër të jashtëzakonshme. Doli se një dritë e tillë mund të përdoret për të testuar eksperimentalisht idenë themelore të mekanikës kuantike - idenë e sjelljes probabiliste të grimcave kuantike individuale ( cm. PABARAZITË E BELL).

Cilat gjendje jo-klasike të dritës mund të përgatiten në laboratorë sot? Rezulton se ka shumë pak specie. Fizikantët dinë të përgatisin dritën njëfotonike dhe dritën dyfotonike me një përzierje të gjendjes vakum, d.m.th. gjendjet e dritës pa fotone. Çfarë do të thotë kjo? Në rastin e dritës me një foton, kjo do të thotë se edhe një fotodetektor ideal i ndezur në një moment të caktuar nuk do të regjistrojë domosdoshmërisht fotonin; do të klikojë vetëm me njëfarë probabiliteti. (Një fotodetektor ideal është një marrës që funksionon me një probabilitet 100% nëse ka një foton në hyrje.) Megjithatë, fotodetektori nuk do të regjistrojë kurrë dy fotone, edhe nëse, në parim, është në gjendje të dallojë një foton nga dy. Po kështu, nuk do të regjistrohen treshe fotonesh, katërfisha fotone etj. Prandaj, nëse një fotodetektor (ose një palë fotodetektorësh) zbulon një përzierje të gjendjeve vakum dhe dy fotonike, klikimet do të ndodhin vetëm në çifte, por në kohë të rastësishme. Trefishi, katërfishi i fotoneve etj. gjithashtu nuk do të regjistrohet.

Drita me një foton mund të përgatitet pa përzierjen e një gjendje vakumi - në këtë rast, momentet kur duhet të ndizni fotodetektorin do të dihen saktësisht dhe do të klikojë me probabilitet 100%. Por eksperimentuesit nuk dinë të përgatisin dritë me tre foton dhe, aq më tepër, me katër foton, edhe me një përzierje vakumi!

Dhe së fundi, i fundit nga llojet "e disponueshme" të dritës jo klasike është e ashtuquajtura drita e shtrydhur, një dritë e tillë përmban vetëm një numër çift fotonesh, dhe kur regjistrohet, fotodetektorët mund të zbulojnë çifte fotonesh, katërshe, gjashtëshe. , etj., por asnjëherë treshe, kuinta dhe numra të tjerë tek fotoneve.

Aplikimet e dritës jo klasike.

Drita joklasike tërheq vëmendjen e fizikantëve jo vetëm si një objekt interesant studimi. Rezulton të jetë shumë i dobishëm për sa i përket aplikacioneve të ndryshme. Kështu, drita me dy foton përdoret për të kalibruar me saktësi fotodetektorët. Çdo fotodetektor është i papërsosur, d.m.th. shkakton me një probabilitet më të vogël se 100%. Ky probabilitet quhet efikasiteti kuantik i fotodetektorit. Kalibrimi i një fotodetektori është një matje e efikasitetit kuantik të tij; Më parë, për këtë përdoreshin burime të dritës referuese ose marrës, dhe kjo e bënte matjen jo shumë të saktë. Sidoqoftë, drita me dy foton bën të mundur që të bëhet pa standarde të tilla. Në të vërtetë, nëse dy fotodetektorë zbulojnë dritë me dy foton, atëherë në mënyrë ideale ata duhet të klikojnë gjithmonë njëkohësisht. Në realitet, numri i klikimeve të njëkohshme do të jetë më i vogël se numri i klikimeve të ndonjërit prej fotodetektorëve. Duke pjesëtuar numrin e klikimeve të njëkohshme me numrin e klikimeve të njërit prej fotodetektorëve, mund të marrim efikasitetin kuantik të fotodetektorit të dytë. Në këtë rast, nuk kërkohen standarde dhe saktësia e matjes mund të përmirësohet ndjeshëm në krahasim me metodat tradicionale.

Drita e shtrydhur, si drita me dy foton, është e dobishme për të bërë matje të sakta. Përdorimi i tij bën të mundur reduktimin e gabimeve eksperimentale që lidhen me pasigurinë kuantike. Dihet se objektet kuantike më së shpeshti nuk kanë parametra të specifikuar saktësisht; vetitë e tyre mund të quhen “të lyera”, sikurse pozicioni i tyre në hapësirë është “i lyer”. Në matjet me saktësi të lartë, kur gabimet eksperimentale reduktohen në minimum, kjo njollosje e vetive bëhet një kufizim themelor në saktësinë e matjeve. Përdorimi i dritës së kompresuar e anashkalon këtë vështirësi dhe zvogëlon turbullimin në periudha të caktuara.

Së fundi, një nga aplikimet më të fundit të dritës jo klasike është transmetimi sekret i informacionit (kriptografia kuantike). Për këtë, është më e përshtatshme të përdoret drita me një foton. Ideja e kriptografisë kuantike është të transmetojë informacion në fotone individuale. Për shembull, numrat 0 dhe 1 janë të koduar nga polarizimi i fotoneve: një foton i polarizuar vertikalisht shënohet me "0", dhe një foton i polarizuar horizontalisht shënohet me "1". Një transmetim i tillë i informacionit do të jetë sekret sepse nuk mund të "dëgjohet". Çdo përgjues mund të përgjojë vetëm disa fotone tërësisht - në fund të fundit, ai nuk mund të ndajë një pjesë të një fotoni dhe kështu të zbulojë polarizimin e tij. Por fotonet e përgjuara thjesht nuk do të marrin pjesë në transmetimin e informacionit, kështu që informacioni i transmetuar nga kuantet individuale mbrohet nga përgjimi.

Maria Çehova

Seksioni i përgatitur nga Philip Oleinik

OPTIKA KUANTUME- një degë e optikës që studion mikrostrukturën e fushave të dritës dhe dukurive optike në proceset e bashkëveprimit të dritës me lëndën, në të cilat manifestohet natyra kuantike e dritës.

Fillimi i optikës kuantike u hodh nga M. Planck në vitin 1900. Ai paraqiti një hipotezë që kundërshton rrënjësisht idetë e fizikës klasike. Planck sugjeroi që energjia e oshilatorit mund të marrë jo ndonjë vlerë, por mjaft të përcaktuar, në përpjesëtim me një pjesë të caktuar elementare - kuantike të energjisë. Në këtë drejtim, emetimi dhe thithja e rrezatimit elektromagnetik nga një oshilator (substancë) nuk kryhet vazhdimisht, por në mënyrë diskrete në formën e kuanteve individuale, madhësia e të cilave është në përpjesëtim me frekuencën e rrezatimit:

ku koeficienti më vonë u quajt konstanta e Plankut. Vlera me përvojë

Konstanta e Plankut është konstanta më e rëndësishme universale, duke luajtur të njëjtin rol themelor në fizikën kuantike si shpejtësia e dritës në teorinë e relativitetit.

Planck vërtetoi se një formulë për densitetin e energjisë spektrale të rrezatimit termik mund të merret vetëm nëse supozohet kuantizimi i energjisë. Përpjekjet e mëparshme për të llogaritur densitetin e energjisë spektrale të rrezatimit termik çuan në faktin se në rajonin e gjatësive të valëve të vogla, d.m.th. në pjesën ultravjollcë të spektrit, u shfaqën vlera të pakufizuara të mëdha divergjence. Natyrisht, në eksperiment nuk u vunë re mospërputhje dhe kjo mospërputhje midis teorisë dhe eksperimentit u quajt "katastrofa ultravjollcë". Supozimi se emetimi i dritës ndodh në pjesë bëri të mundur heqjen e divergjencave në spektrat e llogaritur teorikisht dhe, në këtë mënyrë, të shpëtojmë nga "katastrofa ultravjollcë".

Në shekullin e 20-të u shfaq ideja e dritës si një rrjedhë trupash, d.m.th grimcash. Megjithatë, fenomenet valore të vëzhguara për dritën, të tilla si ndërhyrja dhe difraksioni, nuk mund të shpjegoheshin në termat e natyrës korpuskulare të dritës. Doli se drita, dhe në të vërtetë rrezatimi elektromagnetik në përgjithësi, janë valë dhe në të njëjtën kohë një rrjedhë grimcash. Kombinimi i këtyre dy këndvështrimeve bëri të mundur zhvillimin në mesin e shekullit të 20-të. qasje kuantike për përshkrimin e dritës. Nga pikëpamja e kësaj qasjeje, fusha elektromagnetike mund të jetë në një nga gjendjet e ndryshme kuantike. Për më tepër, ekziston vetëm një klasë e dalluar e gjendjeve me një numër të saktë të specifikuar të fotoneve - gjendjet Fock, të quajtura pas V.A. Fock. Në gjendjet Fock, numri i fotoneve është fiks dhe mund të matet me saktësi arbitrare të lartë. Në shtetet e tjera, matja e numrit të fotoneve do të japë gjithmonë një shpërndarje. Prandaj, shprehja "drita është bërë nga fotone" nuk duhet të merret fjalë për fjalë - kështu, për shembull, drita mund të jetë në një gjendje të tillë që të ketë një probabilitet 99% që të mos përmbajë fotone dhe një probabilitet 1% që të përmbajë dy fotone. Ky është një nga ndryshimet midis një fotoni dhe grimcave të tjera elementare - për shembull, numri i elektroneve në një vëllim të kufizuar specifikohet absolutisht saktësisht, dhe mund të përcaktohet duke matur ngarkesën totale dhe duke e ndarë me ngarkesën e një elektroni. Numri i fotoneve të vendosura në një vëllim të caktuar të hapësirës për ca kohë mund të matet me saktësi në raste shumë të rralla, domethënë, vetëm kur drita është në gjendjen Fock. Një pjesë e tërë e optikës kuantike i kushtohet metodave të ndryshme të përgatitjes së dritës në gjendje të ndryshme kuantike; në veçanti, përgatitja e dritës në gjendjet Fock është një detyrë e rëndësishme dhe jo gjithmonë e realizueshme.

Drita- rrezatimi elektromagnetik me veti valore dhe kuantike.

Kuantike– grimcë (korpuskulë).

Vetitë e valës.

Drita është një valë elektromagnetike tërthore ().

, E 0 , H 0 - vlerat e amplitudës,
- rrethi. Cikli. frekuenca,
- frekuenca. Fig.1.

V - shpejtësia Shpërndarja valët në një mjedis të caktuar. V=C/n, ku C është shpejtësia e dritës (në vakum C=3*10 8 m/s), n është indeksi i thyerjes së mediumit (varet nga vetitë e mediumit).

, - konstanta dielektrike, - përshkueshmëria magnetike.

- faza e valës.

Ndjesia e dritës është për shkak të komponentit elektromagnetik të valës ( ).

- gjatësia e valës, e barabartë me shtegun e përshkuar nga vala gjatë periudhës (
;
).

Gama e dritës së dukshme: =0,40,75 mikron.

;

4000 - i shkurtër (vjollcë); 7500 - e gjatë (e kuqe).

Vetitë kuantike të dritës.

Nga pikëpamja e teorisë kuantike, drita emetohet, përhapet dhe absorbohet në pjesë të veçanta - kuante.

Karakteristikat e fotonit.

1. Meshë.
; m 0 - masë pushimi.

Nëse m 0 0 (foto), pastaj sepse V=C,m= - e pakuptimtë, prandaj m 0 =0 është një foton në lëvizje. Prandaj, drita nuk mund të ndalet.

Prandaj, masa e fotonit duhet të llogaritet nga formula relativiste për energjinë. E=mC2, m=E/C2.

2. Energjia e fotonit.E=mC 2 .

Në vitin 1900, Max Planck, një fizikan gjerman, nxori formulën e mëposhtme për energjinë e fotonit:
.

h=6,62*10 -34 J*s- Konstante e Planck-ut.

3. Impuls.

p=mV=mC=mC 2 /C=E/C=h/
; p-karakteristikë e grimcës, - karakteristikat e valës.

Optika valore. Ndërhyrje - rishpërndarje. Dritë në hapësirë.

Mbivendosje e valëve të dritës, si rezultat i të cilit intensiteti i dritës rritet në disa vende në hapësirë, dhe dobësohet në të tjera. Kjo do të thotë, ka një rishpërndarje të intensitetit të dritës në hapësirë.

Kusht për vëzhgimin e interferencës është koherenca e valëve të dritës (valët që plotësojnë kushtin: -valët monokromatike;
– faza e valës është konstante në një pikë të caktuar të hapësirës me kalimin e kohës).

LLOGARITJA E MODELVE TË NDËRFERENCAVE.

Burimet janë valë koherente. ; * - saktë burimi.

Shirit i errët dhe i lehtë.

1. Nëse l~d, atëherë
fotografia është e padallueshme, prandaj, për të parë diçka, ju duhet 2. l<.

Në pikën M, dy valë koherente mbivendosen.

, d1,d2 - metra të përshkuar nga valët; - dallimi i fazës.

Më e errët/më e lehtë - intensiteti.
(proporcionale).

Nëse valët nuk janë koherente:
(vlera mesatare për periudhën).

(mbivendosje, imponim).

Nëse - koherente:
;

;
-ndodh interferenca e dritës (rishpërndarja e dritës).

; Nëse
(diferenca e rrugës së valës optike) n-indeksi thyes; (d2-d1)-diferenca gjeometrike në rrugën e valës; -gjatësia valore (rruga që përshkon vala gjatë një periudhe).

- formula themelore e interferencës.

Në varësi të rrugës , vijnë me të ndryshme . Ires varet nga kjo e fundit.

1. Ires.maksimumi.

Kjo gjendje maksimale interferenca e dritës, sepse në këtë rast valët mbërrijnë në të njëjtën fazë dhe për këtë arsye përforcojnë njëra-tjetrën.

n-faktori i shumëfishimit; - do të thotë që modeli i ndërhyrjes është simetrik në lidhje me qendrën e ekranit.

Nëse fazat përkojnë, atëherë amplituda nuk varet nga fazat.

- Gjithashtu gjendja maksimale.

2 . Ires.min.

; k=0,1,2…;
.

- Kjo gjendje minimale, sepse në këtë rast, valët arrijnë në antifazë dhe anulojnë njëra-tjetrën.

Metodat për prodhimin e valëve koherente.

Parimi i marrjes.

Për të marrë valë koherente, është e nevojshme të merret një burim dhe të ndahet vala e dritës që vjen prej saj në dy pjesë, të cilat më pas detyrohen të takohen. Këto valë do të jenë koherente, sepse do t'i përkasë të njëjtit moment rrezatimi, pra. .

Dukuritë e përdorura për të ndarë një valë drite në dysh.

1. Fenomeni reflektimet e dritës(Pasqyra me rruaza Fresnel). Fig.4.

2 . Fenomeni thyerja e dritës(Fresnel biprism). Fig.5.

3 . Fenomeni difraksioni i dritës.

Ky është devijimi i dritës nga përhapja drejtvizore kur drita kalon nëpër vrima të vogla ose pranë pengesave të errëta, nëse dimensionet e tyre (të dyja) d janë në përpjesëtim me gjatësinë e valës (d~ ). Se: Fig.6. - Instalimi i Jung-ut.

Në të gjitha këto raste, burimi i vërtetë i dritës ishte një pikë. Në jetën reale, drita mund të zgjatet - një pjesë e qiellit.

4.
, n është indeksi i thyerjes së filmit.

Ka dy raste të mundshme:

H=konst, atëherë
. Në këtë rast, modeli i ndërhyrjes quhet një skaj me pjerrësi të barabartë.

H konst. Një rreze paralele rrezesh bie.
.
- shirita me trashësi të barabartë.

Instalimi i unazës së Njutonit.

Është e nevojshme të merret parasysh modeli i ndërhyrjes në dritën e reflektuar dhe të përthyer.

Përkufizimi 1

Optika kuantike është një degë e optikës, detyra kryesore e së cilës është studimi i fenomeneve në të cilat vetitë kuantike të dritës mund të shfaqen.

Fenomene të tilla mund të jenë:

efekt fotoelektrik;
rrezatimi termik;
Efekti Raman;
Efekti Compton;
emetimi i stimuluar etj.

Bazat e optikës kuantike

Ndryshe nga optika klasike, optika kuantike përfaqëson një teori më të përgjithshme. Problemi kryesor që trajton është përshkrimi i ndërveprimit të dritës me lëndën, duke marrë parasysh natyrën kuantike të objekteve. Optika kuantike merret edhe me përshkrimin e procesit të përhapjes së dritës në kushte të veçanta (kushte specifike).

Një zgjidhje më e saktë për probleme të tilla kërkon një përshkrim të lëndës (përfshirë mediumin e përhapjes) dhe dritës ekskluzivisht nga pozicioni i ekzistencës së kuanteve. Në të njëjtën kohë, shkencëtarët shpesh e thjeshtojnë detyrën kur e përshkruajnë atë kur një nga komponentët e sistemit (për shembull, një substancë) përshkruhet në formatin e një objekti klasik.

Shpesh në llogaritje, për shembull, kuantizohet vetëm gjendja e mediumit aktiv, ndërsa rezonatori konsiderohet klasik. Megjithatë, nëse gjatësia e saj është një renditje e madhësisë më e lartë se gjatësia e valës, ajo nuk mund të konsiderohet më klasike. Sjellja e një atomi të ngacmuar të vendosur në një rezonator të tillë do të jetë më komplekse.

Detyrat e optikës kuantike kanë për qëllim studimin e vetive korpuskulare të dritës (d.m.th., fotoneve dhe grimcave korpuskulare të saj). Sipas hipotezës së M. Planck për vetitë e dritës, e propozuar në vitin 1901, ajo përthithet dhe emetohet vetëm në pjesë të veçanta (fotone, kuante). Një kuantike përfaqëson një grimcë materiale me një masë të caktuar $m_ф$, energji $E$ dhe momentum $p_ф$. Pastaj formula shkruhet:

Ku $h$ përfaqëson konstantën e Planck-ut.

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

Ku $\lambda$ është frekuenca e dritës

$c$ do të jetë shpejtësia e dritës në vakum.

Fenomenet kryesore optike të shpjeguara nga teoria kuantike përfshijnë presionin e dritës dhe efektin fotoelektrik.

Efekti fotoelektrik dhe presioni i dritës në optikën kuantike

Përkufizimi 2

Efekti fotoelektrik është një fenomen i ndërveprimeve midis fotoneve të dritës dhe materies, në të cilin energjia e rrezatimit do të transferohet në elektronet e substancës. Ekzistojnë lloje të tilla të efektit fotoelektrik si të brendshëm, të jashtëm dhe valvul.

Efekti i jashtëm fotoelektrik karakterizohet nga lirimi i elektroneve nga metali në momentin e rrezatimit të tij me dritë (në një frekuencë të caktuar). Teoria kuantike e efektit fotoelektrik thotë se çdo akt i përthithjes së një fotoni nga një elektron ndodh në mënyrë të pavarur nga të tjerët.

Një rritje në intensitetin e rrezatimit shoqërohet me një rritje të numrit të fotoneve të incidentit dhe të absorbuar. Kur energjia përthithet nga një substancë me frekuencë $ν$, secili nga elektronet rezulton të jetë i aftë të thithë vetëm një foton, duke hequr energjinë prej tij.

Ajnshtajni, duke zbatuar ligjin e ruajtjes së energjisë, propozoi ekuacionin e tij për efektin e jashtëm fotoelektrik (një shprehje e ligjit të ruajtjes së energjisë):

$hv=A_(jashtë)+\frac(mv^2)(2)$

$A_(jashtë)$ është funksioni i punës së një elektroni që largohet nga metali.

Energjia kinetike e elektronit të emetuar merret me formulën:

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

Nga ekuacioni i Ajnshtajnit rezulton se nëse $E_k=0$, atëherë është e mundur të merret frekuenca shumë minimale (kufiri i kuq i efektit fotoelektrik) në të cilën do të jetë e mundur:

$v_0 = \frac (A_(jashtë)) h$

Presioni i dritës shpjegohet me faktin se, si grimca, fotonet kanë një moment të caktuar, të cilin e transferojnë në trup përmes procesit të përthithjes dhe reflektimit:

Një fenomen i tillë si presioni i dritës shpjegohet edhe nga teoria e valës, sipas së cilës (nëse i referohemi hipotezës së de Broglie), çdo grimcë ka edhe veti valore. Marrëdhënia midis momentit $P$ dhe gjatësisë së valës $\lambda$ tregohet nga ekuacioni:

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

Efekti Compton

Shënim 1

Efekti Compton karakterizohet nga shpërndarja jokoherente e fotoneve nga elektronet e lira. Vetë koncepti i inkoherencës nënkupton mosndërhyrjen e fotoneve para dhe pas shpërndarjes. Efekti ndryshon frekuencën e fotoneve, dhe pas shpërndarjes elektronet marrin një pjesë të energjisë.

Efekti Compton ofron dëshmi eksperimentale të manifestimit të vetive korpuskulare të dritës si një rrjedhë grimcash (fotone). Fenomenet e efektit Compton dhe efekti fotoelektrik janë prova e rëndësishme e koncepteve kuantike të dritës. Në të njëjtën kohë, fenomene të tilla si difraksioni, interferenca dhe polarizimi i dritës konfirmojnë natyrën valore të dritës.

Efekti Compton përfaqëson një nga provat e dualitetit valë-grimcë të mikrogrimcave. Ligji i ruajtjes së energjisë shkruhet si më poshtë:

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

Efekti i kundërt i Compton përfaqëson një rritje në frekuencën e dritës kur shpërndahet nga elektronet relativiste me energji më të madhe se foton. Në këtë ndërveprim, energjia transferohet në foton nga elektroni. Energjia e fotoneve të shpërndara përcaktohet nga shprehja:

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

Ku $e_1$ dhe $e_0$ janë energjitë e fotoneve të shpërndara dhe të incidentit, përkatësisht, dhe $k$ është energjia kinetike e elektronit.